8Cr5MoV冷軋工作輥淬火過程中的組織演變模擬

0 引言

大型軋輥淬火試驗(yàn)費(fèi)用較高，相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對于不同規(guī)格的軋輥淬火需要不同的設(shè)備和工藝。通過有限元模擬的方法可以實(shí)時在線反映工件組織狀態(tài)，并在一定程度上節(jié)省費(fèi)用

。陳學(xué)文等

通過DEFORM軟件對支承輥淬火過程進(jìn)行數(shù)值模擬，鍛件質(zhì)量為159 100 kg，材料為45Cr4NiMoV鋼，輥面直徑

1 980 mm、長度8 790 mm，對其淬火工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出最優(yōu)方案為在920℃淬火，淬火介質(zhì)溫度為60℃，噴霧淬火7 h。王葛等

對Cr8鋼軋輥差溫加熱和噴霧淬火過程進(jìn)行數(shù)值模擬，并分析了輥身內(nèi)部特征點(diǎn)的應(yīng)力、組織和溫度變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)采用間歇式噴霧淬火和低溫回火工藝可保證軋輥的硬化層深度，并降低心部的殘余應(yīng)力。為探索冷軋工作輥的最優(yōu)熱處理工藝，現(xiàn)通過熱模擬試驗(yàn)獲得高溫本構(gòu)關(guān)系，導(dǎo)入DEFORM-3D軟件中對冷軋工作輥進(jìn)行淬火工序的熱處理模擬，并對材料組織進(jìn)行分析。

近年，江蘇省加大防汛決策指揮信息化建設(shè)力度，逐步建成了以信息采集為基礎(chǔ)、通信系統(tǒng)為保障、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為依托、決策支持應(yīng)用系統(tǒng)為核心的防汛指揮系統(tǒng)。

1 冷軋工作輥有限元模型及熱模擬試驗(yàn)

研究對象為8Cr5MoV冷軋工作輥，其化學(xué)成分如表1所示，輥面直徑

174 mm、長度1 408 mm，由于工作輥為典型軸類鍛件，為縮短模擬時間、提高運(yùn)算效率，可取軸向和徑向截面的1/4三維模型進(jìn)行模擬，網(wǎng)格劃分選擇四面體網(wǎng)格，為了更直觀地研究冷軋工作輥在熱處理過程中的變化，在工作輥的中部截面上沿徑向選取

1、

2、

3、

4、

5、

6六個特征節(jié)點(diǎn)。其中，

1點(diǎn)為工作輥輥身表面節(jié)點(diǎn)；

2點(diǎn)距輥面12 mm；

3點(diǎn)距輥面25 mm；

4點(diǎn)距輥面42 mm；

5點(diǎn)距輥面67 mm；

6點(diǎn)為工作輥輥身心部中點(diǎn)，距輥面87 mm，有限元模型如圖1所示。

為了更精確地開展模擬分析，通過Gleeble-3500熱力模擬試驗(yàn)機(jī)獲取8Cr5MoV鋼的熱變形行為，計(jì)算掌握其高溫本構(gòu)關(guān)系，為淬火模擬提供精確的參數(shù)和數(shù)據(jù)支持。試驗(yàn)設(shè)備和制備的壓縮試樣如圖2、圖3所示，為減小摩擦帶來的試驗(yàn)誤差，將模擬機(jī)內(nèi)壓縮裝置與試樣兩端面接觸部位墊上石墨片進(jìn)行潤滑。壓縮試驗(yàn)參數(shù)選擇：變形溫度為850、950、1 050、1 150 ℃，應(yīng)變速率為 0.005、0.05、0.5、5 s

，最大變形量為60%。將試驗(yàn)儀器以10℃/s的速度加熱，使?fàn)t溫達(dá)到試驗(yàn)所需變形溫度，然后保持爐內(nèi)溫度3 min，最后根據(jù)初始設(shè)定的應(yīng)變速率對試樣進(jìn)行勻速壓縮變形

。將處理過的數(shù)據(jù)及本構(gòu)方程導(dǎo)入DEFORM-3D材料庫后，使得后續(xù)有限元模擬更為準(zhǔn)確可靠。

2 邊界條件及基本假設(shè)

選用熱處理導(dǎo)向模塊對工作輥鍛件進(jìn)行淬火熱處理模擬，對模型的軸向和徑向截面設(shè)置對稱面。將坯料材料定義為理想剛塑性材料，初始溫度設(shè)置為室溫。對坯料進(jìn)行網(wǎng)格劃分，初始網(wǎng)格為20 000個，添加加熱及淬火過程并選擇接觸面，設(shè)置溫度變化步長5℃/步。為便于進(jìn)行數(shù)值模擬，做出如下基本假設(shè)：淬火處理前的工作輥輥面光滑無缺陷、組織均勻且設(shè)置整體組織為珠光體；熱處理車間恒溫20℃，不考慮自然風(fēng)存在；不考慮軋輥轉(zhuǎn)移所花費(fèi)時間和轉(zhuǎn)移過程中溫度損耗；實(shí)際生產(chǎn)中輥頸處需增加隔熱處理，而試驗(yàn)主要探究輥面熱處理影響，故不考慮輥頸處熱處理變化。

3 冷軋工作輥淬火熱處理工藝

結(jié)合《刑事訴訟法》第八十條的規(guī)定，公安機(jī)關(guān)對于現(xiàn)行犯或者重大嫌疑分子，如果被害人或者在場親眼看見的人指認(rèn)犯罪的，可以先行拘留；《公安機(jī)關(guān)適用繼續(xù)盤問規(guī)定》第八條規(guī)定被害人、證人控告或者指認(rèn)其有犯罪行為的可以適用繼續(xù)盤問；結(jié)合二者規(guī)定相比之下，這兩種情形極為相似。對于刑事訴訟法所規(guī)定的情形是指既可以先行拘留也可以適用繼續(xù)盤問，并非不得適用繼續(xù)盤問；而對于繼續(xù)盤問規(guī)定所規(guī)定的情形，是指對于被害人、證人控告或者指認(rèn)的相對人，人民警察當(dāng)場盤問、檢查后，符合適用規(guī)定的可以對其適用繼續(xù)盤問。

工作輥表層至心部存在明顯的溫度梯度差異，這種現(xiàn)象有利于后續(xù)淬火處理后獲得不同性能的組織。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，Cr5鋼的奧氏體化溫度為809℃，說明此時表層溫度滿足奧氏體化轉(zhuǎn)變的溫度條件，而心部溫度低于相變點(diǎn)溫度，為后續(xù)淬火奠定了良好溫度基礎(chǔ)。

在智慧城市的建設(shè)發(fā)展過程中起到?jīng)Q定性作用的始終是人。首先，智慧城市的建設(shè)離不開先進(jìn)的現(xiàn)代信息技術(shù)，離不開掌握先進(jìn)技術(shù)的人才。揚(yáng)中市是江蘇省一個較小的縣級城市，就業(yè)機(jī)會少，對于科技領(lǐng)域人才的吸引力較小，且城市內(nèi)沒有高校輸送人才，導(dǎo)致高端人才引進(jìn)難且易流失。其次，智慧城市建設(shè)進(jìn)程中統(tǒng)籌規(guī)劃、頂層設(shè)計(jì)以及各領(lǐng)域之間的協(xié)同溝通都至關(guān)重要，但是揚(yáng)中市目前更注重科技人才的引進(jìn)而相對忽視頂層設(shè)計(jì)人才。

（4）噴霧淬火階段：利用噴霧方式對工作輥進(jìn)行淬火，使工作輥表面快速降溫完成馬氏體轉(zhuǎn)變，得到一定厚度的淬硬層，而心部沒有相變發(fā)生，保留韌性較好的珠光體組織

。

（3）奧氏體化階段：為了使工作輥表面得到一定厚度的淬硬層，需使表層組織完全奧氏體化，故需要探索研究工作輥在奧氏體化溫度下的保溫時間。

（2）差溫加熱階段以較快速度升溫至奧氏體化溫度

以上，實(shí)現(xiàn)對工作輥的差溫加熱效果，此時工作輥表面溫度達(dá)到較高溫度而心部溫度仍低于奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)

及多次模擬試驗(yàn)調(diào)整，將工作輥的淬火工藝分為預(yù)熱階段、差溫加熱階段、奧氏體化階段和噴霧淬火階段。

4 工作輥淬火過程數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果分析

4.1 溫度場分析

對工作輥輥身進(jìn)行噴霧淬火，是為了使表層溫度迅速下降，形成硬度高、耐磨性好的馬氏體組織；而心部溫度下降相對緩慢以便于保留韌性較好的珠光體組織。圖5所示為工作輥淬火結(jié)束后溫度分布云圖，從圖5可以看出，淬火結(jié)束后工作輥表層的溫度為32℃，而輥身的心部溫度為240℃，溫度從輥面至心部逐漸升高，相差208℃。說明淬火過程中工作輥表層溫度迅速下降，而內(nèi)部溫度下降速度較為緩慢。這是因?yàn)楣ぷ鬏伇韺訁^(qū)域與噴霧接觸后向外快速傳遞熱量，溫度迅速下降，而工作輥內(nèi)部主要依靠與表層之間的熱傳遞，溫度下降緩慢，且隨著深度的增加，溫度下降速度也在逐漸減緩。

（1）預(yù)熱階段目的在于使直徑較大的工作輥能緩慢地實(shí)現(xiàn)溫度均勻，減小由于加熱造成輥面至心部溫度的差異，降低加熱階段產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

圖4所示為工作輥加熱結(jié)束后的溫度分布云圖，從圖4可以看出，差溫加熱并保溫15 min后，工作輥表層溫度以較快的速度升高到910℃左右，而輥身心部溫度上升相對較慢，最終達(dá)到730℃左右。

4.2 組織分析

圖6所示為工作輥噴霧淬火過程中

1～

6特征節(jié)點(diǎn)的馬氏體組織變化曲線。由圖6可以看出，特征節(jié)點(diǎn)

1～

4處生成了馬氏體組織且隨著距離表層深度的增加，馬氏體含量有所改變，而特征節(jié)點(diǎn)

5、

6處，因?yàn)榧訜峤Y(jié)束后溫度未達(dá)到奧氏體化要求，淬火結(jié)束后沒有出現(xiàn)馬氏體組織。根據(jù)

1、

2曲線可以看出，輥面及近表層區(qū)域淬火150 s后完成馬氏體轉(zhuǎn)變，輥面

1點(diǎn)處馬氏體體積分?jǐn)?shù)高達(dá)99%，近表層

2點(diǎn)處的馬氏體體積分?jǐn)?shù)也達(dá)到97%，說明工作輥淬火后表層組織滿足馬氏體含量超過95%的生產(chǎn)指標(biāo)；根據(jù)

3、

4曲線可以看出，位于工作輥輥身不同深度的位置區(qū)域，受溫度和冷卻速度影響，經(jīng)過一段時間后相繼開始馬氏體轉(zhuǎn)變且轉(zhuǎn)變含量隨深度的加深急劇減少；根據(jù)

5、

6曲線可以看出，淬火過程中工作輥心部始終沒有馬氏體組織轉(zhuǎn)變發(fā)生。

工作輥表層要獲得優(yōu)良的力學(xué)性能（如高硬度、高抗磨損能力和沖擊韌性），則要求淬火處理后工作輥表層能夠獲得大量強(qiáng)度、硬度較高的馬氏體組織且具有足夠厚度的淬硬層，心部組織保持韌性較好的珠光體。

圖7所示為淬火結(jié)束后沿截面上的組織分布圖，由圖7可知，淬火結(jié)束后工作輥表層區(qū)域?yàn)轳R氏體組織且含量很高；距離輥身表層25 mm處，馬氏體組織含量依舊超過50%，符合工作輥淬硬層不低于20 mm的生產(chǎn)要求；距離輥身表層40 mm以后區(qū)域基本為珠光體組織，這是由于心部區(qū)域加熱結(jié)束后溫度無法達(dá)到奧氏體化轉(zhuǎn)變溫度，因此不會發(fā)生馬氏體組織轉(zhuǎn)變并保留了韌性較好的珠光體組織。

會上，來自全國的100多名種植大戶和企業(yè)代表與蚯蚓測土實(shí)驗(yàn)室簽約。蚯蚓測土實(shí)驗(yàn)室將為“茄子大王”北京瑞豐聚源商貿(mào)有限公司、“西紅柿大王”北京黑墾江輝商貿(mào)有限公司、“白菜大王”北京永志綠葉商貿(mào)有限公司等8家重量級企業(yè)提供全程的營養(yǎng)解決方案。來自西北、華中、兩廣、西南等十幾個地區(qū)的108名種植大戶也與蚯蚓測土實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場同步簽約。蚯蚓測土實(shí)驗(yàn)室將以世界先進(jìn)技術(shù)，指導(dǎo)大家有針對地施肥，降低生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)真正意義上的精準(zhǔn)施肥。

根據(jù)“左側(cè)變藍(lán)色,一段時間后藍(lán)色逐漸變淺”可判斷,左側(cè)鉑電極是陽極,右側(cè)電極為陰極。電解過程中陽極上先生成I2,當(dāng)陰極上OH-遷移到左側(cè)溶液中時,I2分子再跟OH-反應(yīng)生成IO-3。要注意,由于中間是陰離子交換膜,且右側(cè)溶液中生成大量OH-,所以電解過程中有大量的OH-由右側(cè)定向遷移到左側(cè),也必定會有少量IO-3會從左側(cè)遷移到右側(cè)溶液中(因?yàn)樽髠?cè)溶液中IO-3濃度大)。很明顯,若是用陽離子交換膜代替陰離子交換膜,右側(cè)溶液中OH-就不會大量向

經(jīng)淬火處理后的組織分布決定了工作輥的使用性能，根據(jù)上述分析可知，工作輥淬火處理后表層馬氏體組織含量為99%，淬硬層深度在25 mm左右。滿足工作輥表層馬氏體含量超過95%，淬硬層深度不低于20 mm的生產(chǎn)要求；與此同時，心部區(qū)域的珠光體組織為工作輥心部所需要的塑性和韌性提供了良好保障，因此工作輥經(jīng)過淬火處理后組織分布滿足生產(chǎn)要求。

5 結(jié)束語

針對8Cr5MoV的冷軋工作輥，為獲得其表面硬度高、心部韌性好的綜合性能要求，通過熱模擬試驗(yàn)掌握材料的高溫力學(xué)行為，采用有限元模擬的方法輔助設(shè)計(jì)優(yōu)化熱處理工藝。最終確定冷軋工作輥熱處理工藝為：初始溫度500℃保溫1 h，然后加熱至930℃保溫15 min，最后進(jìn)行5 min的噴霧+空冷淬火處理，工作輥淬火處理后表層馬氏體組織含量為99%，淬硬層深度在25 mm左右，工作輥心部區(qū)域保留了韌性較好的珠光體組織。

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