數值模擬在支承輥調質工藝優化中的應用

2022-05-12 07:38:16白興紅張雪姣趙曉龍

一重技術 2022年2期

郭峰，白興紅，張雪姣，趙曉龍

支承輥是軋鋼設備的重要零件，消耗量大，其中帶鋼軋機支承輥的國內需求量約1 600 支/a[1、2]。鑒于支承輥產品特殊的使用性能，要求輥身工作層具有高耐磨性、抗疲勞性，心部要具有良好的強韌性。一般支承輥產品需經過鍛后熱處理、預備熱處理（調質）和差溫熱處理三次熱處理，耗時較長，生產效率低。為緩解支承輥量大，熱處理爐緊張的狀況，在保證工件熱處理質量及生產安全前提下，需對熱處理工藝進行優化。

隨著計算機技術和熱處理數值模擬技術的發展，基于大型鑄鍛件熱處理過程的數值模擬研究越來越多[3～5]。本文通過建立Cr5 型鍛鋼支承輥在調質回火保溫階段的溫度、組織、應力演變及相互耦合的數學模型，對兩種規格支承輥調質回火工藝進行數值模擬，確定工藝優化方向。

1 有限元模型的建立及判斷依據

本文以輥身直徑?1 325 mm、?1 705 mm 兩種規格支承輥為研究對象，建立軸對稱模型?？紤]支承輥熱處理過程中的珠光體、貝氏體、馬氏體相變、相變膨脹等對殘余應力的影響，將各組織的熱、力學性能分別設置為隨溫度變化的參數。

在預備熱處理過程中，大型支承輥鍛件經淬火處理后進行回火熱處理，回火保溫的目的[6]：①消除或降低淬火冷卻過程中產生的內應力；②獲得穩定的回火組織。因此，下述內容為調整回火保溫時間的參考依據：①回火轉變以原子擴散為基礎，以貝氏體、馬氏體組織保溫時間＞20 h 作為淬火組織轉變完全的依據；②保溫過程中工件內應力趨向穩定，這里選取最大主應力為參考；③支承輥完成調質熱處理后出爐時，不同保溫時間工藝條件下的應力場對比。

本文以“低溫保持（250～300 ℃）階段”的珠光體體積百分含量90%以上的區域（尚有少量貝氏體或馬氏體）為分析對象，回火保溫＞20 h。?1 325 mm、?1 705 mm 支承輥傳統調質回火保溫時間為50～100 h（見圖1）。

圖1 支承輥調質回火工藝

2 ?1 705 mm 支承輥熱處理數值模擬

2.1 低溫保持階段的組織場

以“低溫保持”階段的組織場作為分析對象（見圖2）。支承輥表面多為馬氏體、貝氏體，輥身內部為珠光體組織，P1、P2、P3 為珠光體體積百分含量90%的3 處位置，該區域內尚有少量貝氏體或馬氏體組織。

2.2 回火保溫時間

提取珠光體體積百分含量90%時三處位置P1、P2、P3 的溫度場數據，600 ℃保溫過程中，P1、P2、P3 三處達到595 ℃所用時間分別為40 h、35 h、25 h（見圖3）。為保證淬火組織轉變完全，595～600 ℃下繼續保持20 h，得到回火保溫時間應≥60 h。

2.3 回火保溫過程中的應力場

根據工件在調質回火保溫時的應力場分布可知，P1 點距離輥身心部235 mm，回火過程中該處的主應力最大，P2 點主應力相對也較高（見圖4）。

圖4 回火保溫過程中應力分布

由P1、P2 兩處的最大主應力隨保溫時間的變化可以看出，應力值隨保溫時間增加而逐漸趨于穩定（見圖5）。

圖5 回火保溫過程中的最大主應力

P1 點最大主應力在保溫42 h 時為350 MPa，保溫60 h 時為342 MPa，保溫80 h 時為341 MPa。P2 點最大主應力在保溫28 h 時為330 MPa，保溫60 h 時為324 MPa，保溫80 h 時為323 MPa?？芍?0～80 h 的回火保溫時間對工件的應力影響不大。