Cr3支承輥表淬加熱保溫時間與有效淬硬層深度的關系

陳先毅

(二重集團(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間與有效淬硬層深度的關系

陳先毅

(二重集團(德陽)重型裝備股份有限公司，四川618013)

摘要：利用DEFORM軟件模擬計算并結合實測數據，研究了Cr3支承輥表淬加熱時保溫時間對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間與有效淬硬層深度之間的關系圖。

關鍵詞：Cr3支承輥；數值模擬；表面淬火；有效淬硬層深度

當前，Cr5支承輥已經取得了廣泛的應用，但Cr3支承輥在中厚板軋機以及有色軋機上仍占據著重要地位。有效淬硬層深度是支承輥的重要技術指標之一，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險[2]。因此，掌握支承輥表淬加熱保溫時間與有效淬硬層深度之間的關系對指導生產實踐有重要意義。

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。工件經過一定溫度預熱使其進入塑性區后，轉入差溫爐快速升至要求的溫度，然后保溫一定時間得到合適厚度的奧氏體層后出爐淬火。

1.2幾何模型

支承輥屬于回轉體，假定差溫爐加熱時爐溫是均勻的，則計算機模擬時可將三維加熱問題轉換為二維問題，且只需模擬對稱軸的一半即可，如圖2所示。

1.3材料熱物參數

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

材料熱物參數準確性是計算機模擬準確的基礎，本研究的比熱容和相變潛熱數據借用DEFORM模擬軟件自帶材料的數據，其它熱物性參數用JMatPro軟件計算的結果。

1.4網格劃分及換熱邊界

用DEFORM模擬軟件進行網格劃分。因在差溫爐加熱，僅對輥身加熱而輥頸不加熱，因此首先將換熱邊界相應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　差溫爐加熱時換熱邊界

2通過計算機模擬與實測數據結合研究淬硬層深度

2.1淬硬層深度定義

為了方便研究表淬加熱參數與淬硬層深度的關系并將研究結果用于指導生產實踐，對經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)時的距離，如超過該距離，輥身硬度將迅速降低至基體硬度導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時的距離。輥身3HSD的硬度降對應著生產使用中對優質支承輥的要求。

2.2淬硬層深度與奧氏體化層厚度之間關系的建立

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的關系，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度。假設支承輥材料的淬透性和表淬時的冷卻強度是足夠的，則支承輥表淬時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系，進而研究表淬加熱參數與淬硬層深度的關系。

利用計算機對某經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)進行模擬計算，得到了奧氏體含量與距輥身表面距離的關系，如圖4所示。為了研究淬硬層深度與奧氏體化層厚度的關系，將支承輥A實測輥身硬度與距輥身表面距離的關系也列在了圖4中。

從圖4可以看出，硬度在距表面80 mm時隨深度增加開始急劇下降，奧氏體含量隨深度增加出現急劇下降的點為距表面約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準確性的影響；二是模擬計算的奧氏體沒有考慮碳化物在奧氏體中的溶解程度對淬火硬度的影響；三是未考慮不同深度時冷卻強度對淬火硬度的影響。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間的關系

通過計算機模擬可以得到A0.99隨加熱時間的變化關系，進一步利用式(1)、式(2)即可得到支承輥A淬硬層深度隨表淬加熱保溫時間變化的曲線，見圖5。從圖5可以看出，在保溫時間≤1 h時，淬硬層深度均為零，這是因為在這個時間段內，支承輥輥身表面溫度尚未進入奧氏體區。保溫時間超過1 h后，淬硬層深度與保溫時間基本呈線性關系。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間變化的曲線，本文不再一一列出。

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

圖5　支承輥A淬硬層深度與淬火保溫時間的關系曲線

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——Cr3支承輥材料的淬透性和表淬時的冷卻強度是足夠的。但實際上Cr3支承輥材料的淬透性和表淬時的冷卻強度都是有限的，所以當要求的有效淬硬層深度超過某一值時，本文的研究結果將不再適用，而該值是多少還需進一步研究確定。此外，式(1)和式(2)是從輥身直徑為1 606 mm的支承輥導出的，將其推廣應用至其它直徑的支承輥時會有一定的偏差，該偏差程度的確定或對其修正也需對更多實測數據進行研究才能進行。

4結論

通過本文的研究，提出了一種預測Cr3支承輥淬硬層深度的方法，在此基礎上給出了Cr3支承輥不同輥身直徑有效淬硬層深度達到輥身半徑10%時所需保溫時間的曲線，為生產實踐中表淬加熱保溫時間的選擇提供了參考。

參考文獻

[1]康大韜,葉國斌.大型鍛件材料及熱處理[M].北京：龍門書局,1998.

[2]陳先毅.1780mm軋機支承輥置裂原因分析[J]. 大型鑄鍛件,2015(4):23-25.

[3]楊萍，陳先毅，等.3500mm爐卷軋機支承輥斷裂原因分析[J].大型鑄鍛件，2014(1)：27-33.

[4]李勇，陳先毅，等.基于實測溫度的特大型支承輥溫度場模擬參數的優化[J].大型鑄鍛件，2015(5)：9-11.

[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。電話：15196387217，E-mail：chenxianyi1983@163.com

收稿日期：2015—10—19

中圖分類號：O242.1

文獻標志碼：B