20CrMnTi齒輪鋼棒材控軋控冷工藝的優(yōu)化

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，常州 213000)

0 引 言

20CrMnTi鋼具有晶粒長大傾向小、成本可控、生產(chǎn)工藝成熟等特點(diǎn)，是目前國內(nèi)使用最廣泛的齒輪鋼之一[1]，主要用來制造汽車、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械上的齒輪零件。在20CrMnTi齒輪鋼棒的生產(chǎn)過程中，鋼棒硬度的波動以及組織的不均勻性是生產(chǎn)廠家經(jīng)常遇到的問題,這些問題不利于齒輪鋼產(chǎn)品加工工藝的穩(wěn)定及成本的控制[2]。

目前，有關(guān)改善20CrMnTi齒輪鋼顯微組織均勻性及硬度穩(wěn)定性的研究主要集中在碳偏析、合金元素分布、軋后冷卻工藝等方面[3-5]，也有研究者從控軋控冷過程的軋制溫度、軋后冷卻速率、終冷溫度方面對20CrMnTi齒輪鋼組織與硬度進(jìn)行了相關(guān)研究[6-7]。但是有關(guān)控軋控冷過程中的應(yīng)變分布以及軋制過程與冷卻過程的一體化等報道較少，而將控軋控冷過程中的溫度與應(yīng)變相結(jié)合進(jìn)行模擬計算和分析的報道更少。作者對采用控軋控冷工藝生產(chǎn)的20CrMnTi齒輪鋼的組織與硬度進(jìn)行研究，采用Deform軟件對20CrMnTi齒輪鋼棒控軋控冷過程進(jìn)行有限元模擬，得到軋制及冷卻過程中鋼棒的溫度與等效應(yīng)變分布，并根據(jù)模擬結(jié)果提出降低組織和硬度不均勻性的優(yōu)化工藝，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為某廠生產(chǎn)的規(guī)格φ36 mm的20CrMnTi齒輪鋼棒，其控軋控冷工藝為：將精軋后的鋼材通過2個水箱進(jìn)行穿水冷卻，其中1#水箱位于KOCKS機(jī)組進(jìn)口前40 m處，2#水箱位于KOCKS機(jī)組進(jìn)口前30 m處；鋼材進(jìn)水箱前的溫度為960970 ℃，然后在KOCKS機(jī)組上進(jìn)行軋制，終軋溫度為880 ℃，再通過2個水箱進(jìn)行穿水冷卻，隨后進(jìn)入冷床區(qū)域進(jìn)行冷卻。

在軋制過程中，分別利用在線紅外測溫儀測鋼棒表面的溫度。在鋼棒徑向的近表面、1/2半徑和心部處取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Axio Imager A2m型光學(xué)顯微鏡觀察鋼棒不同位置的顯微組織。采用HBE-3000A型硬度計測鋼棒不同位置的硬度，載荷為7 500 N，保載時間為15 s，相同位置測3個點(diǎn)取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

由圖1可知：20CrMnTi鋼棒表面與1/2半徑處的顯微組織均為鐵素體與珠光體，心部組織為鐵素體、珠光體及大量貝氏體。

圖1 20CrMnTi鋼棒徑向不同位置的顯微組織Fig.1 Microstructures in different radial positions of 20CrMnTi steel bar: (a) surface, at low magnification; (b) 1/2 radius, at low magnification; (c) center, at low magnification; (d) surface, at high magnification; (e) 1/2 radius, at high magnification and (f) center, at high magnification

試驗(yàn)測得20CrMnTi鋼棒表面、1/2半徑處、心部的平均硬度分別為192，198,215 HBW。可知20CrMnTi鋼棒表面與1/2半徑處的硬度較接近，而心部硬度明顯高于其他部位的，這與鋼棒不同位置的顯微組織不同有關(guān)，貝氏體組織的硬度高于鐵素體與珠光體的。

3 控軋控冷工藝的優(yōu)化

3.1 有限元模型的建立

采用Pro/E三維造型軟件建立控軋控冷模型，導(dǎo)入到Deform-3D軟件前處理模塊中建立三維有限元軋制模型。在孔型擠壓機(jī)擠壓與摩擦的綜合作用下，軋件發(fā)生復(fù)雜的彈塑性變形，其變形程度及應(yīng)力分布受材料變形抗力曲線的直接影響，因此材料模型是反映軋件實(shí)際軋制狀態(tài)的關(guān)鍵。變形抗力是與變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變有關(guān)的函數(shù)。選用Deform材料庫中的AISI4120材料，設(shè)定軋件為塑性體，軋件直徑為36 mm，假設(shè)軋件進(jìn)水箱前的溫度均勻，為970 ℃。軋件模型的網(wǎng)格劃分及溫度分布云圖如圖2所示。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，1#水箱傳熱系數(shù)為1.0 W·m-2·K-1，2#水箱傳熱系數(shù)為0.6 W·m-2·K-1，空氣的傳熱系數(shù)為0.025 W·m-2·K-1，將KOCKS機(jī)組中的軋輥設(shè)置為剛性體。

圖2 軋件模型網(wǎng)格劃分及溫度分布云圖Fig.2 Element meshing and temperature contour forrolling bar model

圖3 模擬得到棒材在穿水與軋制過程中不同位置的溫度-時間曲線與試驗(yàn)得到不同時間時的表面溫度Fig.3 Simulated temperature vs time curves in different positions and tested surface temperatures at different times of bar during water box and rolling process

3.2 有限元模擬結(jié)果

由圖3可知，模擬得到的棒材在穿水與軋制過程中的表面溫度隨時間的變化曲線與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，說明模型較準(zhǔn)確。由模擬結(jié)果可得到棒材不同位置進(jìn)KOCKS機(jī)組時的溫度與出機(jī)組時的溫度，結(jié)果如表1所示。由表1可知，經(jīng)KOCKS機(jī)組軋制后，軋件表面、1/2半徑處、心部的溫度分別升高了28，23，16 ℃。

由圖4可以看出,棒材在冷床冷卻過程中，在630～670 ℃之間出現(xiàn)冷卻速率明顯降低的現(xiàn)象。由于相變?yōu)榉艧岱磻?yīng)，可知冷床上棒材的實(shí)際相變溫度約為650 ℃。由模擬結(jié)果計算在冷床冷卻過程中溫度下降至650 ℃，即冷卻至相變溫度過程中棒材不同部位的冷卻速率，結(jié)果如表2所示。由表2可知，棒材表面、1/2半徑處及心部的冷卻速率差別不大。這與文獻(xiàn)[6]中的研究結(jié)果一致。

表1 模擬得到棒材不同位置的進(jìn)KOCKS機(jī)組溫度和出KOCKS機(jī)組溫度

圖4 模擬得到冷床冷卻過程中棒材不同位置的溫度-時間曲線及試驗(yàn)得到不同時間時的表面溫度Fig.4 Simulated temperature vs time curves of different positions and tested surface temperatures at different times of bar during band cooling process

表2 模擬得到冷床冷卻過程中溫度下降至650 ℃時棒材不同部位的冷卻速率

由圖5可知，在軋制過程中，棒材的變形主要發(fā)生在其表面及1/2半徑處，且隨著距表面距離的增加，等效應(yīng)變減小。在整個軋制過程中，棒材心部的等效應(yīng)變始終最小。在控軋過程中，棒材在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，組織中出現(xiàn)位錯和晶格畸變，使得過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變曲線向左上方向移動，從而實(shí)現(xiàn)棒材組織的改善[8]。

由圖6可知，在整個軋制過程中，棒材心部的溫度最高，1/2半徑處和表面的溫度依次降低，且隨著軋制過程的進(jìn)行，心部溫度逐漸升高。結(jié)合等效應(yīng)變云圖可知，棒材表面的控軋效果最好，1/2半徑處的次之，心部的最差。軋制過程中棒材表面與心部溫度及應(yīng)變的差異是導(dǎo)致心部貝氏體組織難以消除的重要原因，因此可通過降低終軋溫度，使棒材心部溫度降低，同時使得變形向心部滲透，增加心部應(yīng)變量以增加心部的位錯與晶格畸變，從而達(dá)到消除心部貝氏體組織的目的。

圖5 模擬得到不同道次軋制時棒材的等效應(yīng)變云圖Fig.5 Equivalent strain contours of bar during rolling for different passes: (a) 1st pass; (b) 2nd pass; (c) 3rd pass and(d) 4th pass

圖6 模擬得到不同道次軋制時棒材的溫度云圖Fig.6 Temperature contours of bar during rolling for different passes: (a) 1st pass; (b) 2nd pass; (c) 3rd pass and (d) 4th pass

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，在生產(chǎn)現(xiàn)場將終軋溫度設(shè)置為840 ℃，對20CrMnTi齒輪鋼棒材進(jìn)行控軋控冷，生產(chǎn)結(jié)束后對棒材的組織和硬度進(jìn)行觀察與測試。由圖7可知，在終軋溫度840 ℃下控軋控冷后，棒材不同部位的組織均由鐵素體與珠光體組成，組織不均勻性得到明顯改善。棒材表面、1/2半徑處與心部的平均硬度分別為182,188,190 HBW，硬度分布變得均勻。

4 結(jié) 論

(1) 采用實(shí)際控軋控冷工藝，20CrMnTi齒輪鋼棒表面與1/2半徑處的顯微組織均為鐵素體與珠光體，心部組織為鐵素體、珠光體及大量貝氏體，心部硬度明顯高于其他部位的。

圖7 采用優(yōu)化工藝控軋控冷后20CrMnTi齒輪鋼棒材不同部位的顯微組織Fig.7 Microstructures of different locations in 20CrMnTi gear steel bar after controlled rolling and cooling with optimized process: (a) surface, at low magnification; (b) 1/2 radius, at low magnification; (c) center, at low magnification; (d) surface, at high magnification; (e) 1/2 radius, at high magnification and (f) center, at high magnification

(2) 模擬得到20CrMnTi齒輪鋼棒材在控軋控冷過程中的變形主要發(fā)生在其表面及1/2半徑處，且隨著距表面距離的增加，等效應(yīng)變減小;棒材心部的溫度最高，1/2半徑處和表面的溫度依次降低，且隨著軋制過程的進(jìn)行，心部溫度逐漸升高；棒材表面的控軋效果最好，1/2半徑處的次之，心部的最差。

(3) 將終軋溫度由原來的880 ℃降低至840 ℃控軋控冷后，20CrMnTi齒輪鋼棒材不同部位的組織均由鐵素體與珠光體組成，表面、1/2半徑處與心部的平均硬度分別為182,188,190 HBW，降低終軋溫度有效改善了硬度和組織的不均勻性。