王德山，陳銘宏，陳尤旭

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215131）

1 淬火工藝

Cr5鍛鋼工作輥的制備過(guò)程主要分為淬火和回火兩個(gè)熱處理階段。在淬火過(guò)程中，采用差溫加熱的方法進(jìn)行加熱，采用噴霧冷卻的方法進(jìn)行冷卻。在回火的過(guò)程中，采用在普通爐內(nèi)進(jìn)行加熱的方法，并且最終在爐內(nèi)自行冷卻。

1.1 差溫?zé)崽幚?/h3>

差溫?zé)崽幚砉に囀菍⑵胀訜釥t內(nèi)的工件轉(zhuǎn)移放置到預(yù)熱好的差溫加熱爐內(nèi)，再采用快速加熱的方法對(duì)工件進(jìn)行加熱，使得工件表面的溫度能夠迅速升高，可達(dá)到奧氏體溫度以上。差溫?zé)崽幚砉に嚳勺尮ぜ砻嫦葘?shí)現(xiàn)奧氏體相變，并且達(dá)到細(xì)化工件組織的目的。

1.2 噴霧淬火

噴霧淬火冷卻形式的優(yōu)點(diǎn)是其可控性較好和調(diào)節(jié)更靈活，它可以通過(guò)控制具有一定壓力的水和壓縮過(guò)的空氣在噴嘴中按特定比例混合，然后再以氣態(tài)霧狀的形式噴到工件上，從而可達(dá)到冷卻的目的。

1.3 熱處理工藝路線

圖1所示為Cr5型鍛鋼工作輥的熱處理工藝圖，該Cr5型鍛鋼工作輥熱處理制備過(guò)程共分為7個(gè)階段。

1）低溫預(yù)先加熱。將工作輥放入普通加熱爐中進(jìn)行加熱，溫度應(yīng)控制在200～300 ℃之間，大約需加熱10 h。

圖1 Cr5 鍛鋼工作輥的熱處理工藝圖[1]

2）溫度保持階段。在低溫預(yù)先加熱結(jié)束后，以20 ℃/h左右的加熱速度對(duì)普通加熱爐進(jìn)行加熱，使其溫度達(dá)到500～600 ℃之間。為了確保工作輥不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，需要將其保持此溫度10 h，有助于工作輥?zhàn)陨韮?nèi)外都處于較高的溫度下，使其可以受熱均勻。

3）轉(zhuǎn)移至差溫爐中進(jìn)行加熱。工作輥在普通加熱爐中保溫階段結(jié)束之后，迅速將其轉(zhuǎn)移到差溫爐中進(jìn)行加熱，為了彌補(bǔ)轉(zhuǎn)移時(shí)出現(xiàn)的熱量損失，應(yīng)在差溫爐中對(duì)工作輥進(jìn)行大約2 h的預(yù)熱。

4）在差溫爐中進(jìn)行快速加熱。差溫爐中預(yù)熱結(jié)束后，以大約150～250 ℃/h的加熱速度迅速升高爐內(nèi)溫度，采用這種加熱方式的目的是使工作輥表面溫度快速達(dá)到奧氏體化，而內(nèi)部的溫度不會(huì)發(fā)生很大的變化。

5）高溫階段保持溫度。首先，在1000～1050 ℃進(jìn)行3 h的保溫過(guò)程，然后，迅速將爐內(nèi)溫度下降至900～970 ℃，此過(guò)程持續(xù)2 h。通過(guò)這兩個(gè)階段的保溫過(guò)程，可有效地避免輥表面因高溫造成的晶粒粗大等不良后果。

6）噴霧冷卻過(guò)程。工作輥在高溫階段加熱之后，采用輥身噴霧的方法對(duì)其表面進(jìn)行緩慢的降溫。

7）回火過(guò)程。工作輥在低溫階段進(jìn)行加熱10 h，然后保溫80 h，最后在爐內(nèi)進(jìn)行冷卻?；鼗疬^(guò)程有助于工作輥降低殘余應(yīng)力。

依據(jù)此熱處理工藝路線，工作輥在熱處理后硬度性能要求如表1所示。此外，在淬火冷卻階段，為了使Cr5型鍛鋼工作輥獲得良好的淬硬性和淬硬層深度，采用噴霧冷卻的方法可以使工作輥表面形成理想的馬氏體組織。

表1 硬度要求[1]

根據(jù)上文對(duì)工作輥工藝性能的分析，本文采用熱處理工藝路線模擬每個(gè)階段的過(guò)程。本文主要研究軋制極薄材料的Cr5型鍛鋼工作輥的制備方法，其噴霧淬火的具體步驟如下：1）Cr5型鍛鋼工作輥放入250 ℃的普通加熱爐內(nèi)，保溫過(guò)程持續(xù)10 h；2）保溫階段結(jié)束后，對(duì)普通加熱爐進(jìn)行加熱，加熱速度為每小時(shí)20 ℃，將爐內(nèi)溫度上升至550 ℃；3）當(dāng)普通加熱爐內(nèi)的溫度達(dá)到了550 ℃時(shí)，停止加熱再次進(jìn)入保溫階段，保溫過(guò)程為10 h；4）保溫階段結(jié)束后，將Cr5型鍛鋼工作輥轉(zhuǎn)移到差溫加熱爐中；5）將差溫加熱爐的溫度設(shè)置到550 ℃，對(duì)Cr5型鍛鋼工作輥進(jìn)行保溫，持續(xù)2 h；6）保溫階段結(jié)束后，將差溫加熱爐中的溫度以200 ℃/h的溫度迅速加熱，直到差溫加熱爐中的溫度為1000 ℃時(shí)停止加熱；7）當(dāng)差溫加熱爐中的溫度達(dá)到了1000 ℃時(shí)，進(jìn)入保溫階段，持續(xù)3 h；8）當(dāng)差溫加熱爐內(nèi)的溫度下降到900 ℃時(shí)，繼續(xù)對(duì)工作輥進(jìn)行保溫，持續(xù)2 h；9）最后，采用噴霧淬火的方式對(duì)Cr5型工作輥進(jìn)行表面降溫，持續(xù)時(shí)間為4 h。

2 模型的建立與網(wǎng)格的劃分

2.1 幾何模型的建立

本文對(duì)所研究的Cr5型鍛鋼工作輥進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)，其平面尺寸如圖2所示。Cr5型鍛鋼工作輥的1/8幾何結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。該工作輥是利用SolidWorks建模軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計(jì)，在模型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，將工作輥各部分都設(shè)計(jì)成圓柱形面，可以優(yōu)化工作輥網(wǎng)格劃分及計(jì)算模擬的精確度。

圖2 Cr5鍛鋼工作輥平面尺寸圖[1]

2.2 有限元網(wǎng)格的劃分

HYPERMESH 是ALTAIR HYPERWORKS 的應(yīng)用模塊之一[2]，該軟件可以對(duì)所設(shè)計(jì)的Cr5型鍛鋼工作輥的幾何模型進(jìn)行前處理，得到更為規(guī)則的網(wǎng)格。

1）網(wǎng)格劃分的優(yōu)點(diǎn)。該軟件網(wǎng)格處理質(zhì)量好，且速度快，自行修改度高，便于后期的網(wǎng)格處理。

2）幾何模型的前處理。為了得到質(zhì)量更高的網(wǎng)格，需要對(duì)幾何模型進(jìn)行前處理，便于后期能夠劃分更為規(guī)則的網(wǎng)格。

3）多樣化的網(wǎng)格劃分功能。該軟件擁有功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分界面，可對(duì)2D、3D幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。

本文研究的Cr5型鍛鋼工作輥結(jié)構(gòu)模型較為規(guī)則，對(duì)模型的邊線進(jìn)行前處理之后，可將模型進(jìn)行部分拆分，然后采用掃掠的方式對(duì)模型以六面體網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分，所得到的網(wǎng)格模型質(zhì)量更高。網(wǎng)格劃分后的結(jié)果如圖4所示。

3 有限元模擬軟件DEFORM-3D

DEFORM-3D是一款有限元數(shù)值模擬軟件，在Cr5型鍛鋼工作輥的熱處理過(guò)程中，采用了加熱淬火和噴霧淬火，利用該軟件對(duì)這兩個(gè)階段進(jìn)行數(shù)值模擬分析。下面將介紹該軟件相關(guān)的應(yīng)用。

3.1 DEFORM-3D 軟件的系統(tǒng)模塊

DERORM-3D軟件在金屬的成型工藝和熱處理工藝方面具有較為廣泛的運(yùn)用[3]。該軟件的用戶操作界面功能齊全，便于研究者進(jìn)行數(shù)據(jù)的研究分析及工藝的分析處理。該軟件的系統(tǒng)模塊組成部分[4]如圖5所示。

圖3 Cr5型鍛鋼工作輥的1/8 幾何結(jié)構(gòu)模型

圖4 Cr5鍛鋼工作輥網(wǎng)格模型圖

圖5 DEFORM-3D的系統(tǒng)模塊

3.2 DEFORM-3D在熱處理工藝中的應(yīng)用

DEFORM-3D軟件可模擬Cr5型鍛鋼工作輥在熱處理中的數(shù)值模擬。在淬火過(guò)程中，該軟件能夠很好地預(yù)測(cè)工作輥的硬度情況，并且能有效地模擬微觀結(jié)構(gòu)晶粒發(fā)生的變化特征情況。

DEFORM-3D軟件可模擬在熱處理中發(fā)生的溫度場(chǎng)、組織場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的非線性耦合過(guò)程。耦合過(guò)程中可包含相變所引起的溫度的改變，以及溫度的改變引起的熱應(yīng)力及應(yīng)力對(duì)相變應(yīng)變、相變內(nèi)能、相變塑性等方面的影響。

3.3 換熱邊界條件的確定

本文研究的Cr5型鍛鋼工作輥加熱淬火和噴霧淬火采用的邊界條件是牛頓對(duì)流邊界條件，可實(shí)現(xiàn)工作輥的數(shù)值模擬過(guò)程。工作輥的幾何尺寸、形狀及加工環(huán)境都會(huì)對(duì)換熱邊界條件產(chǎn)生影響，因此本文采用輻射換熱的對(duì)流換熱系數(shù)。對(duì)流換熱系數(shù)表達(dá)式為

式中：Gr為Grashof數(shù)；Pr為Prandtl數(shù)；C、n為常數(shù)項(xiàng)。

本文在Cr5型鍛鋼工作輥熱處理中使用的換熱系數(shù)有加熱淬火系數(shù)[5]、噴霧冷卻系數(shù)[6]、噴風(fēng)冷卻系數(shù)[7]及空冷系數(shù)[8]。

4 Cr5鋼的材料性能參數(shù)

通過(guò)研究分析得出Cr5型鍛鋼工作輥的化學(xué)成分、熱物性參數(shù)、力學(xué)性能參數(shù)及相變塑性參數(shù)等。

4.1 Cr5鋼的化學(xué)成分

Cr5型鍛鋼主要的化學(xué)成分質(zhì)量百分比如表2所示。

表2 Cr5型鍛鋼用鋼的化學(xué)成分質(zhì)量百分比[3] %

4.2 Cr5鋼的熱物性參數(shù)

表3列舉了Cr5型鍛鋼熱物性參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系。

4.3 Cr5鋼的力學(xué)性能參數(shù)

4.4 Cr5鋼的相變塑性參數(shù)

本文研究的Cr5型鍛鋼工作輥在數(shù)值模擬中采用的是Greenwood-Johnson模型的優(yōu)化模型，其表達(dá)式為

表4 Cr5鋼的力學(xué)性能參數(shù)[9]

表5 Cr5鋼的高溫瞬時(shí)拉伸性能[9]

式中：εtp為相變塑性應(yīng)變；k為相變塑性參數(shù)；ζ為新相生成物的質(zhì)量百分比；σ為應(yīng)力。其中相變塑性應(yīng)變?chǔ)舤p與應(yīng)力σ具有非常高的線性相關(guān)度，由此可將相變塑性參數(shù)近似認(rèn)作是常數(shù)，其值可為7.918 75×10-5[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究一種新型Cr5型鍛鋼工作輥，由碳、硅、錳、磷、硫、鎘、鉬、釩、鐵和其他雜質(zhì)等化學(xué)成分以不同的質(zhì)量百分比組成。此Cr5型鍛鋼工作輥在硬度、強(qiáng)度及耐磨性等方面具有高性能的優(yōu)點(diǎn)，利用此工作輥可軋制極薄材料的高質(zhì)量產(chǎn)品。本文對(duì)該Cr5型鍛鋼工作輥的制備工藝進(jìn)行了研究，介紹了熱處理的工藝過(guò)程，并且建立Cr5型鍛鋼工作輥的幾何結(jié)構(gòu)模型和有限元網(wǎng)格模型，最后研究分析了Cr5型鍛鋼工作輥在淬火過(guò)程中的材料性能參數(shù)。