軋制極薄材料的Cr5型鍛鋼工作輥及其制備方法的研發

王德山，陳銘宏，陳尤旭

（蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州215131）

1 淬火工藝

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

1.1 差溫熱處理

差溫熱處理工藝是將普通加熱爐內的工件轉移放置到預熱好的差溫加熱爐內，再采用快速加熱的方法對工件進行加熱，使得工件表面的溫度能夠迅速升高，可達到奧氏體溫度以上。差溫熱處理工藝可讓工件表面先實現奧氏體相變，并且達到細化工件組織的目的。

1.2 噴霧淬火

噴霧淬火冷卻形式的優點是其可控性較好和調節更靈活，它可以通過控制具有一定壓力的水和壓縮過的空氣在噴嘴中按特定比例混合，然后再以氣態霧狀的形式噴到工件上，從而可達到冷卻的目的。

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程共分為7個階段。

1）低溫預先加熱。將工作輥放入普通加熱爐中進行加熱，溫度應控制在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。在低溫預先加熱結束后，以20 ℃/h左右的加熱速度對普通加熱爐進行加熱，使其溫度達到500～600 ℃之間。為了確保工作輥不會產生熱應力，需要將其保持此溫度10 h，有助于工作輥自身內外都處于較高的溫度下，使其可以受熱均勻。

3）轉移至差溫爐中進行加熱。工作輥在普通加熱爐中保溫階段結束之后，迅速將其轉移到差溫爐中進行加熱，為了彌補轉移時出現的熱量損失，應在差溫爐中對工作輥進行大約2 h的預熱。

4）在差溫爐中進行快速加熱。差溫爐中預熱結束后，以大約150～250 ℃/h的加熱速度迅速升高爐內溫度，采用這種加熱方式的目的是使工作輥表面溫度快速達到奧氏體化，而內部的溫度不會發生很大的變化。

5）高溫階段保持溫度。首先，在1000～1050 ℃進行3 h的保溫過程，然后，迅速將爐內溫度下降至900～970 ℃，此過程持續2 h。通過這兩個階段的保溫過程，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）噴霧冷卻過程。工作輥在高溫階段加熱之后，采用輥身噴霧的方法對其表面進行緩慢的降溫。

7）回火過程。工作輥在低溫階段進行加熱10 h，然后保溫80 h，最后在爐內進行冷卻。回火過程有助于工作輥降低殘余應力。

依據此熱處理工藝路線，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]

根據上文對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階段的過程。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，保溫過程持續10 h；2）保溫階段結束后，對普通加熱爐進行加熱，加熱速度為每小時20 ℃，將爐內溫度上升至550 ℃；3）當普通加熱爐內的溫度達到了550 ℃時，停止加熱再次進入保溫階段，保溫過程為10 h；4）保溫階段結束后，將Cr5型鍛鋼工作輥轉移到差溫加熱爐中；5）將差溫加熱爐的溫度設置到550 ℃，對Cr5型鍛鋼工作輥進行保溫，持續2 h；6）保溫階段結束后，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 ℃時停止加熱；7）當差溫加熱爐中的溫度達到了1000 ℃時，進入保溫階段，持續3 h；8）當差溫加熱爐內的溫度下降到900 ℃時，繼續對工作輥進行保溫，持續2 h；9）最后，采用噴霧淬火的方式對Cr5型工作輥進行表面降溫，持續時間為4 h。

2 模型的建立與網格的劃分

2.1 幾何模型的建立

本文對所研究的Cr5型鍛鋼工作輥進行結構尺寸的設計，其平面尺寸如圖2所示。Cr5型鍛鋼工作輥的1/8幾何結構模型如圖3所示。該工作輥是利用SolidWorks建模軟件進行結構模型的設計，在模型設計的過程中，將工作輥各部分都設計成圓柱形面，可以優化工作輥網格劃分及計算模擬的精確度。

圖2 Cr5鍛鋼工作輥平面尺寸圖[1]

2.2 有限元網格的劃分

HYPERMESH 是ALTAIR HYPERWORKS 的應用模塊之一[2]，該軟件可以對所設計的Cr5型鍛鋼工作輥的幾何模型進行前處理，得到更為規則的網格。

1）網格劃分的優點。該軟件網格處理質量好，且速度快，自行修改度高，便于后期的網格處理。

2）幾何模型的前處理。為了得到質量更高的網格，需要對幾何模型進行前處理，便于后期能夠劃分更為規則的網格。

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

本文研究的Cr5型鍛鋼工作輥結構模型較為規則，對模型的邊線進行前處理之后，可將模型進行部分拆分，然后采用掃掠的方式對模型以六面體網格的形式進行劃分，所得到的網格模型質量更高。網格劃分后的結果如圖4所示。

3 有限元模擬軟件DEFORM-3D

DEFORM-3D是一款有限元數值模擬軟件，在Cr5型鍛鋼工作輥的熱處理過程中，采用了加熱淬火和噴霧淬火，利用該軟件對這兩個階段進行數值模擬分析。下面將介紹該軟件相關的應用。

3.1 DEFORM-3D 軟件的系統模塊

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用[3]。該軟件的用戶操作界面功能齊全，便于研究者進行數據的研究分析及工藝的分析處理。該軟件的系統模塊組成部分[4]如圖5所示。

圖3 Cr5型鍛鋼工作輥的1/8 幾何結構模型

圖4 Cr5鍛鋼工作輥網格模型圖

圖5 DEFORM-3D的系統模塊

3.2 DEFORM-3D在熱處理工藝中的應用

DEFORM-3D軟件可模擬Cr5型鍛鋼工作輥在熱處理中的數值模擬。在淬火過程中，該軟件能夠很好地預測工作輥的硬度情況，并且能有效地模擬微觀結構晶粒發生的變化特征情況。

DEFORM-3D軟件可模擬在熱處理中發生的溫度場、組織場及應力場的非線性耦合過程。耦合過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力及應力對相變應變、相變內能、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流邊界條件，可實現工作輥的數值模擬過程。工作輥的幾何尺寸、形狀及加工環境都會對換熱邊界條件產生影響，因此本文采用輻射換熱的對流換熱系數。對流換熱系數表達式為

式中：Gr為Grashof數；Pr為Prandtl數；C、n為常數項。

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

4 Cr5鋼的材料性能參數

通過研究分析得出Cr5型鍛鋼工作輥的化學成分、熱物性參數、力學性能參數及相變塑性參數等。

4.1 Cr5鋼的化學成分

Cr5型鍛鋼主要的化學成分質量百分比如表2所示。

表2 Cr5型鍛鋼用鋼的化學成分質量百分比[3] %

4.2 Cr5鋼的熱物性參數

表3列舉了Cr5型鍛鋼熱物性參數隨溫度的變化關系。

4.3 Cr5鋼的力學性能參數

4.4 Cr5鋼的相變塑性參數

本文研究的Cr5型鍛鋼工作輥在數值模擬中采用的是Greenwood-Johnson模型的優化模型，其表達式為

表4 Cr5鋼的力學性能參數[9]

表5 Cr5鋼的高溫瞬時拉伸性能[9]

式中：εtp為相變塑性應變；k為相變塑性參數；ζ為新相生成物的質量百分比；σ為應力。其中相變塑性應變εtp與應力σ具有非常高的線性相關度，由此可將相變塑性參數近似認作是常數，其值可為7.918 75×10-5[10]。

5 結語

本文研究一種新型Cr5型鍛鋼工作輥，由碳、硅、錳、磷、硫、鎘、鉬、釩、鐵和其他雜質等化學成分以不同的質量百分比組成。此Cr5型鍛鋼工作輥在硬度、強度及耐磨性等方面具有高性能的優點，利用此工作輥可軋制極薄材料的高質量產品。本文對該Cr5型鍛鋼工作輥的制備工藝進行了研究，介紹了熱處理的工藝過程，并且建立Cr5型鍛鋼工作輥的幾何結構模型和有限元網格模型，最后研究分析了Cr5型鍛鋼工作輥在淬火過程中的材料性能參數。