高Cr支承輥KD法鍛造工藝模擬研究

甘紅勝　趙　欣　李　勇

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

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高Cr支承輥KD法鍛造工藝模擬研究

甘紅勝趙欣李勇

(中國(guó)第二重型機(jī)械集團(tuán)公司，四川618013)

摘要：針對(duì)高Cr支承輥鍛件采用傳統(tǒng)WHF法鍛造導(dǎo)致表面開(kāi)裂的現(xiàn)象，本文通過(guò)數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)105A級(jí)Cr5鍛鋼支承輥進(jìn)行了兩種不同工藝方案的模擬對(duì)比與分析，為我公司今后應(yīng)用KD法生產(chǎn)大型高Cr支承輥提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高Cr支承輥；WHF法；表面開(kāi)裂；KD法

隨著冷熱軋機(jī)不斷向高速化、大型化、高精度化、自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)與之相配套使用的支承輥也提出了越來(lái)越高的要求?，F(xiàn)代化連軋機(jī)設(shè)計(jì)要求支承輥具有輥身表面強(qiáng)度高，硬度均勻性好，淬硬層深，輥頸及輥芯強(qiáng)韌性好，耐磨性高，抗剝落性好，抗斷裂性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，我公司根據(jù)市場(chǎng)需求，開(kāi)發(fā)研制出高Cr(Cr4、Cr5)支承輥材料，這兩種支承輥的耐磨性和抗剝落能力得到顯著提高。尤其是Cr5型支承輥由于合金含量較高，擁有優(yōu)越的淬硬性和淬透性，以及良好的耐磨性和抗斷裂性，且其使用壽命較Cr3型也有明顯的提高。

目前支承輥產(chǎn)品中的Cr5型仍是主流產(chǎn)品。但隨著支承輥大型化發(fā)展及Cr合金含量的增加，其鍛制難度也隨之加大。支承輥內(nèi)部要鍛透、壓實(shí)，避免表面開(kāi)裂，使其具有致密組織和良好抗事故性顯得尤為重要。為此，本文通過(guò)DEFORM-3D數(shù)值模擬軟件，對(duì)大型鍛鋼Cr5支承輥分別進(jìn)行了在不同變形量下，采用WHF法和KD法兩種鍛造工藝的模擬對(duì)比分析，從鍛透壓實(shí)和避免近表面開(kāi)裂以及我公司的設(shè)備能力等角度，重點(diǎn)闡述了兩種鍛造工藝的特點(diǎn)，為我公司今后采用KD法生產(chǎn)大型高Cr支承輥提供理論依據(jù)。

1WHF法與KD法鍛造工藝應(yīng)用研究

1.1WHF法鍛造工藝應(yīng)用研究

WHF法是比較傳統(tǒng)且廣泛應(yīng)用的一種鍛造壓實(shí)的方法，是以大砧寬比(≥0.5)和大壓下率(≥20%)迫使鍛件心部產(chǎn)生較大變形，其心部的變形比用普通平砧拔長(zhǎng)要大得多，對(duì)鍛合壓實(shí)鍛件內(nèi)部孔隙、消除疏松等缺陷十分有利。但寬砧和大壓下率也要求有較大的鍛造設(shè)備。我公司諸多支承輥基本是采用WHF法鍛制出成品的。但是由于WHF法是應(yīng)變主導(dǎo)型的壓實(shí)法，極易在拉應(yīng)力作用下，錠身表面出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)裂紋。裂紋缺陷輕者可用吹氧清傷的方式挽救，重者則直接報(bào)廢。特別在鍛造大型高Cr支承輥時(shí)，這種情況時(shí)有出現(xiàn)，經(jīng)濟(jì)損失十分嚴(yán)重。

1.2KD法鍛造工藝應(yīng)用研究[1]

KD鍛造法是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的高溫?cái)U(kuò)散加熱、135°角上下V型寬砧、大壓下量的鍛造法。其砧寬比為0.5～0.6，壓下變形率為15%～20%，通常鋼錠需要進(jìn)行一次中間鐓粗，使輥身總鍛比≥3.0。

KD法操作規(guī)程為：

(1)滿(mǎn)砧進(jìn)給、順趟壓拔、互成90°角翻轉(zhuǎn)；

(2)奇數(shù)道次首砧壓冒口，偶數(shù)道次首砧壓水口。

2DEFORM-3D數(shù)值模型建立

表1　鍛鋼Cr5材質(zhì)化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

選取原始105A級(jí)鋼錠，方案F1為采用一次鐓粗+一次WHF法工藝拔長(zhǎng)模擬，方案F2為采用一次鐓粗+一次KD法工藝拔長(zhǎng)模擬。這兩種方案的鐓粗工藝相同，鐓粗后的坯料尺寸均為?3 000 mm×1 350 mm。方案F1采用1 300 mm上下平砧拔長(zhǎng)，方案F2采用1 300 mm且110°角上下V型砧拔長(zhǎng)，這兩者拔長(zhǎng)行程控制上砧壓下率分別為15%、20%和25%，始鍛溫度均設(shè)為1 220℃，圖1為方案F1和方案F2的網(wǎng)格模型及砧具布置圖。

(a)方案F1

(b)方案F2

3兩種工藝方案內(nèi)部變形應(yīng)力對(duì)比

針對(duì)這兩種成形方案的主鍛造方向?yàn)閺较蚣碮軸方向，選取坯料端面X和Y軸的近表面部分與心部進(jìn)行內(nèi)部變形應(yīng)力的對(duì)比分析，從數(shù)值模擬結(jié)果中顯出坯料成形后的應(yīng)力分布，如圖2和表2所示。

方案F1：X軸應(yīng)力分布　　方案F2：X軸應(yīng)力分布　方案F1：Y軸應(yīng)力分布　方案F2：Y軸應(yīng)力分布

方案F1：X軸應(yīng)力分布　　方案F2：X軸應(yīng)力分布　　方案F1：Y軸應(yīng)力分布　方案F2：Y軸應(yīng)力分布

方案F1：X軸應(yīng)力分布　　方案F2：X軸應(yīng)力分布　　方案F1：Y軸應(yīng)力分布　方案F2：Y軸應(yīng)力分布

壓下率15%20%25%特征位置應(yīng)力值X軸應(yīng)力/MPaY軸應(yīng)力/MPaX軸應(yīng)力/MPaY軸應(yīng)力/MPaX軸應(yīng)力/MPaY軸應(yīng)力/MPa近表面心部近表面心部近表面心部近表面心部近表面心部近表面心部方案F1方案F22.02.611.92.6-8.0-10.0-22.5-23.54.05.212.58.4-10.2-13.9-23.1-18.45.56.513.08.5-15.5-16.5-23.1-20.0

由圖2和表2可以看出，就坯料端面X軸應(yīng)力分布來(lái)說(shuō)，兩種方案的近表面和心部均受到拉應(yīng)力的影響，且拉應(yīng)力隨著壓下率的增大而增大。方案F2近表面拉應(yīng)力均略大于方案F1，但心部拉應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于方案F1。對(duì)于主鍛造方向的Y軸應(yīng)力分布來(lái)說(shuō)，這兩種方案的端面近表面和心部均受到壓應(yīng)力作用，且壓應(yīng)力隨壓下率的增大而增大。方案F2的近表面壓應(yīng)力普遍大于方案F1，而心部壓應(yīng)力與方案F1相當(dāng)，也就是說(shuō)這兩者的壓實(shí)效果相當(dāng)。

(a)15%壓下率　　　　　　　　(b)20%壓下率　　　　　　　　(c)25%壓下率

拉應(yīng)力往往是引起坯料近表面開(kāi)裂的主要因素，拉應(yīng)力越大，表面開(kāi)裂就越嚴(yán)重。而壓應(yīng)力的存在不僅能夠壓實(shí)坯料內(nèi)部缺陷，也是避免近表面開(kāi)裂的有利條件。由于坯料成形過(guò)程中是由拉應(yīng)力和壓應(yīng)力共同作用的， 而方案F2的同一部位的壓應(yīng)力與拉應(yīng)力絕對(duì)值差都遠(yuǎn)大于方案F1，故方案F2不僅能夠得到更好的鍛坯表面質(zhì)量，也能夠?qū)崿F(xiàn)鍛合內(nèi)部缺陷[2]，得到較好的心部應(yīng)力狀態(tài)及中心變形程度。這是因?yàn)榉桨窮1采用上下平砧徑向下壓時(shí)，由于接觸面上有摩擦力存在，心部金屬變形時(shí)要產(chǎn)生向外的擴(kuò)張力，而外層的近表面金屬則象套筒一樣把心部金屬套住而限制了心部金屬向外擴(kuò)張變形。由于近表面金屬與心部金屬的相互作用，近表面金屬便產(chǎn)生了較強(qiáng)的環(huán)向附加拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大到一定程度后，將會(huì)導(dǎo)致坯料金屬近表面在環(huán)向產(chǎn)生開(kāi)裂裂紋[3]。方案F2采用上下V型砧徑向下壓，由于砧具的凹形輪廓形狀，在壓下初期，坯料中部金屬未與V砧凹面貼合時(shí)，中部壓下系數(shù)比邊緣部分小，使坯料沿寬度上的變形分布不均勻。因此，在中部產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，而邊緣近表面部分產(chǎn)生附加壓應(yīng)力。繼續(xù)下壓使中部金屬與V砧凹面緊密貼合，中部金屬將在砧具的作用下，由拉應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變成壓應(yīng)力，且壓下率越大，壓應(yīng)力越大，金屬組織壓實(shí)越致密，但對(duì)設(shè)備噸位能力要求也越高，需謹(jǐn)慎選擇設(shè)備噸位。

4KD法設(shè)備噸位模擬

在鍛造過(guò)程中，設(shè)備噸位的選擇很重要。若設(shè)備噸位不足，則鍛件內(nèi)部未鍛透，內(nèi)部變形不充分，不僅達(dá)不到改善鍛件組織性能目的，而且生產(chǎn)效率低。反之，設(shè)備噸位過(guò)大，不僅浪費(fèi)動(dòng)力。而且由于大設(shè)備工作速度低，同樣影響生產(chǎn)效率。圖3為KD法不同壓下率的上V型砧所需施加壓力的模擬變化情況。

根據(jù)圖3模擬結(jié)果，選取上V型砧所需施加的最大壓力，如表3所示。由表3可知，壓下率越大，材料的抗變形能力越大，即外部設(shè)備所需施加的壓力越大。然而這些壓力值都是拔長(zhǎng)一趟的理論計(jì)算值，在外部因素更為復(fù)雜的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，需要的設(shè)備噸位往往超出理論計(jì)算值。故若采用KD法鍛制高Cr支承輥時(shí)，選取20%的下壓率較為符合我公司生產(chǎn)現(xiàn)狀。

表3　不同壓下率上V型砧最大壓力

5結(jié)論

對(duì)于105A級(jí)大型Cr5鍛鋼支承輥，采用傳統(tǒng)WHF法拔長(zhǎng)時(shí)，坯料金屬近表面容易在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生環(huán)向裂紋，輕者可吹氧挽救，重者則直接報(bào)廢。采用KD法拔長(zhǎng)時(shí)，在凹形輪廓綜合的壓應(yīng)力作用下，可提高鍛件表面質(zhì)量，鍛合內(nèi)部缺陷，得到較好的心部應(yīng)力狀態(tài)及中心變形程度，且20%左右的壓下率更為符合我公司生產(chǎn)現(xiàn)狀。

參考文獻(xiàn)

[1]傅前進(jìn)，孫福增，劉波.整段支承輥鍛造新工藝應(yīng)用研究.中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)鍛壓學(xué)會(huì)第六屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，1995.

[2]金寧.大鍛件空隙性缺陷的壓合與焊合規(guī)律的研究及高溫柵的研制[D].清華大學(xué)博士學(xué)位論文摘要匯編，1990.

[3]趙凱兵.減少支承輥鋼錠鍛造裂紋的措施.大型鑄鍛件，2014(1).

編輯李韋螢

Research on KD Method Forging Process

Simulation of High Cr Backup Roll

Gan Hongsheng, Zhao Xin, Li Yong

Abstract：For the surface cracking of high Cr backup roll forged by traditional WHF method, the simulation contrast and analysis of two different processes for 105A grade Cr5 forged steel backup roll has been performed by adopting the numerical simulation, which can provide the theoretical basis for the production of heavy high Cr backup roll forged by KD method from now on.

Key words：high Cr backup roll; WHF method; surface cracking; KD method

收稿日期：2015—06—08

中圖分類(lèi)號(hào)：O242

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A