陳先毅

(二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

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Cr3支承輥表淬加熱保溫時(shí)間與有效淬硬層深度的關(guān)系

陳先毅

(二重集團(tuán)(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

摘要：利用DEFORM軟件模擬計(jì)算并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，研究了Cr3支承輥表淬加熱時(shí)保溫時(shí)間對(duì)有效淬硬層深度的影響，最終給出了Cr3支承輥表淬加熱保溫時(shí)間與有效淬硬層深度之間的關(guān)系圖。

關(guān)鍵詞：Cr3支承輥；數(shù)值模擬；表面淬火；有效淬硬層深度

當(dāng)前，Cr5支承輥已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用，但Cr3支承輥在中厚板軋機(jī)以及有色軋機(jī)上仍占據(jù)著重要地位。有效淬硬層深度是支承輥的重要技術(shù)指標(biāo)之一，其過淺或過深都存在不利影響[1]。有效淬硬層過淺，將降低支承輥使用壽命；有效淬硬層過深則增加支承輥開裂風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此，掌握支承輥表淬加熱保溫時(shí)間與有效淬硬層深度之間的關(guān)系對(duì)指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐有重要意義。

1淬火加熱模型的建立

1.1表淬加熱工藝曲線

Cr3支承輥表淬加熱工藝曲線如圖1所示。工件經(jīng)過一定溫度預(yù)熱使其進(jìn)入塑性區(qū)后，轉(zhuǎn)入差溫爐快速升至要求的溫度，然后保溫一定時(shí)間得到合適厚度的奧氏體層后出爐淬火。

1.2幾何模型

支承輥屬于回轉(zhuǎn)體，假定差溫爐加熱時(shí)爐溫是均勻的，則計(jì)算機(jī)模擬時(shí)可將三維加熱問題轉(zhuǎn)換為二維問題，且只需模擬對(duì)稱軸的一半即可，如圖2所示。

1.3材料熱物參數(shù)

圖1　Cr3支承輥表淬加熱工藝曲線

圖2　支承輥表淬加熱幾何模型

材料熱物參數(shù)準(zhǔn)確性是計(jì)算機(jī)模擬準(zhǔn)確的基礎(chǔ)，本研究的比熱容和相變潛熱數(shù)據(jù)借用DEFORM模擬軟件自帶材料的數(shù)據(jù)，其它熱物性參數(shù)用JMatPro軟件計(jì)算的結(jié)果。

1.4網(wǎng)格劃分及換熱邊界

用DEFORM模擬軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因在差溫爐加熱，僅對(duì)輥身加熱而輥頸不加熱，因此首先將換熱邊界相應(yīng)地分為輥頸換熱邊界和輥身換熱邊界兩部分，而輥身與輥頸的過渡部分作無熱交換處理，如圖3所示。

圖3　差溫爐加熱時(shí)換熱邊界

2通過計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合研究淬硬層深度

2.1淬硬層深度定義

為了方便研究表淬加熱參數(shù)與淬硬層深度的關(guān)系并將研究結(jié)果用于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，對(duì)經(jīng)過表淬處理的支承輥定義以下兩種淬硬層深度：

H——輥身表面至輥身硬度開始急劇下降(沿輥身徑向)時(shí)的距離，如超過該距離，輥身硬度將迅速降低至基體硬度導(dǎo)致支承輥無法再使用；

H3——有效淬硬層深度，指輥身表面至輥身硬度下降(沿輥身徑向)3HSD時(shí)的距離。輥身3HSD的硬度降對(duì)應(yīng)著生產(chǎn)使用中對(duì)優(yōu)質(zhì)支承輥的要求。

2.2淬硬層深度與奧氏體化層厚度之間關(guān)系的建立

雖然前述所建立的模型只能模擬溫度及奧氏體化層深度隨加熱過程的變化，而不能直接反映淬硬層深度與加熱參數(shù)的關(guān)系，但是，由于奧氏體化是支承輥淬硬的前提，在奧氏體化后，是否淬硬則取決于材料的淬透性和冷卻強(qiáng)度。假設(shè)支承輥材料的淬透性和表淬時(shí)的冷卻強(qiáng)度是足夠的，則支承輥表淬時(shí)硬化層深度主要取決于奧氏體化層厚度，可以通過建立奧氏體層厚度與淬硬層深度之間的關(guān)系，進(jìn)而研究表淬加熱參數(shù)與淬硬層深度的關(guān)系。

利用計(jì)算機(jī)對(duì)某經(jīng)過表淬處理的支承輥(命名為支承輥A，輥身直徑1 606 mm，輥身長度2 904 mm)進(jìn)行模擬計(jì)算，得到了奧氏體含量與距輥身表面距離的關(guān)系，如圖4所示。為了研究淬硬層深度與奧氏體化層厚度的關(guān)系，將支承輥A實(shí)測輥身硬度與距輥身表面距離的關(guān)系也列在了圖4中。

從圖4可以看出，硬度在距表面80 mm時(shí)隨深度增加開始急劇下降，奧氏體含量隨深度增加出現(xiàn)急劇下降的點(diǎn)為距表面約120 mm，兩者并不重合。這有可能是以下三方面原因造成的：一是模擬所用熱物參數(shù)準(zhǔn)確性的影響；二是模擬計(jì)算的奧氏體沒有考慮碳化物在奧氏體中的溶解程度對(duì)淬火硬度的影響；三是未考慮不同深度時(shí)冷卻強(qiáng)度對(duì)淬火硬度的影響。雖然圖4所示奧氏體含量隨距輥身表面距離變化與硬度隨距輥身表面距離變化的趨勢不能完全重合，然而，若僅做唯象的描述，則可用奧氏體含量為99%時(shí)距表面的距離(記為A0.99，圖4中為80 mm)表示淬硬層深度H。圖4中按2.1兩種不同定義得到的淬硬層深度分別為：H=80 mm，H3=45 mm。假設(shè)H3=a·H，則a=0.56，從而有：

圖4　支承輥A輥身硬度、奧氏體含量

H=A0.99

(1)

H3=a·H=a·A0.99=0.56A0.99

(2)

2.3淬硬層深度與表淬加熱保溫時(shí)間的關(guān)系

通過計(jì)算機(jī)模擬可以得到A0.99隨加熱時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)一步利用式(1)、式(2)即可得到支承輥A淬硬層深度隨表淬加熱保溫時(shí)間變化的曲線，見圖5。從圖5可以看出，在保溫時(shí)間≤1 h時(shí)，淬硬層深度均為零，這是因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)間段內(nèi)，支承輥輥身表面溫度尚未進(jìn)入奧氏體區(qū)。保溫時(shí)間超過1 h后，淬硬層深度與保溫時(shí)間基本呈線性關(guān)系。按照同樣的方法可以得到不同直徑Cr3支承輥淬硬層深度隨表淬加熱保溫時(shí)間變化的曲線，本文不再一一列出。

在支承輥的實(shí)際應(yīng)用中，通常要求其有效淬硬層深度即H3達(dá)到支承輥輥身半徑的10%(將此時(shí)的H3記為H30.1)。為此利用計(jì)算機(jī)模擬并結(jié)合式(1)、式(2)給出了不同直徑的Cr3支承輥有效淬硬層深度到達(dá)輥身半徑的10%時(shí)所需保溫時(shí)間的關(guān)系曲線，如圖6所示。得到圖6所示曲線方法如下：首先利用計(jì)算機(jī)模擬得到不同直徑Cr3支承輥A0.99隨加熱保溫時(shí)間的變化關(guān)系；然后結(jié)合式(1)、式(2)得出不同直徑Cr3支承輥淬硬層深度隨表淬加熱保溫時(shí)間變化的曲線，在淬硬層深度隨表淬加熱保溫時(shí)間變化的系列曲線中提取出不同直徑Cr3支承輥H3達(dá)到支承輥輥身半徑10%的系列點(diǎn)；最后，將該系列點(diǎn)作圖即可得到圖6所示曲線，用于指導(dǎo)生產(chǎn)中表淬加熱保溫時(shí)間的選擇。

圖5　支承輥A淬硬層深度與淬火保溫時(shí)間的關(guān)系曲線

圖6　Cr3支承輥不同輥身直徑有效淬硬層深度

3分析討論

本文的所有研究基于以下假設(shè)——Cr3支承輥材料的淬透性和表淬時(shí)的冷卻強(qiáng)度是足夠的。但實(shí)際上Cr3支承輥材料的淬透性和表淬時(shí)的冷卻強(qiáng)度都是有限的，所以當(dāng)要求的有效淬硬層深度超過某一值時(shí)，本文的研究結(jié)果將不再適用，而該值是多少還需進(jìn)一步研究確定。此外，式(1)和式(2)是從輥身直徑為1 606 mm的支承輥導(dǎo)出的，將其推廣應(yīng)用至其它直徑的支承輥時(shí)會(huì)有一定的偏差，該偏差程度的確定或?qū)ζ湫拚残鑼?duì)更多實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行研究才能進(jìn)行。

4結(jié)論

通過本文的研究，提出了一種預(yù)測Cr3支承輥淬硬層深度的方法，在此基礎(chǔ)上給出了Cr3支承輥不同輥身直徑有效淬硬層深度達(dá)到輥身半徑10%時(shí)所需保溫時(shí)間的曲線，為生產(chǎn)實(shí)踐中表淬加熱保溫時(shí)間的選擇提供了參考。

參考文獻(xiàn)

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[5]楊萍，陳先毅，等.?1800mm以上特大型支承輥表淬熱處理工藝[J].大型鑄鍛件，2013(6).

編輯杜青泉

Relation between Heating and Holding Time of Surface Hardening and Effective Depth of Hardening Layer for Cr3 Backup Roll

Chen Xianyi

Abstract：By adopting DEFORM software to simulate and calculate, as well as combining the measured data, the influence of heating and holding time of surface hardening on the effective depth of hardening layer for Cr3 backup roll has been studied. Eventually, the relation diagram between the heating and holding time of surface hardening and the effective depth of hardening layer for Cr3 backup roll has been given.

Key words：Cr3 backup roll; numerical simulation; surface hardening; effective depth of hardening layer

作者簡介：陳先毅(1982—)，男，碩士，工程師，從事大型鍛件材料的研究開發(fā)。電話：15196387217，E-mail：chenxianyi1983@163.com

收稿日期：2015—10—19

中圖分類號(hào)：O242.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B