粗軋平箱孔型對圓鋼頂鍛性能的影響

供稿|潘建洲 / PAN Jian-zhou

粗軋平箱孔型對圓鋼頂鍛性能的影響

Infl uence of Rough Rolling Flat Roll and Box Hole on Round Steel Forging Quality

供稿|潘建洲 / PAN Jian-zhou

作者單位：福建三鋼集團(tuán)閩光股份有限公司棒材廠，福建 三明 365000

內(nèi)容導(dǎo)讀

圓棒生產(chǎn)線粗軋區(qū)域孔型系統(tǒng)普遍采用箱型加橢圓圓孔型系統(tǒng)，箱型孔設(shè)計(jì)選擇參數(shù)對金屬在孔型內(nèi)流動(dòng)控制甚為關(guān)鍵，參數(shù)不當(dāng)將導(dǎo)致軋件表面質(zhì)量缺陷，進(jìn)而影響最終成品的頂鍛性能。通過對圓鋼產(chǎn)品頂鍛開裂形貌觀察與成因分析，結(jié)合箱型采用不同設(shè)計(jì)參數(shù)后圓鋼產(chǎn)品頂鍛性能的對比研究，得出了通過孔型優(yōu)化設(shè)計(jì)與改善圓鋼產(chǎn)品頂鍛性能之間的相關(guān)系，從而較好地解決了成品頂鍛開裂這一難題。

優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼等高品質(zhì)圓鋼在使用過程中需要鍛打成型，如鍛打開裂將產(chǎn)生廢品，因此頂鍛合格率成為圓鋼的一個(gè)重要性能指標(biāo)，是優(yōu)質(zhì)圓鋼檢驗(yàn)的必檢項(xiàng)目。檢測時(shí)如頂鍛不合格，則需將該批次成品判廢處理。福建三鋼集團(tuán)的圓棒在生產(chǎn)初期，頂鍛指標(biāo)不理想，其中以尾部樣開裂居多，為此需要對開裂原因進(jìn)行分析并加以改進(jìn)，以提高頂鍛合格率。

熱頂鍛開裂機(jī)制及形貌

金屬材料的熱頂鍛開裂，通常是材料宏觀或微觀缺陷受到外力的作用而暴露、擴(kuò)展或延伸造成。按工序分類，可分為原料自身缺陷和軋制產(chǎn)生的缺陷。其中軋制缺陷造成的頂鍛開裂占主要部分。軋制缺陷按產(chǎn)生的原因分別有：刮傷、折疊、褶皺等。在實(shí)際生產(chǎn)中，發(fā)現(xiàn)有5種典型的裂紋缺陷，具體形貌及金相組織如(圖1~圖10)。

圖1　表面細(xì)小裂紋

分別為鑄坯表面缺陷造成的裂紋，夾雜物造成的裂紋，刮傷造成的裂紋，折疊造成的裂紋，皺褶造成的裂紋。

圖2　裂紋兩側(cè)脫碳及高溫氧化原點(diǎn)

圖3　表面黑線

圖4　裂紋內(nèi)含夾雜物

圖 5 表面劃痕

圖6　劃痕缺陷及氧化物底部圓滑

圖7　折疊裂紋

圖8　折疊裂紋兩側(cè)存在脫碳現(xiàn)象

圖9　皺褶缺陷

尾部開裂原因分析

通過對尾部開裂樣進(jìn)行金相分析，成品尾部頂鍛情況見圖11。開裂的原因主要是折疊造成的，經(jīng)現(xiàn)場查看，粗軋前兩道次采用平輥，因料型尾部扶持度不良，尾部產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，在后道槽孔中形成耳子再被壓倒軋平產(chǎn)生折疊，形成原理如圖12。

圖10　缺陷尾部存在氧化原點(diǎn)

圖11　尾部開裂

圖12　折疊示意圖

針對尾部容易倒坯的問題，分析與無孔型軋制有關(guān)，特別是尾部溫度低，軋制時(shí)更容易產(chǎn)生脫方現(xiàn)象，而造成扭轉(zhuǎn)。對此決定采用箱型孔，以提高過鋼的穩(wěn)定性。

箱型孔的設(shè)計(jì)及使用情況

孔型設(shè)計(jì)

箱型孔通常采用下式進(jìn)行設(shè)計(jì)，其孔型示意圖如圖13：

圖13　箱形孔示意圖

bk=b?(0~5)，Bk=b+βΔh+4~6，s=(0.02~0.05)D，R=(0.12~0.2)b，r=(0.08~0.12)b，h=H?Δh。

式中：b為來料寬度，mm；β為寬展系數(shù)；Δh為壓下量，mm；H為來料高度，mm；D為軋輥直徑，mm。

經(jīng)理論計(jì)算，前2道次料型尺寸如表1。

表1　各道次料形尺寸

參考設(shè)計(jì)后1#、2#箱型孔型尺寸見圖14和圖15。

圖14　1#軋機(jī)箱型孔(單位：mm)

圖15　2#軋機(jī)箱型孔(單位：mm)

改用箱型孔后圓鋼的頂鍛質(zhì)量

改用箱型孔后尾部扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象得到改善，但小規(guī)格成品有細(xì)裂紋，φ40 mm以上規(guī)格圓鋼有4條明顯近似對稱的裂紋，見圖16。

圖16　φ40圓成品頂鍛樣

取1#飛剪樣做酸洗及金相分析(見圖17、18)，試樣表面存在4簇對稱的表面缺陷，缺陷最深約0.25 mm，缺陷內(nèi)存在氧化物，部分缺陷尾部存在氧化原點(diǎn)。 經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕，缺陷兩側(cè)組織一致，初步判斷該缺陷為褶皺裂紋。

圖17　1#飛剪酸洗樣

圖18　1#剪軋件高倍組織形貌

取1#軋機(jī)樣酸洗，在樣品角部1公分范圍內(nèi)有多條斷續(xù)褶皺，見圖19，說明在1#軋機(jī)處已形成裂紋源。

圖19　1#軋機(jī)酸洗樣

裂紋原因分析

通過排除法分析，造成該處褶皺應(yīng)與新改孔型有關(guān)，對箱型孔與坯料進(jìn)行CAD畫圖模擬分析：

該孔型槽底寬度163 mm，槽底倒角R30 mm，槽底直線段長度126 mm，坯料熱態(tài)實(shí)測尺寸165 mm×165 mm，變形后尺寸113 mm×180 mm。當(dāng)坯料咬入軋機(jī)時(shí)，四個(gè)角部最先與孔型側(cè)壁四點(diǎn)接觸，而受到正向壓力(受力分析如圖20)，該力與槽底倒角垂直，與坯料對角線成4.44°交角，在此力作用下，軋件角部先產(chǎn)生變形，角部金屬朝中下方向移動(dòng)。當(dāng)軋件完全咬入軋機(jī)后，受到豎直方向軋制力的影響，軋件寬展發(fā)生較大變化，邊角部變形加劇，同時(shí)坯料寬度方向受到側(cè)壁的限制，部分金屬向上方流動(dòng)，角部金屬因無法正常流動(dòng)產(chǎn)生堆積形成皺褶。經(jīng)多道次變形延伸后，成為細(xì)小裂紋。當(dāng)軋制規(guī)格較小時(shí)，裂紋不明顯，規(guī)格較大時(shí)則清楚可見。

圖20　角部受力分析示意圖

優(yōu)化改進(jìn)

改進(jìn)措施

1#孔型槽底寬度加大7 mm，側(cè)壁斜度由20°改為15°，內(nèi)圓角半徑由30 mm改為15 mm。2#孔型因充滿度不足90%，孔型扶持力不理想，將槽底寬度減小5 mm。改后充滿度達(dá)92%。改進(jìn)后孔型如圖21和圖22。

圖21　優(yōu)化后1#孔型圖(單位：mm)

圖22　優(yōu)化后2#孔型圖(單位：mm)

優(yōu)化后效果

取1#軋機(jī)樣酸洗未發(fā)現(xiàn)褶皺情況，見圖23。

成品頂鍛質(zhì)量良好，未再出現(xiàn)四條對稱裂紋，倒尾現(xiàn)象也得到解決。頂鍛合格率比改前明顯提高，改進(jìn)前后5個(gè)月指標(biāo)對比(圖24)。

圖23　1#軋機(jī)酸洗樣(改后)

圖24　頂鍛合格率對比

結(jié)語

隨著市場對圓鋼質(zhì)量要求的不斷提高，成品熱頂鍛合格率已成為用戶特別關(guān)心的一項(xiàng)指標(biāo)，生產(chǎn)單位除了要控制好坯料自身的缺陷，更要控制好生產(chǎn)過程中帶來的缺陷。軋制過程中刮傷、折疊等缺陷容易查找，但因孔型設(shè)計(jì)而造成的褶皺則不易發(fā)現(xiàn)，金相分析時(shí)容易與坯料缺陷混淆，導(dǎo)致故障處理不及時(shí)，而出現(xiàn)批量質(zhì)量事故。為此，孔型設(shè)計(jì)時(shí)，除了借鑒傳統(tǒng)的孔型設(shè)計(jì)理論外，更需要結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際特點(diǎn)，設(shè)計(jì)符合自身?xiàng)l件的孔型。只有這樣才能避免因基礎(chǔ)條件不足，而造成的質(zhì)量問題。

作者簡介：潘建洲（1971—），男，畢業(yè)于北京科技大學(xué)材料工程學(xué)院，碩士學(xué)位，現(xiàn)任職于福建三鋼（集團(tuán)）閩光股份有限公司棒材廠廠長，黨委書記，高級工程師。

DOI:10.3969/j.issn.1000–6826.2015.04.05