雷海濤 楊曉紅 馬淑謹

1.背景

卷取機是將熱軋或冷軋鋼材卷取成卷筒狀的軋鋼車間核心輔助設備，延伸軸在卷取機進行鋼板卷取過程中起外部支撐的作用，該工件法蘭面與軸體的直徑方向尺寸差別大，是典型的臺階軸結構。使用延伸軸結構的卷取機主要進行熱軋鋼板的卷取，卷取鋼板時鋼板溫度大約700℃，因此選用2Cr13不銹鋼鋼制造，在熱處理后需達到一定的強度及韌性，且具有一定的耐腐蝕性能，保證卷取機的使用壽命。圖1虛線標注處為臺階軸即為延伸軸，與延伸軸緊挨的部位為鋼板的卷取位置。

2.取樣分析

2.1 外觀裂紋形貌觀察

從原件可以看出，裂紋沿著臺階R處外圓環(huán)向開裂，但未閉合；裂紋剖面存在一定的微氧化。

2.2 化學成分檢測分析

用臺式光譜MAXx06-F對裂紋部位的割取試塊進行檢測，結果見表1。

圖1 卷取機示意圖

圖2 延伸軸熱處理前加工圖

2.3 硬度檢測

用威爾遜 VH1150 維氏硬度機進行GB/T4340.1—1999金屬維氏硬度試驗，結果見表2。從硬度檢測結果來看，硬度值符合圖紙要求的硬度值HB290-320，與熱處理后硬度檢測結果一致。

2.4 金相組織檢測

根據(jù)金相組織檢測結果，組織為主要回火索氏體組織，在500x下觀察，組織中存在保留馬氏體位向的回火索氏體，隱約可見晶界，并且有少量的殘余奧氏體。調質組織符合要求。

表1 延伸軸材質2Cr13化學成分檢測分析結果

2.5 機械性能檢測

機械性能檢測見表3。

表2 延伸軸調質后硬度值檢測情況

表3 延伸軸熱處理后力學性能檢測結果

3.熱模擬軟件計算內應力

采用熱模擬軟件Deform，模擬計算回火后不同的冷卻介質產(chǎn)生的內應力。由于此裂紋發(fā)現(xiàn)在回火后，考慮到2Cr13材質調質回火后會產(chǎn)生回火脆性，故在回火后進行水冷消除回火脆性。生產(chǎn)當天水溫50℃左右，按照560℃工件出爐進行水冷至50℃左右的要求，對工件自身內應力進行模擬，在開裂的R角處，選取5處作為參照點，用以分析水冷過程中5個點的應力分布。見圖1、圖2。

根據(jù)工件水冷與油冷應力分析對比，水冷比油冷應力大。在冷卻2850s時，水冷產(chǎn)生的應力最大為481Mpa。因此2Cr13延伸軸回火后為了消除回火脆性，也采用應力較大的水冷。

4.結論分析及改進措施

4.1 結論

根據(jù)分析結果，工件的化學成分、金相組織特征、硬度、機械性能均符合要求；使用Deform熱模擬軟件，對回火的工件在水冷過程中產(chǎn)生的應力進行模擬，最大的應力為481Mpa，已達到屈服強度的63%左右；根據(jù)《YB/T 036.16--92冶金設備制造通用技術條件.熱處理件標準》中3.8條的要求，此延伸軸屬于典型的臺階軸D-d = 736-350 =386，大于200，接近400，故依據(jù)此標準過渡圓角應R≥35，而鍛件粗加工要求的R為30，過渡圓角偏??；故造成該延伸軸開裂的主要原因為：此延伸軸截面較大，回火后采用水冷消除回火脆性時冷速較快，產(chǎn)生較大的應力是造開裂的直接原因,過渡R角偏小是造成開裂的間接原因。

圖1 水冷卻時間與工件溫度的變化曲線

圖2 冷卻時間與應力變化曲線

4.2 改進措施

對于此類延伸軸，將過渡R角加大至40，并在淬火后改用油冷消除回火脆性，增加回火油冷后采用350℃回火15小時左右，消除回火產(chǎn)生的內應力，至今沒有出現(xiàn)由于內應力釋放產(chǎn)生的延伸軸開裂使工件報廢的情況。