20CrMnTi齒輪鋼棒材控軋控冷工藝的優(yōu)化

(中天鋼鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，常州 213000)

0 引 言

20CrMnTi鋼具有晶粒長大傾向小、成本可控、生產(chǎn)工藝成熟等特點(diǎn)，是目前國內(nèi)使用最廣泛的齒輪鋼之一[1]，主要用來制造汽車、工程機(jī)械、農(nóng)用機(jī)械上的齒輪零件。在20CrMnTi齒輪鋼棒的生產(chǎn)過程中，鋼棒硬度的波動(dòng)以及組織的不均勻性是生產(chǎn)廠家經(jīng)常遇到的問題,這些問題不利于齒輪鋼產(chǎn)品加工工藝的穩(wěn)定及成本的控制[2]。

目前，有關(guān)改善20CrMnTi齒輪鋼顯微組織均勻性及硬度穩(wěn)定性的研究主要集中在碳偏析、合金元素分布、軋后冷卻工藝等方面[3-5]，也有研究者從控軋控冷過程的軋制溫度、軋后冷卻速率、終冷溫度方面對(duì)20CrMnTi齒輪鋼組織與硬度進(jìn)行了相關(guān)研究[6-7]。但是有關(guān)控軋控冷過程中的應(yīng)變分布以及軋制過程與冷卻過程的一體化等報(bào)道較少，而將控軋控冷過程中的溫度與應(yīng)變相結(jié)合進(jìn)行模擬計(jì)算和分析的報(bào)道更少。作者對(duì)采用控軋控冷工藝生產(chǎn)的20CrMnTi齒輪鋼的組織與硬度進(jìn)行研究，采用Deform軟件對(duì)20CrMnTi齒輪鋼棒控軋控冷過程進(jìn)行有限元模擬，得到軋制及冷卻過程中鋼棒的溫度與等效應(yīng)變分布，并根據(jù)模擬結(jié)果提出降低組織和硬度不均勻性的優(yōu)化工藝，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為某廠生產(chǎn)的規(guī)格φ36 mm的20CrMnTi齒輪鋼棒，其控軋控冷工藝為：將精軋后的鋼材通過2個(gè)水箱進(jìn)行穿水冷卻，其中1#水箱位于KOCKS機(jī)組進(jìn)口前40 m處，2#水箱位于KOCKS機(jī)組進(jìn)口前30 m處；鋼材進(jìn)水箱前的溫度為960970 ℃，然后在KOCKS機(jī)組上進(jìn)行軋制，終軋溫度為880 ℃，再通過2個(gè)水箱進(jìn)行穿水冷卻，隨后進(jìn)入冷床區(qū)域進(jìn)行冷卻。

在軋制過程中，分別利用在線紅外測(cè)溫儀測(cè)鋼棒表面的溫度。在鋼棒徑向的近表面、1/2半徑和心部處取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Axio Imager A2m型光學(xué)顯微鏡觀察鋼棒不同位置的顯微組織。采用HBE-3000A型硬度計(jì)測(cè)鋼棒不同位置的硬度，載荷為7 500 N，保載時(shí)間為15 s，相同位置測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

由圖1可知：20CrMnTi鋼棒表面與1/2半徑處的顯微組織均為鐵素體與珠光體，心部組織為鐵素體、珠光體及大量貝氏體。

圖1 20CrMnTi鋼棒徑向不同位置的顯微組織Fig.1 Microstructures in different radial positions of 20CrMnTi steel bar: (a) surface, at low magnification; (b) 1/2 radius, at low magnification; (c) center, at low magnification; (d) surface, at high magnification; (e) 1/2 radius, at high magnification and (f) center, at high magnification

試驗(yàn)測(cè)得20CrMnTi鋼棒表面、1/2半徑處、心部的平均硬度分別為192，198,215 HBW?？芍?0CrMnTi鋼棒表面與1/2半徑處的硬度較接近，而心部硬度明顯高于其他部位的，這與鋼棒不同位置的顯微組織不同有關(guān)，貝氏體組織的硬度高于鐵素體與珠光體的。

3 控軋控冷工藝的優(yōu)化

3.1 有限元模型的建立

采用Pro/E三維造型軟件建立控軋控冷模型，導(dǎo)入到Deform-3D軟件前處理模塊中建立三維有限元軋制模型。在孔型擠壓機(jī)擠壓與摩擦的綜合作用下，軋件發(fā)生復(fù)雜的彈塑性變形，其變形程度及應(yīng)力分布受材料變形抗力曲線的直接影響，因此材料模型是反映軋件實(shí)際軋制狀態(tài)的關(guān)鍵。變形抗力是與變形溫度、應(yīng)變速率和應(yīng)變有關(guān)的函數(shù)。選用Deform材料庫中的AISI4120材料，設(shè)定軋件為塑性體，軋件直徑為36 mm，假設(shè)軋件進(jìn)水箱前的溫度均勻，為970 ℃。軋件模型的網(wǎng)格劃分及溫度分布云圖如圖2所示。根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)，1#水箱傳熱系數(shù)為1.0 W·m-2·K-1，2#水箱傳熱系數(shù)為0.6 W·m-2·K-1，空氣的傳熱系數(shù)為0.025 W·m-2·K-1，將KOCKS機(jī)組中的軋輥設(shè)置為剛性體。

圖2 軋件模型網(wǎng)格劃分及溫度分布云圖Fig.2 Element meshing and temperature contour forrolling bar model

圖3 模擬得到棒材在穿水與軋制過程中不同位置的溫度-時(shí)間曲線與試驗(yàn)得到不同時(shí)間時(shí)的表面溫度Fig.3 Simulated temperature vs time curves in different positions and tested surface temperatures at different times of bar during water box and rolling process

3.2 有限元模擬結(jié)果

由圖3可知，模擬得到的棒材在穿水與軋制過程中的表面溫度隨時(shí)間的變化曲線與試驗(yàn)結(jié)果相吻合，說明模型較準(zhǔn)確。由模擬結(jié)果可得到棒材不同位置進(jìn)KOCKS機(jī)組時(shí)的溫度與出機(jī)組時(shí)的溫度，結(jié)果如表1所示。由表1可知，經(jīng)KOCKS機(jī)組軋制后，軋件表面、1/2半徑處、心部的溫度分別升高了28，23，16 ℃。

由圖4可以看出,棒材在冷床冷卻過程中，在630～670 ℃之間出現(xiàn)冷卻速率明顯降低的現(xiàn)象。由于相變?yōu)榉艧岱磻?yīng)，可知冷床上棒材的實(shí)際相變溫度約為650 ℃。由模擬結(jié)果計(jì)算在冷床冷卻過程中溫度下降至650 ℃，即冷卻至相變溫度過程中棒材不同部位的冷卻速率，結(jié)果如表2所示。由表2可知，棒材表面、1/2半徑處及心部的冷卻速率差別不大。這與文獻(xiàn)[6]中的研究結(jié)果一致。

表1 模擬得到棒材不同位置的進(jìn)KOCKS機(jī)組溫度和出KOCKS機(jī)組溫度

圖4 模擬得到冷床冷卻過程中棒材不同位置的溫度-時(shí)間曲線及試驗(yàn)得到不同時(shí)間時(shí)的表面溫度Fig.4 Simulated temperature vs time curves of different positions and tested surface temperatures at different times of bar during band cooling process

表2 模擬得到冷床冷卻過程中溫度下降至650 ℃時(shí)棒材不同部位的冷卻速率

由圖5可知，在軋制過程中，棒材的變形主要發(fā)生在其表面及1/2半徑處，且隨著距表面距離的增加，等效應(yīng)變減小。在整個(gè)軋制過程中，棒材心部的等效應(yīng)變始終最小。在控軋過程中，棒材在未再結(jié)晶區(qū)進(jìn)行軋制，組織中出現(xiàn)位錯(cuò)和晶格畸變，使得過冷奧氏體冷卻轉(zhuǎn)變曲線向左上方向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)棒材組織的改善[8]。

由圖6可知，在整個(gè)軋制過程中，棒材心部的溫度最高，1/2半徑處和表面的溫度依次降低，且隨著軋制過程的進(jìn)行，心部溫度逐漸升高。結(jié)合等效應(yīng)變?cè)茍D可知，棒材表面的控軋效果最好，1/2半徑處的次之，心部的最差。軋制過程中棒材表面與心部溫度及應(yīng)變的差異是導(dǎo)致心部貝氏體組織難以消除的重要原因，因此可通過降低終軋溫度，使棒材心部溫度降低，同時(shí)使得變形向心部滲透，增加心部應(yīng)變量以增加心部的位錯(cuò)與晶格畸變，從而達(dá)到消除心部貝氏體組織的目的。

圖5 模擬得到不同道次軋制時(shí)棒材的等效應(yīng)變?cè)茍DFig.5 Equivalent strain contours of bar during rolling for different passes: (a) 1st pass; (b) 2nd pass; (c) 3rd pass and(d) 4th pass

圖6 模擬得到不同道次軋制時(shí)棒材的溫度云圖Fig.6 Temperature contours of bar during rolling for different passes: (a) 1st pass; (b) 2nd pass; (c) 3rd pass and (d) 4th pass

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述分析結(jié)果，在生產(chǎn)現(xiàn)場將終軋溫度設(shè)置為840 ℃，對(duì)20CrMnTi齒輪鋼棒材進(jìn)行控軋控冷，生產(chǎn)結(jié)束后對(duì)棒材的組織和硬度進(jìn)行觀察與測(cè)試。由圖7可知，在終軋溫度840 ℃下控軋控冷后，棒材不同部位的組織均由鐵素體與珠光體組成，組織不均勻性得到明顯改善。棒材表面、1/2半徑處與心部的平均硬度分別為182,188,190 HBW，硬度分布變得均勻。

4 結(jié) 論

(1) 采用實(shí)際控軋控冷工藝，20CrMnTi齒輪鋼棒表面與1/2半徑處的顯微組織均為鐵素體與珠光體，心部組織為鐵素體、珠光體及大量貝氏體，心部硬度明顯高于其他部位的。

圖7 采用優(yōu)化工藝控軋控冷后20CrMnTi齒輪鋼棒材不同部位的顯微組織Fig.7 Microstructures of different locations in 20CrMnTi gear steel bar after controlled rolling and cooling with optimized process: (a) surface, at low magnification; (b) 1/2 radius, at low magnification; (c) center, at low magnification; (d) surface, at high magnification; (e) 1/2 radius, at high magnification and (f) center, at high magnification

(2) 模擬得到20CrMnTi齒輪鋼棒材在控軋控冷過程中的變形主要發(fā)生在其表面及1/2半徑處，且隨著距表面距離的增加，等效應(yīng)變減小;棒材心部的溫度最高，1/2半徑處和表面的溫度依次降低，且隨著軋制過程的進(jìn)行，心部溫度逐漸升高；棒材表面的控軋效果最好，1/2半徑處的次之，心部的最差。

(3) 將終軋溫度由原來的880 ℃降低至840 ℃控軋控冷后，20CrMnTi齒輪鋼棒材不同部位的組織均由鐵素體與珠光體組成，表面、1/2半徑處與心部的平均硬度分別為182,188,190 HBW，降低終軋溫度有效改善了硬度和組織的不均勻性。