宋佳宇,劉貴文,魏鵬洋,楊樹國,呂彥兵,喬福振,楊 超,江連運

(1.太原科技大學(xué) 機械工程學(xué)院,太原 030024;2.太鋼不銹鋼股份有限公司不銹熱軋廠,太原 030024;3.泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗檢測研究院,山東 泰安 271000)

碳鋼/不銹鋼復(fù)合板是以不銹鋼作為復(fù)層金屬,碳鋼作為基層金屬,通過機械結(jié)合或者冶金結(jié)合的方式組合進行使用[1],可以在很大程度上節(jié)約不銹鋼板里的貴金屬,降低工業(yè)成本[2]。而且復(fù)合板綜合了碳鋼和不銹鋼各自的優(yōu)點,具有優(yōu)異的耐腐蝕性、強度和剛度[3]。在航空航天、軍工、汽車、化工和石油等領(lǐng)域需求旺盛,得到廣泛的應(yīng)用[4]。

蛇形軋制是一種相對較新的軋制技術(shù),與異步軋制相比,它將快速或慢速工作輥在軋制出口方向上進行一定量的錯位[5]。具備提高軋板中心塑性變形、克服在厚板生產(chǎn)中軋板嚴(yán)重彎曲的優(yōu)點[6]。Zhang T等[7]利用Deform-3D分析了7075鋁合金厚板在蛇形軋制和對稱軋制過程中異速比對其剪切應(yīng)變的影響規(guī)律。凌利月等[8]利用ABAQUS有限元模擬軟件構(gòu)建了蛇形軋制AA6016鋁合金板材的二維有限元模型,研究異速比和壓下量對曲率的影響,研究結(jié)果表明,當(dāng)異速比和壓下量增大時,軋板向慢輥彎曲的趨勢也隨之增強。Yang J等[9]通過有限元模擬研究了蛇形軋制過程中不同工藝參數(shù)對沿厚度方向應(yīng)變的影響,研究結(jié)果表明,蛇形軋制能夠使沿厚度方向的應(yīng)變更均勻。

在工業(yè)生產(chǎn)中,節(jié)約成本、提高效率是非常有必要的,因此采用有限元軟件模擬來預(yù)測不同工藝參數(shù)對軋后復(fù)合板的影響結(jié)果[10],以獲得形性兼得的復(fù)合板。對此,有許多學(xué)者對復(fù)合軋制過程進行了相關(guān)研究。謝紅飆等[11]通過有限元模擬研究鈦/鋁復(fù)合板軋制時的變形協(xié)調(diào)問題,研究結(jié)果表明,在一定的范圍內(nèi),隨著板坯加熱溫度升高和壓下率的增加,復(fù)合板的變形得到明顯改善。蘭昆等[12]利用ANSYS/LS-DYNA有限元軟件研究不同壓下率對耐磨鋼和碳鋼復(fù)合板界面結(jié)合性能的影響,研究結(jié)果表明,在壓下率為50%時,復(fù)合板界面結(jié)合性能良好。Li Y等[13]探討了不同軋制參數(shù)對復(fù)合板界面結(jié)合的影響,研究結(jié)果表明,大的軋制壓下量、高的軋制溫度和低的軋制速度有利于促進復(fù)合板界面結(jié)合。對復(fù)合板而言,組成材料的性能差異與軋制參數(shù)的不同會對軋后復(fù)合板變形有較大的未知影響。因此,研究不同工藝參數(shù)與復(fù)合板結(jié)合面等效塑性應(yīng)變及彎曲曲率之間的關(guān)系具有很大的意義。

本文以碳鋼Q345R為基層,不銹鋼316L為復(fù)層組成復(fù)合板,利用Deform-2D平臺模擬不同工藝參數(shù)對蛇形軋制后復(fù)合板的影響,重點分析對結(jié)合面的等效塑性應(yīng)變及軋后彎曲曲率的影響規(guī)律,為生產(chǎn)性能優(yōu)異且平直的雙層碳鋼/不銹鋼復(fù)合板提供重要的參考價值。

1 建立蛇形軋制有限元模型

在Deform-2D平臺下建立碳鋼/不銹鋼復(fù)合板蛇形軋制有限元模型,靠近上軋輥一側(cè)的板材使用不銹鋼,靠近下軋輥一側(cè)的板材使用碳鋼,且下軋輥相對于上軋輥在軋制出口方向上存在錯位量,具體模型如圖1所示。

在復(fù)合軋制過程中,為簡化軋制過程的模擬,將軋輥設(shè)置成為具有熱傳導(dǎo)的剛性輥,并忽略其彈性變形;同時,假設(shè)軋板上下兩層為各向同性且具有均勻機械性質(zhì)的剛塑性材料。

本文模擬所需的材料化學(xué)成分可在文獻[14]中查得,然后利用JMatPro軟件來模擬計算材料的流動應(yīng)力數(shù)據(jù)和物理性能參數(shù)并直接用DEFORM Forming模塊導(dǎo)出,導(dǎo)出的KEY文件數(shù)據(jù)可直接應(yīng)用到Deform中用于有限元模擬,主要軋制參數(shù)如表1所示。

表1 軋制參數(shù)

在Deform-2D平臺中,上軋輥與不銹鋼層、下軋輥與碳鋼層接觸時,將其摩擦類型設(shè)置為庫倫摩擦,設(shè)定摩擦系數(shù)為0.4.不銹鋼層與碳鋼層接觸時,將其摩擦類型設(shè)置為剪切摩擦,設(shè)定摩擦系數(shù)為0.7.

在本文中,選取結(jié)合面相鄰不銹鋼層和碳鋼層的等效塑性應(yīng)變作為研究對象,如圖2所示。并對文中一些工藝參數(shù)的規(guī)定進行說明:下軋輥的轉(zhuǎn)速保持恒定,通過調(diào)節(jié)上軋輥的轉(zhuǎn)速來改變輥速比。定義輥速比為下軋輥轉(zhuǎn)速與上軋輥轉(zhuǎn)速之比;定義層厚比為不銹鋼層厚度與總厚度之比;使用曲率來描述軋后復(fù)合板的彎曲情況,定義曲率正值表示軋后的板材向碳鋼層一側(cè)彎曲的程度。

圖2 等效塑性應(yīng)變測量單元Fig.2 Equivalent plastic strain measuring unit

2 模擬結(jié)果與分析

在Deform-2D平臺中,采用兩種不同的軋制工藝對碳鋼/不銹鋼板的復(fù)合過程進行模擬。在同步軋制時,壓下率ε=30%,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.15,上下軋輥直徑D=800 mm.在蛇形軋制時,壓下率ε=30%,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.15,上下軋輥直徑D=800 mm,輥速比i=1.04,錯位量d=20 mm.模擬得到兩種軋制工藝下的復(fù)合板材彎曲狀態(tài),如圖3所示。通過圖3的對比,可以明顯看出兩種軋制工藝下軋后板材彎曲狀態(tài)的不同。從圖3(a)中可以看出,采用同步軋制制備碳鋼/不銹鋼復(fù)合板時,復(fù)合板的彎曲程度明顯,這是因為板材上下兩層材料性質(zhì)存在差異以及金屬的流動速度不同;從圖3(b)中可以看出,采用蛇形軋制時,軋后復(fù)合板近似平直,證明了蛇形軋制有調(diào)控復(fù)合板材軋后彎曲方面的能力。

圖3 軋后板材彎曲狀態(tài)對比圖Fig.3 Comparison of bending state of rolled sheet

2.1 不同初始層厚比對軋后復(fù)合板的影響

在不同初始層厚比下軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰層等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。在Deform-2D平臺中模擬,同步軋制工藝參數(shù)為:上下軋輥直徑D=700 mm,壓下率ε=50%,初始板厚H=200 mm;蛇形軋制工藝參數(shù)為:上下軋輥直徑D=700 mm,壓下率ε=50%,初始板厚H=200 mm,輥速比i=1.20,錯位量d=20 mm,初始層厚比n分別為0.20、0.25、0.30、0.35、0.40.根據(jù)模擬結(jié)果,得到了軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰不銹鋼層和碳鋼層的等效塑性應(yīng)變規(guī)律,具體見圖4和圖5.

圖4 兩種軋制工藝下不銹鋼層等效塑性應(yīng)變對比Fig.4 Comparison of equivalent plastic strain of stainless steel under two rolling processes

圖5 兩種軋制工藝下碳鋼層等效塑性應(yīng)變對比Fig.5 Comparison of equivalent plastic strain of carbon steel layer under two rolling processes

從圖4和圖5可觀察到,當(dāng)初始層厚比增大時,結(jié)合面的等效塑性應(yīng)變呈現(xiàn)減小趨勢。這種現(xiàn)象可以歸因于隨著層厚比的增加,結(jié)合面相對于軋板心部的位置更加靠近,因此從軋件表面到內(nèi)部的應(yīng)變呈遞減趨勢。

通過對比兩種軋制工藝,可以得出蛇形軋制相較于同步軋制對結(jié)合面相鄰不銹鋼層和碳鋼層的等效塑性應(yīng)變有更好的提升效果。進一步比對圖4和圖5,可以發(fā)現(xiàn)蛇形軋制對不銹鋼層的等效塑性應(yīng)變提升明顯,而對碳鋼層的提升則較為緩慢。

2.2 不同輥速比對軋后復(fù)合板的影響

在不同輥速比下復(fù)合板彎曲曲率的變化規(guī)律。在Deform-2D平臺中模擬,上下軋輥直徑D=800 mm,壓下率ε=30%,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.3,即不銹鋼層厚度為60 mm,碳鋼層厚度為140 mm,錯位量d=20 mm,輥速比i分別為1.00、1.05、1.10、1.15、1.20、1.25.軋后復(fù)合板的形狀和板材彎曲曲率的數(shù)值列于表2中,相應(yīng)的軋后復(fù)合板彎曲曲率整體變化規(guī)律如圖6所示。

表2 不同輥速比下軋后復(fù)合板材形狀及曲率數(shù)值Tab.2 Shape and curvature value of composite plate after rolling under different roll speedratios

圖6 不同輥速比下軋后復(fù)合板彎曲曲率Fig.6 Bending curvature of composite plate after rolling at different roll speed ratios

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),可以直觀地觀察到軋后復(fù)合板材的形狀變化。隨著輥速比的增大,復(fù)合板整體呈現(xiàn)先向碳鋼層一側(cè)彎曲,然后逐漸趨近平直的狀態(tài),板材形狀逐漸得到改善。在輥速比為1.20時,板材處于平直狀態(tài),當(dāng)輥速比繼續(xù)增加到1.25時,又有開始向不銹鋼層一側(cè)彎曲的趨勢。在圖6中曲率表現(xiàn)為-0.053 7,這表明輥速比并非可以一直增大來用于改善軋后板形。

在不同輥速比下軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰層等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。在Deform-2D平臺中,使用相同的工藝參數(shù)進行模擬。在不同輥速比條件下,模擬得到軋后復(fù)合板結(jié)合面的等效塑性應(yīng)變規(guī)律,具體如圖7所示。

圖7 不同輥速比下復(fù)合板結(jié)合面等效塑性應(yīng)變Fig.7 Equivalent plastic strain of composite plate joint surface under different roll speed ratios

在輥速比i=1.00時,復(fù)合板結(jié)合面相鄰不銹鋼層的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.594,碳鋼層的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.468;而在輥速比i=1.25時,相鄰不銹鋼層的等效塑性應(yīng)變?yōu)?.566,碳鋼層等效塑性應(yīng)變?yōu)?.445.因此,在輥速比從1.25減小到1.00時,碳鋼層的等效塑性應(yīng)變提高了2.3%,而不銹鋼層的等效塑性應(yīng)變提高了2.8%.

2.3 不同壓下率對軋后復(fù)合板的影響

在不同壓下率下軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰層等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。在Deform-2D平臺中模擬,上下軋輥直徑D=800 mm,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.2和n=0.3,輥速比i=1.05,錯位量d=20 mm,壓下率ε分別為30%、35%、40%、45%、50%.在不同壓下率下軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰不銹鋼層的等效塑性應(yīng)變規(guī)律如圖8所示,同樣地,在不同壓下率下軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰碳鋼層的等效塑性應(yīng)變規(guī)律如圖9所示。

圖8 不同壓下率下結(jié)合面不銹鋼層等效塑性應(yīng)變Fig.8 Equivalent plastic strain of stainless steel layer at bonding surface under different reduction rates

圖9 不同壓下率下結(jié)合面碳鋼層等效塑性應(yīng)變Fig.9 Equivalent plastic strain of carbon steel layer at bonding surface under different reduction rates

由圖8和圖9可知,隨著壓下率的增大,結(jié)合面的等效塑性應(yīng)變也呈增大趨勢。這是因為由于壓下率的增大,軋制力也增大,從而出現(xiàn)結(jié)合面的等效塑性應(yīng)變增大的現(xiàn)象。在初始層厚比n=0.2,即不銹鋼層厚度為40 mm,碳鋼層厚度為160 mm,與初始層厚比n=0.3,即不銹鋼層厚度為60 mm,碳鋼層厚度為140 mm時相比,結(jié)合面相鄰不銹鋼層的等效塑性應(yīng)變增大的趨勢更為顯著,且當(dāng)壓下率超過40%后,這種現(xiàn)象愈加明顯。

2.4 不同工作輥直徑對軋后復(fù)合板的影響

在不同工作輥直徑下軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰層等效塑性應(yīng)變的變化規(guī)律。在Deform-2D平臺中模擬,壓下率ε=50%,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.3,輥速比i=1.05,錯位量d=20 mm,工作輥直徑D分別為600 mm、650 mm、700 mm、750 mm、800 mm.得到軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰不銹鋼層和碳鋼層的等效塑性應(yīng)變規(guī)律,如圖10所示。

圖10 不同工作輥直徑下結(jié)合面等效塑性應(yīng)變Fig.10 Equivalent plastic strain of joint surface under different work roll diameters

觀察圖10可明顯看出,隨著工作輥直徑的增大,復(fù)合板結(jié)合面相鄰層的等效塑性應(yīng)變呈現(xiàn)出減小的趨勢。這是因為較大的工作輥直徑與軋板之間有著更大的接觸面積,使得軋輥與板材之間的力分布更均勻,從而減小了結(jié)合面處的等效塑性應(yīng)變。在工作輥直徑從600 mm增加到800 mm的過程中,不銹鋼層的等效應(yīng)變從1.28減小到1.10,降低了18%;碳鋼層的等效應(yīng)變由0.938減小到0.871,降低了6.7%.值得注意的是不銹鋼層的減小幅度更為顯著。

在不同工作輥直徑下復(fù)合板彎曲曲率的變化規(guī)律。通過在Deform-2D平臺上使用相同的工藝參數(shù)模擬,得到了在不同工作輥直徑下軋后復(fù)合板彎曲曲率的變化規(guī)律,如圖11所示。

圖11 不同工作輥直徑下軋后復(fù)合板彎曲曲率Fig.11 Bending curvature of composite plate after rolling with different work roll diameters

根據(jù)圖11可以得出隨著工作輥直徑的增大,曲率呈下降趨勢的結(jié)論。這是因為較大的工作輥直徑使得軋輥與板材之間的接觸長度增加,可以減少板材表面的局部應(yīng)變集中,從而使得軋制過程中板材的變形更為均勻。在工作輥直徑從600 mm增加到800 mm時,曲率數(shù)值由1.649 1減小到-0.169 3,此結(jié)果表明,軋后板材存在更接近平直的狀態(tài)。值得注意的是,當(dāng)工作輥直徑為800 mm時,曲率數(shù)值為-0.169 3,這表明軋后復(fù)合板出現(xiàn)了反彎曲現(xiàn)象,使復(fù)合板向碳鋼層一側(cè)呈現(xiàn)彎曲狀態(tài)。

3 不同軋制工藝下的晶粒大小

在同步軋制與蛇形軋制工藝下進行微觀組織晶粒模擬。在Deform-2D平臺中輸入相同的工藝參數(shù)進行模擬,同步軋制模擬參數(shù)為:上下軋輥直徑D=800 mm,壓下率ε=30%,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.15.蛇形軋制模擬參數(shù)為:上下軋輥直徑D=800 mm,壓下率ε=30%,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.15,輥速比i=1.04,錯位量的d=20 mm.通過在Deform的后處理Microstructure模塊中,模擬得到結(jié)合面晶粒大小的對比情況如圖12所示。

圖12 不同軋制工藝下的結(jié)合面處微觀組織晶粒Fig.12 Microstructure grains at the bonding surface under different rolling processes

圖12(a)中的晶粒尺寸直方圖中的數(shù)據(jù)可以看到最小晶粒尺寸為1.59 μm,平均晶粒尺寸為16.77 μm.圖12(b)中的晶粒尺寸直方圖中的數(shù)據(jù)可以看到最小晶粒尺寸為1.12 μm,平均晶粒尺寸為7.12 μm.數(shù)據(jù)充分說明了,蛇形軋制工藝下復(fù)合板結(jié)合面處的微觀組織晶粒比同步軋制工藝下的更加細小。

圖12中的晶粒圖對比也直觀地表明了,蛇形軋制工藝能夠細化復(fù)合板內(nèi)部的晶粒,從而提高復(fù)合板的結(jié)合強度。這是因為在蛇形軋制的搓軋區(qū)內(nèi)板材會沿厚度方向增加剪應(yīng)力,在強剪切力下較大的晶?？梢缘玫揭欢ǔ潭鹊拇晁?從而達到晶粒細化的效果。

4 結(jié)論

(1)與同步軋制相比,同徑異速蛇形軋制能夠提高軋后復(fù)合板結(jié)合面相鄰層的等效塑性應(yīng)變,降低軋后復(fù)合板彎曲曲率,使復(fù)合板更加平直,具有調(diào)控軋后復(fù)合板彎曲方面的能力。

(2)當(dāng)初始層厚比在0.20～0.40,壓下率在30%～50%范圍內(nèi),增加初始層厚比和壓下率都能夠提高結(jié)合面相鄰層的等效塑性應(yīng)變。當(dāng)初始層厚比n=0.2時,壓下率在40%后,不銹鋼層的等效塑性應(yīng)變都顯著提高。當(dāng)輥速比在1.00～1.25,工作輥直徑在(600～800)mm范圍內(nèi),減小輥速比和工作輥直徑都能夠提高結(jié)合面相鄰層的等效塑性應(yīng)變。與同步軋制相比,結(jié)合面相鄰層的等效塑性應(yīng)變最大可提高57%,最小可提高2.3%.

(3)存在合適的工藝參數(shù)使軋后復(fù)合板材平直,如在軋輥直徑D=800 mm,壓下率ε=30%,初始板厚H=200 mm,初始層厚比n=0.3,錯位量d=20 mm,輥速比i=1.20時得到的板形接近平直狀態(tài)。同時,在壓下率ε=50%,輥速比i=1.05時,增大工作輥直徑也可以降低軋后復(fù)合板彎曲曲率。

(4)蛇形軋制能夠有效細化復(fù)合板內(nèi)部晶粒,相比于同步軋制在提升復(fù)合板強度方面有優(yōu)越的表現(xiàn)。