定寬壓力機(jī)曲軸熱處理工藝研究

李伯林

(寶鋼股份公司熱軋廠，上海 200941)

定寬壓力機(jī)曲軸熱處理工藝研究

李伯林

(寶鋼股份公司熱軋廠，上海 200941)

曲軸是定寬壓力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，熱處理工藝直接對(duì)曲軸最終力學(xué)性能與服役周期有重要影響。本文以某廠的定寬壓力機(jī)曲軸為研究對(duì)象，制定了曲軸的熱處理工藝路線，提出了水-空間隙冷卻策略。應(yīng)用數(shù)值模擬軟件Deform建立其有限元模型，分析了冷卻過(guò)程中曲軸的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)。采用該工藝可防止冷卻速度過(guò)快引起的鍛件表面裂紋，得到表面為馬氏體、心部為貝氏體的組織，為回火做好組織準(zhǔn)備，能夠滿足鍛件的組織性能要求。

定寬壓力機(jī)；曲軸；熱處理工藝；溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)

0 前言

定寬壓力機(jī)自誕生以來(lái)，由于其側(cè)壓量大，狗骨、魚(yú)尾缺陷少等優(yōu)點(diǎn)而不斷地被應(yīng)用于熱軋產(chǎn)線上。隨著定寬壓力機(jī)的不斷應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外的廣大學(xué)者對(duì)其展開(kāi)了深入廣泛的研究，主要研究?jī)?nèi)容包括以下三個(gè)方面：產(chǎn)品形狀控制能力的研究，砧板形狀及材質(zhì)的研究，結(jié)構(gòu)形式及運(yùn)動(dòng)學(xué)研究等。

在產(chǎn)品形狀控制能力方面，Muller等人[1]采用有限元法對(duì)側(cè)壓過(guò)程中板坯變形行為進(jìn)行了研究。焦四海等人[2]采用ABAQUS軟件分析了板坯在調(diào)寬壓力機(jī)調(diào)寬過(guò)程中的基本變形特征。楊雄等人[3]結(jié)合某熱軋廠板坯在調(diào)寬過(guò)程中出現(xiàn)不對(duì)稱板形的問(wèn)題進(jìn)行了分析。在砧板形狀及材質(zhì)方面，Ishikawa等人[4]發(fā)明了一種定寬壓力機(jī)，包括砧板更換裝置，兩個(gè)斜面組成的砧板形狀、以及砧板位置確定裝置等。Ko等人[5]研究了通過(guò)改變砧板形狀減少熱軋帶鋼缺陷的措施。江光彪等人[6]對(duì)定寬壓力機(jī)側(cè)壓砧板的堆焊材料及堆焊工藝進(jìn)行了研究。在結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析方面，劉松等人[7]對(duì)國(guó)內(nèi)某廠1 880 mm熱軋產(chǎn)線定寬壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了分析。張齊兵[8]對(duì)國(guó)內(nèi)某廠從日本IHI公司引進(jìn)的定寬壓力機(jī)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。馮憲章等人[9]對(duì)國(guó)內(nèi)某廠1580 mm熱軋產(chǎn)線的定寬壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行了仿真。

總體而言，上述研究為定寬壓力機(jī)的設(shè)備維護(hù)、工藝參數(shù)優(yōu)化、產(chǎn)品性能和質(zhì)量提高提供了豐富的參考資料，但在定寬壓力機(jī)制造工藝方面的研究資料非常少見(jiàn)。目前，全世界僅日本MH、IHI與德國(guó)SMS三家公司能夠提供定寬壓力機(jī)成套裝備，造價(jià)十分昂貴。為打破國(guó)外壟斷，需要自主研究定寬壓力機(jī)關(guān)鍵部件的制造工藝。曲軸是定寬壓力機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在工作過(guò)程中需要承受反復(fù)的沖擊，對(duì)其制造質(zhì)量要求很高。曲軸的生產(chǎn)工藝主要包括鍛造與熱處理兩部分，本文將對(duì)曲軸鍛造后的熱處理工藝進(jìn)行研究，為曲軸熱處理工藝的確定和優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 熱處理工藝分析

曲軸的結(jié)構(gòu)如圖1所示，材質(zhì)為30Cr2Ni2Mo合金結(jié)構(gòu)鋼。曲軸最大直徑為Ф1060 mm，最小直徑為Ф598 mm，總長(zhǎng)為4 639 mm。由于曲軸的尺寸較大，熱處理工藝不僅要考慮工件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，而且還得考慮熱處理設(shè)備的處理能力，而淬火工序作為調(diào)質(zhì)處理中最重要的工序，將最終決定鍛件的組織性能。理論研究表明如果冷卻后獲得馬氏體組織，再經(jīng)低溫回火后具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但塑性韌性較低。馬氏體經(jīng)高溫回火后，則可得到均勻的回火索氏體組織，其強(qiáng)度、塑性和韌性能夠得到最好的配合，即獲得較高的綜合力學(xué)性能。

圖1 曲軸結(jié)構(gòu)圖

曲軸的熱處理包括鍛后熱處理(預(yù)備熱處理)和最終熱處理。鍛后熱處理的主要目的是消除鍛造應(yīng)力，降低鍛件的表面硬度，提高其切削加工性能(170HB-230HB之間利于切削)，同時(shí)調(diào)整和改善大型鍛件在鍛造過(guò)程中所形成的過(guò)熱和粗大組織，降低大型鍛件內(nèi)部化學(xué)成分和金相組織的不均勻性，細(xì)化奧氏體晶粒；最終熱處理是決定鍛件最終使用性能的熱處理工序，因此最終熱處理對(duì)大型鍛件異常重要，是保證鍛件使用性能的關(guān)鍵，同時(shí)大型鍛件一般均要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以消除鍛件內(nèi)部的殘余應(yīng)力，改善鍛件的力學(xué)性能，滿足使用要求。

通過(guò)查詢文獻(xiàn)[10-11]得知30Cr2Ni2Mo合金結(jié)構(gòu)鋼的奧氏體化溫度為850℃，A1轉(zhuǎn)變線溫度為720℃，As轉(zhuǎn)變線溫度為760℃，馬氏體轉(zhuǎn)變溫度為295℃左右，過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為珠光體、貝氏體和馬氏體，馬氏體轉(zhuǎn)變只在一定的冷卻速度下才能發(fā)生，而曲軸冷卻的目的就是為了得到表面為馬氏體，心部為貝氏體的組織，然后再經(jīng)回火處理后，能最大程度提高鍛件的強(qiáng)度、塑性和韌性。

大鍛件的冷卻方式[12-14]主要有以下幾種：水冷(包括噴水冷卻)，油冷，空冷(自然空冷和鼓風(fēng)冷)，間隙冷卻(水-空，水-油，油-空)及噴霧冷卻。淬火介質(zhì)有水、油和空氣。為了使曲軸表面得到馬氏體，因此需要較大的冷卻速度，因此需要采用水冷。但由于曲軸直徑較大，單純水冷會(huì)引起較大的熱應(yīng)力，容易使鍛件表面產(chǎn)生裂紋，為解決這一問(wèn)題，最好的方法就是采用水-空間隙冷卻的方法以控制截面的溫差大小。制定曲軸熱處理的加熱與冷卻工藝如圖2所示。

圖2 階梯加熱工藝

2 熱處理過(guò)程模擬

熱處理過(guò)程模擬所需參數(shù)包括：各個(gè)相(奧氏體、馬氏體、珠光體、貝氏體)的熱物理性參數(shù)，相轉(zhuǎn)變模型參數(shù)等，經(jīng)查詢相關(guān)文獻(xiàn)和資料后可以一一確定。在Solidworks軟件中進(jìn)行曲軸建模后，導(dǎo)入Deform軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后的模型如圖3所示，單元與節(jié)點(diǎn)數(shù)量如表1所示。

圖3 網(wǎng)格劃分

模型單元數(shù)量/個(gè)單元形式節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)/個(gè)坯料35000四面體22215

換熱系數(shù)是淬火模擬中最重要的參數(shù)，直接影響相變的成分和組織狀態(tài)，換熱系數(shù)的影響因素有很多，如各種冷卻介質(zhì)(空冷、水冷、油冷等)的性質(zhì)和流動(dòng)速度，工件的材質(zhì)和形狀等。由于采用水-空間隙冷卻的方法，因此通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)確定水冷和空冷的換熱系數(shù)[14]如圖4所示，從圖中可以看出水冷與空冷的換熱系數(shù)相差比較大，當(dāng)工件長(zhǎng)時(shí)間水冷時(shí)，往往會(huì)造成工件內(nèi)部的熱應(yīng)力過(guò)大，而出現(xiàn)裂紋甚至直接導(dǎo)致鍛件報(bào)廢，因此采取水冷-空冷間隙冷卻的方法，可以減小鍛件內(nèi)部熱應(yīng)力，保證鍛件的正常熱處理。

圖4 換熱系數(shù)與溫度的關(guān)系曲線

由于模擬的是淬火過(guò)程，假設(shè)鍛件各部位加熱均勻，即初始溫度選取完全奧氏體化溫度850℃，并認(rèn)為工件完全奧氏體化，即奧氏體百分比為1。由于曲軸鍛件的體積和重量比較大，選擇把曲軸放置到料盤中進(jìn)行水冷，空冷時(shí)直接吊起料盤即可，因此在模擬時(shí)，必須對(duì)曲軸的一個(gè)表面進(jìn)行位移約束(為簡(jiǎn)化模型，選取曲軸直徑最大的表面)，如圖5所示。

圖5 位移約束

通過(guò)熱處理模擬可以得到整個(gè)過(guò)程的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等參數(shù)，可以預(yù)測(cè)鍛件的溫度變化和組織的轉(zhuǎn)變情況，分析淬火過(guò)程中應(yīng)力的變化情況。溫度模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

從圖6可以看出，水冷500 s后鍛件表面降到150℃左右，再經(jīng)200 s空冷后，鍛件表面溫度回升到300℃左右，最終鍛件表面降溫到89℃，而鍛件心部的溫度變化不明顯，為了便于對(duì)比，從曲軸最大截面取五個(gè)測(cè)量點(diǎn)，如圖7所示，從曲軸表面到心部各個(gè)點(diǎn)等間距分布，提取溫度變化情況，結(jié)果如圖8所示。

圖7 提取點(diǎn)分布

圖8 特征點(diǎn)溫度變化

從圖8可以看出，中間兩次的空冷過(guò)程，坯料表面溫度均有回升，起到了減小坯料表面與心部的溫差的作用，可以防止熱應(yīng)力過(guò)大，引起鍛件表面產(chǎn)生裂紋。

模擬結(jié)束后組織場(chǎng)模擬結(jié)果如圖9所示。由圖可知，鍛件淬火結(jié)束后，表面得到了馬氏體，中間為貝氏體，由于心部溫度較高，冷卻速度慢，還有部分奧氏體沒(méi)有發(fā)生轉(zhuǎn)變，淬火結(jié)束后可以通過(guò)回火得到回火索氏體，提高鍛件的強(qiáng)度。

圖9 組織場(chǎng)模擬結(jié)果

水冷500 s與模擬結(jié)束后的軸向應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，當(dāng)水冷時(shí)，由于表面冷卻速度快，心部冷卻速度慢，表面受拉應(yīng)力，心部受壓應(yīng)力，但鋼在高溫下具有很高的塑性，所以這種溫差引起的瞬時(shí)應(yīng)力將由于工件內(nèi)外的塑性變形、回復(fù)與再結(jié)晶等方式松弛掉。而當(dāng)冷卻過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，表面將產(chǎn)生硬殼，并對(duì)心部的收縮產(chǎn)生阻礙作用，工件中的內(nèi)應(yīng)力將發(fā)生反轉(zhuǎn)，即由心部受壓表面受拉變?yōu)樾牟渴芾砻媸軌旱臓顟B(tài)。這種應(yīng)力隨著冷卻的繼續(xù)進(jìn)行不斷增大，并一直殘留到常溫，這就是殘余熱應(yīng)力，從模擬結(jié)果來(lái)看，心部的軸向拉應(yīng)力在25 MPa左右，表面軸向拉應(yīng)力在48 MPa左右，均在合理的范圍內(nèi)。

圖10 應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果

3 結(jié)論

(1) 曲軸進(jìn)行淬火時(shí)，應(yīng)采用水-空間隙冷卻的方法，防止過(guò)快的冷卻速度，造成鍛件表面出現(xiàn)裂紋。

(2)中間兩次空冷過(guò)程坯料表面溫度均有回升，起到了減小坯料表面與心部的溫差的作用，可以防止熱應(yīng)力過(guò)大，引起鍛件表面產(chǎn)生裂紋。

(3) 采用水-空間隙冷卻的方法能得到表面為馬氏體，心部為貝氏體的組織，為回火做好組織準(zhǔn)備，能夠滿足鍛件的組織性能要求。

(4) 熱處理過(guò)程中，曲軸心部的軸向拉應(yīng)力在25 MPa左右，表面軸向拉應(yīng)力在48 MPa左右，均在合理的范圍內(nèi)。

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Research on heat treatment technology of crankshaft for slab sizing press

LI Bo-lin

(Baosteel Hot Rolling Department, Shanghai 200941, China)

Crankshaft is an important part of slab sizing press, and the heat treatment technology has important influence on the mechanical property and service cycle of crankshaft. This paper takes the crankshaft of slab sizing press as the research object, making the heat treatment technology process for crankshaft. A water-air gap cooling strategy is put forward. The finite element model was established using the numerical simulation software Deform, and the temperature, microstructure and stress filed during the cooling course was analyzed. The heat treatment technology process can avoid the surface crack phenomenon induced by the too fast cooling rate. Finally, a microstructure filed consists of martensite at the surface and bainite in the core can be obtained, which provides a basic condition for tempering and can meet the final requirement of mechanical properties.

slab sizing press; crankshaft; heat treatment technology; temperature field; stress field

2016-12-02；

2016-12-31

河北省自然科學(xué)基金(E2016203482)。

李伯林(1980-)，男，寶鋼股份公司熱軋廠工程師，從事熱軋裝備研究與管理工作。

TG305

A

1001-196X(2017)02-0041-05