郭 峰，白興紅，張雪姣，趙曉龍

支承輥是軋鋼設(shè)備的重要零件，消耗量大，其中帶鋼軋機支承輥的國內(nèi)需求量約1 600 支/a[1、2]。鑒于支承輥產(chǎn)品特殊的使用性能，要求輥身工作層具有高耐磨性、抗疲勞性，心部要具有良好的強韌性。一般支承輥產(chǎn)品需經(jīng)過鍛后熱處理、預(yù)備熱處理（調(diào)質(zhì)） 和差溫熱處理三次熱處理，耗時較長，生產(chǎn)效率低。為緩解支承輥量大，熱處理爐緊張的狀況，在保證工件熱處理質(zhì)量及生產(chǎn)安全前提下，需對熱處理工藝進行優(yōu)化。

隨著計算機技術(shù)和熱處理數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，基于大型鑄鍛件熱處理過程的數(shù)值模擬研究越來越多[3～5]。本文通過建立Cr5 型鍛鋼支承輥在調(diào)質(zhì)回火保溫階段的溫度、組織、應(yīng)力演變及相互耦合的數(shù)學模型，對兩種規(guī)格支承輥調(diào)質(zhì)回火工藝進行數(shù)值模擬，確定工藝優(yōu)化方向。

1 有限元模型的建立及判斷依據(jù)

本文以輥身直徑?1 325 mm、?1 705 mm 兩種規(guī)格支承輥為研究對象，建立軸對稱模型?？紤]支承輥熱處理過程中的珠光體、貝氏體、馬氏體相變、相變膨脹等對殘余應(yīng)力的影響，將各組織的熱、力學性能分別設(shè)置為隨溫度變化的參數(shù)。

在預(yù)備熱處理過程中，大型支承輥鍛件經(jīng)淬火處理后進行回火熱處理，回火保溫的目的[6]：①消除或降低淬火冷卻過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力；②獲得穩(wěn)定的回火組織。因此，下述內(nèi)容為調(diào)整回火保溫時間的參考依據(jù)：①回火轉(zhuǎn)變以原子擴散為基礎(chǔ)，以貝氏體、馬氏體組織保溫時間＞20 h 作為淬火組織轉(zhuǎn)變完全的依據(jù)；②保溫過程中工件內(nèi)應(yīng)力趨向穩(wěn)定，這里選取最大主應(yīng)力為參考；③支承輥完成調(diào)質(zhì)熱處理后出爐時，不同保溫時間工藝條件下的應(yīng)力場對比。

本文以“低溫保持（250～300 ℃） 階段”的珠光體體積百分含量90%以上的區(qū)域（尚有少量貝氏體或馬氏體） 為分析對象，回火保溫＞20 h。?1 325 mm、?1 705 mm 支承輥傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)回火保溫時間為50～100 h（見圖1）。

圖1 支承輥調(diào)質(zhì)回火工藝

2 ?1 705 mm 支承輥熱處理數(shù)值模擬

2.1 低溫保持階段的組織場

以“低溫保持”階段的組織場作為分析對象（見圖2）。支承輥表面多為馬氏體、貝氏體，輥身內(nèi)部為珠光體組織，P1、P2、P3 為珠光體體積百分含量90%的3 處位置，該區(qū)域內(nèi)尚有少量貝氏體或馬氏體組織。

2.2 回火保溫時間

提取珠光體體積百分含量90%時三處位置P1、P2、P3 的溫度場數(shù)據(jù)，600 ℃保溫過程中，P1、P2、P3 三處達到595 ℃所用時間分別為40 h、35 h、25 h（見圖3）。為保證淬火組織轉(zhuǎn)變完全，595～600 ℃下繼續(xù)保持20 h，得到回火保溫時間應(yīng)≥60 h。

2.3 回火保溫過程中的應(yīng)力場

根據(jù)工件在調(diào)質(zhì)回火保溫時的應(yīng)力場分布可知，P1 點距離輥身心部235 mm，回火過程中該處的主應(yīng)力最大，P2 點主應(yīng)力相對也較高（見圖4）。

圖4 回火保溫過程中應(yīng)力分布

由P1、P2 兩處的最大主應(yīng)力隨保溫時間的變化可以看出，應(yīng)力值隨保溫時間增加而逐漸趨于穩(wěn)定（見圖5）。

圖5 回火保溫過程中的最大主應(yīng)力

P1 點最大主應(yīng)力在保溫42 h 時為350 MPa，保溫60 h 時為342 MPa，保溫80 h 時為341 MPa。P2 點最大主應(yīng)力在保溫28 h 時為330 MPa，保溫60 h 時為324 MPa，保溫80 h 時為323 MPa?？芍?，60～80 h 的回火保溫時間對工件的應(yīng)力影響不大。

2.4 空冷至室溫時的應(yīng)力場

采用不同保溫時間回火后，得到工件空冷至室溫時的殘余應(yīng)力分布（見圖6）?？梢钥闯?，殘余應(yīng)力幾乎沒有差別，即60～80 h 的回火保溫時間對工件的殘余應(yīng)力影響不大。

圖6 ?1 705 mm 支承輥回火結(jié)束后空冷至室溫下的殘余應(yīng)力場

3 ?1325 mm 支承輥熱處理數(shù)值模擬

3.1 低溫保持階段的組織場與溫度場

以“低溫保持”階段的組織場作為分析對象，對應(yīng)組織場為珠光體體積百分含量90%的P1、P2、P3 位置（見圖7）。

圖7 珠光體體積百分含量大于90%區(qū)域（紅色區(qū)）

由565 ℃保溫過程的溫度曲線可知，三處溫度變化基本重合（見圖8）。565 ℃保溫20 h 時，三處溫度分別達到561、560、559 ℃，為保證淬火組織轉(zhuǎn)變完全，565 ℃溫度下繼續(xù)保持20 h 計算，則回火保溫時間≥40 h。

圖8 回火保溫過程中三點溫度變化

3.2 回火保溫過程中應(yīng)力場

根據(jù)工件在調(diào)質(zhì)回火保溫時的應(yīng)力場分布可知，距離輥身心部210 mm 處P1 點在回火過程中的主應(yīng)力最大（見圖9）。

圖9 回火保溫過程中應(yīng)力場

由P1 處的最大主應(yīng)力隨565 ℃保溫時間的變化可以看出，保溫25 h 時，P1 應(yīng)力值210 MPa；繼續(xù)延長保溫時間，應(yīng)力值趨于穩(wěn)定。保溫時間40～60 h 內(nèi)，最大主應(yīng)力值相同（見圖10）。說明40～60 h 的回火保溫時間對工件應(yīng)力的影響不大。

圖10 回火保溫過程中的最大主應(yīng)力

3.3 空冷至室溫時的應(yīng)力場

采用不同保溫時間回火完成后，得到工件空冷至室溫時的殘余應(yīng)力分布（見圖11），可知40～60 h 的回火保溫時間對工件的殘余應(yīng)力影響不大。

圖11 ?1 325 mm 支承輥回火空冷殘余應(yīng)力分布

4 結(jié) 語

（1） 輥身直徑?1 705 mm 的支承輥回火保溫時間縮短為60～80 h，工件最大主應(yīng)力值基本保持一致。

（2） 輥身直徑?1 325 mm 的支承輥回火保溫時間縮短為40～60 h，工件最大主應(yīng)力值基本保持一致。

（3） 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對輥身直徑?1 000～?1 700 mm 支承輥的調(diào)質(zhì)回火工藝進行優(yōu)化，縮短熱處理生產(chǎn)周期，取得良好效果。