15CrNiMn鋼方框偏析的改善對(duì)軋材力學(xué)性能的影響

史文輝，高素臻，楊 勇，冶廷全，馬恒春，梅國(guó)俊，錢才讓

(1.西寧特殊鋼股份有限公司，青海 西寧 810005；2.青海西鋼特殊鋼科技開(kāi)發(fā)有限公司， 青海 西寧 810005)

近年來(lái)我國(guó)礦山、鉆探事業(yè)發(fā)展迅速，對(duì)鉆頭用材料的要求也越來(lái)越高。釬(鉆)具用鋼要求具備氣體含量低、純凈度高、成分均勻、晶粒細(xì)小，沖擊疲勞性能優(yōu)良、使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

15CrNiMn鋼作為一種釬具用鋼，屬于表面硬化鋼，用于生產(chǎn)牙輪鉆頭，是牙輪鉆機(jī)直接破碎巖石的工具。牙輪鉆頭材料性能的好壞，直接影響著鉆機(jī)的生產(chǎn)率和鉆孔成本。連鑄坯方框偏析的變化對(duì)軋材性能具有一定的影響[1]，在軋制過(guò)程中，軋件內(nèi)部的應(yīng)變、應(yīng)變速率及溫度等各場(chǎng)變量的變化情況不僅能夠影響產(chǎn)品的最終尺寸，而且能夠?qū)е萝埣鞑课坏淖冃纬潭?，進(jìn)而決定產(chǎn)品的性能[2]。因此，本文通過(guò)借助有限元仿真技術(shù)，結(jié)合某鋼廠連鑄坯生產(chǎn)特點(diǎn)，對(duì)15CrNiMn鋼410 mm×530 mm連鑄大方坯粗軋(中間坯尺寸為290 mm×300 mm)過(guò)程中進(jìn)行質(zhì)點(diǎn)追蹤，研究開(kāi)坯過(guò)程中軋件內(nèi)部約280 mm×170 mm方框偏析的變化及改善，進(jìn)而在實(shí)物上驗(yàn)證方框偏析的改善對(duì)15CrNiMn鋼力學(xué)性能的影響。

1 研究目的及模擬方案

為了改善方框偏析，對(duì)鋼材粗軋環(huán)節(jié)進(jìn)行等軸晶區(qū)歸方模擬。粗軋采用孔型系統(tǒng)為1 250連鑄坯輥孔型，連鑄坯尺寸為410 mm×530 mm，粗軋中間坯尺寸為290 mm×300 mm，實(shí)現(xiàn)中間坯方框偏析的改善，最終驗(yàn)證工業(yè)產(chǎn)材(Φ130 mm)后的力學(xué)性能，模擬粗軋孔型如表1所示。

2 有限元模型建立

2.1 基本假設(shè)

假設(shè)條件為：①軋件為變形體，材料的物理性能參數(shù)隨時(shí)間的變化而變化，包括比熱容、熱導(dǎo)系數(shù)、摩擦系數(shù)、熱膨脹系數(shù)、彈性模量；②軋件的材質(zhì)均勻，為各項(xiàng)同性；③軋輥定義為剛體，沒(méi)有變形；④材料遵循Von Mises屈服準(zhǔn)則[3]；⑤塑性變形區(qū)內(nèi)的行為服從流動(dòng)準(zhǔn)則和硬化定律；⑥軋件接觸摩擦過(guò)程中采用庫(kù)倫摩擦模型[4]。

2.2 軋制物理模型

(1)軋輥模型：粗軋9架機(jī)架均采用直徑為Ф1 250 mm的平輥，軋輥在軋制過(guò)程中屬于對(duì)稱軋制，取軋輥1/2建立幾何模型，并按平立交替布置以實(shí)現(xiàn)無(wú)扭軋制。

(2)軋件：軋件截面尺寸為410 mm×530 mm，角部圓角半徑為20 mm，取原始坯料的2 000 mm長(zhǎng)，由于軋制時(shí)的對(duì)稱性，取軋件1/4建立幾何模型[5]。

(3)后推板：尺寸為300 mm×300 mm，其作用為幫助咬入，在實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)軋制后及時(shí)脫離軋件。

本文采用三維造型軟件Solidworks建立粗軋9道次“箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型-箱型”孔型系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的幾何模型[6]，如圖1所示。具體做法：根據(jù)BD軋機(jī)用Ф1 250 mm軋輥實(shí)體在軟件中建立對(duì)應(yīng)的三維模型，最后以“stl”文件格式進(jìn)行幾何模型的輸出，此時(shí)的FEM文件格式就是Deform軟件中的求解器可以識(shí)別的文件格式。進(jìn)入Deform軟件用戶界面，點(diǎn)擊“mesh”選項(xiàng)，即可將幾何實(shí)體導(dǎo)入仿真軟件，完成兩種軟件的無(wú)縫對(duì)接。

表1 BD軋機(jī)軋制程序表

2.3 邊界條件

模型中將軋輥視為恒溫剛性體，軋輥溫度為200 ℃；推板為剛性體，溫度為200 ℃。軋件為塑性體，研究材料為15CrNiMn，對(duì)應(yīng)DEFORM 3D材料庫(kù)中鋼號(hào)為DIN-16MnCr5；軋件的初始溫度為均勻溫度場(chǎng)，為1 150 ℃；邊界條件有摩擦條件和傳熱條件：軋輥、推板與軋件接觸面上采用剪切摩擦，摩擦系數(shù)取0.5；由于軋制速度快、溫降慢的特點(diǎn)，本文僅啟動(dòng)了有限元仿真軟件的變形模塊，定義軋件與環(huán)境、軋輥之間不發(fā)生熱交換。

圖1 有限元物理模型

3 模擬結(jié)果

3.1 內(nèi)部方框偏析的流動(dòng)情況

如圖2所示為軋制過(guò)程第一道次軋制過(guò)程軋件內(nèi)部的等效應(yīng)力分布云圖，由圖2可知，當(dāng)模擬運(yùn)行到第8步時(shí)，軋件在后推板的作用下開(kāi)始咬入軋輥并發(fā)生變形，其中表面變形最為激烈，主要是隨著壓下量的不斷增加，金屬的變形抗力逐漸增大。運(yùn)行到第12步時(shí)，后推板已經(jīng)被撤離，此時(shí)軋制靠軋件和軋輥之間的摩擦進(jìn)入穩(wěn)態(tài)階段，該階段軋制變形穩(wěn)定，軋制力波動(dòng)幅度較小，如圖3所示。當(dāng)軋件脫離軋輥時(shí)，因軋件的壓下量突然減小幾乎為0，故軋制力又急劇下降。軋制力在其他道次中的變化規(guī)律基本相同，不同之處在于軋制力會(huì)因軋件壓下量的不同而有所區(qū)別。

3.2 影響方框偏析分布的原因分析

在一定的溫度下，心部質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)首先取決于壓下量的大小，其次受到孔型側(cè)壁對(duì)寬展的限制的影響，然而B(niǎo)D軋機(jī)為適應(yīng)不同尺寸規(guī)格的坯型軋制，將各孔型的槽口深度適當(dāng)減小、寬度適當(dāng)增大，導(dǎo)致軋件在孔型中的軋制為自由寬展軋制，因而質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)主要取決于壓下量的分布。

在心部的280 mm×170 mm邊界上選取了具有代表性的4點(diǎn)，分別為P1、P2、P3、P4，如圖4(a)所示，通過(guò)觀察和測(cè)量以上四個(gè)節(jié)點(diǎn)在橫截面上相對(duì)坐標(biāo)的變化情況來(lái)研究各道次不同壓下量對(duì)矩形形貌的影響。

圖2 第一道次軋制演化過(guò)程

圖3 第1道次軋制力曲線

由表2可知，單面兩道次壓下時(shí)，僅在軋制方向的坐標(biāo)值發(fā)生變化，而在寬展方向的坐標(biāo)值幾乎不發(fā)生變化。例如，第1道次壓下55 mm時(shí)，P1、 P2、P3的橫坐標(biāo)變化5～7 mm，P2的縱坐標(biāo)變化7.6 mm，P3、P4的縱坐標(biāo)變化23 mm。在第2道次壓下50 mm后，P1的橫坐標(biāo)變化1 mm，P3的橫坐標(biāo)變化3.5 mm，縱坐標(biāo)中P2變化6 mm，P3、P4變化12 mm。由此可見(jiàn)，隨著加工硬化的進(jìn)行，相同壓下量下，第2道次各質(zhì)點(diǎn)的坐標(biāo)變化相比第1道次減小約50%。軋件經(jīng)過(guò)單面兩道次壓下的平立交替軋制后，在第9道次終軋完畢時(shí)的尺寸為290 mm×300 mm，心部四個(gè)質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的最終形貌為60 mm×66 mm的方形，形狀比較規(guī)則，而且對(duì)稱分布在軋件中心，如圖4(b)所示。

圖4 心部質(zhì)點(diǎn)的軋制演變

表2 軋制過(guò)程中P1、P2、P3、P4四點(diǎn)的坐標(biāo)變化情況

3.3 金屬流動(dòng)機(jī)制

分析了P2、P3兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)分別在軋制方向和寬展方向上位移的變化情況，由圖5可知，在第2、5、6、8道次軋制時(shí)，初始位置相差一半的P2、P3兩點(diǎn)的位移變化量仍存在1∶2的比例，但在第一道次時(shí)兩者的比例為1∶3，而此時(shí)料寬比為1.29。說(shuō)明料寬比越大、壓下量越大，金屬在軋制方向的位移變化就越大。

由圖6可知，兩個(gè)質(zhì)點(diǎn)在寬展方向的位移變化隨著軋制道次的增加逐漸減小至幾乎為零。質(zhì)點(diǎn)2在第2道次軋制時(shí)在寬展方向沒(méi)有發(fā)生位移，而到了第5道次時(shí)質(zhì)點(diǎn)2的位移變化量超過(guò)質(zhì)點(diǎn)3，主要原因是軋件的料寬比從1.14增大到1.25，此后的幾個(gè)道次受加工硬化和料寬比的較小，位移變化不明顯

4 工業(yè)驗(yàn)證

在軋制工藝改變之前，某鋼廠410 mm×530 mm連鑄坯經(jīng)過(guò)9道次1 250 mm軋機(jī)粗軋后，得到中間坯方框偏析尺寸為160 mm×130 mm；通過(guò)按模擬孔型進(jìn)行實(shí)際軋制后，得到鋼坯芯部金屬流動(dòng)變化與模擬試驗(yàn)基本吻合，改善了過(guò)程坯內(nèi)部等軸晶區(qū)，得到過(guò)程坯方框偏析尺寸為135 mm×123 mm，與試驗(yàn)得到結(jié)果近似相等，如圖7所示。從力學(xué)性能數(shù)據(jù)中屈強(qiáng)比來(lái)看，偏析改善后的屈強(qiáng)比明顯提高，高的屈強(qiáng)比對(duì)能夠讓鉆具在服役過(guò)程中承受更高疲勞強(qiáng)度，進(jìn)而提高了鉆具的疲勞壽命。

圖5 P3、P2點(diǎn)沿軋制方向上的位移變化

圖6 P2、P3點(diǎn)沿寬展方向上的位移變化

5 討論與結(jié)論

(1)金屬流動(dòng)演變機(jī)制為：前三道次位移變化比較明顯；料寬比越大，壓下量越大，位移變化越劇烈。

圖7 實(shí)際生產(chǎn)軋制演變

(2)通過(guò)在410 mm×530 mm連鑄坯內(nèi)構(gòu)造280 mm×170 mm的方框偏析區(qū)，研究了模擬粗軋工藝對(duì)鋼坯內(nèi)部金屬質(zhì)點(diǎn)的流動(dòng)規(guī)律的影響，最后經(jīng)過(guò)9道次軋制后，在290 mm×300 mm的過(guò)程坯中找到了經(jīng)過(guò)變形壓縮后120 mm×132 mm的方框偏析形貌，得到近似1∶1的理想方框偏析形貌。

(3)結(jié)合模擬粗軋孔型工藝及數(shù)據(jù)，對(duì)410 mm×530 mm連鑄坯進(jìn)行對(duì)應(yīng)的實(shí)際驗(yàn)證，得到過(guò)程坯內(nèi)部123 mm×135 mm的方框偏析與模擬試驗(yàn)數(shù)據(jù)相近，說(shuō)明設(shè)計(jì)的粗軋工藝是合理的，且對(duì)鋼坯內(nèi)部性能能夠起到一定的改善效果。

(4)通過(guò)對(duì)比，發(fā)現(xiàn)15CrNiMn鋼方框偏析改善后的鋼材力學(xué)性能比改善前得到了明顯的提升(見(jiàn)表3)。

表3 15CrNiMn鋼力學(xué)性能變化