定寬機弧形板失效分析與國產化

熊 杰，樊建成

(寶鋼股份公司設備部，上海 201900)

0 前言

常見的板坯在線寬度調整方式有三種：結晶器調寬，立輥軋制調寬，定寬壓力機調寬[1-2]。其中定寬壓力機具有調寬效率高、板坯平面形狀好的優點，得到了廣泛的應用。某熱軋廠的定寬機由日本三菱日立公司引進，弧形板為其關鍵零件。國內仿制的弧形板在上機使用僅2月即發生失效，嚴重影響了機組的正常生產。通過對失效弧形板失效宏觀形貌，材料化學成分、機械性能和金相組織的檢驗與分析，得出了弧形板失效的原因并實現了弧形板的國產化制造及使用。

1 弧形板技術要求

定寬機弧形板共有兩種規格，裝機數量4件，分別安裝在曲軸和外塊上，成對使用且弧形面呈線接觸。兩種規格的弧形板僅外形尺寸有差異，見表1，材質、熱處理等技術要求等完全相同。在定寬機側壓板坯的過程中，弧形板不僅承受著巨大的軋制力，成對弧形板之間還存在滾動摩擦和滑動摩擦[3]。

表1 弧形板清單

弧形板如圖1所示，外塊上的弧形板弧形板采用日本牌號SNCM420，國內仿制時采用20CrNi2Mo(JB/T 6395-2010)，經鑄錠、鍛造、鍛后熱處理、粗加工、工作表面(弧形面)滲碳淬火、精加工等工序制成。弧形板弧形面的表面硬度為75～85HS，有效硬化層厚度≥3 mm。

圖1 弧形板三維簡圖

2 弧形板失效分析

由于弧形板為成對使用，故選擇定寬機出口側的一對弧形板(即表1中的1#弧形板和3#弧形板)進行失效分析[4-6]。

2.1 宏觀形貌分析

弧形板的失效宏觀形貌如圖2所示。1#弧形板中間接觸部位表面已嚴重壓潰，3#弧形板中間接觸部位雖未壓潰，但表面存在裂紋。

圖2 失效弧形板的宏觀形貌

2.2 化學成分分析

失效弧形板的化學成分分析結果見表2。

表2 失效弧形板的化學成分 %

由表2可以看出，1#弧形板的化學成分不符合JB/T 6395-2010[7]，3#弧形板的化學成分符合JB/T 6395-2010。

2.3 力學性能檢測

從失效弧形板上取樣加工拉伸試樣和沖擊試樣進行力學性能試驗，結果如表3所示。

表3 失效弧形板的力學性能

檢測結果表明，失效弧形板的屈服強度和抗拉強度與設計圖紙不符。

2.4 硬化層有效深度檢測

沿失效弧形板邊部取樣進行弧形板弧形面表面硬度、基體硬度和硬化層有效深度檢測?；⌒伟灞砻嬗捕仍O計值75～85HS, 硬化層有效深度≥3 mm,檢測結果見表4，硬度梯度曲線如圖3所示。

表4 弧形板的硬度及硬化層有效深度

由圖3可以看出，1#弧形板弧形面的表面硬度為60 HRC(相當于80 HS)，符合設計圖紙要求；基體硬度為210 HV(相當于28 HS)；硬化層有效深度為2.0 mm，與設計圖紙不符；硬度梯度變化較陡。同時，3#弧形板弧形面的表面硬度為60 HRC(相當于80 HS)，符合設計圖紙要求；基體硬度為170 HV(相當于18 HS)；硬化層有效深度為2.0 mm，與設計圖紙不符；硬度梯度變化較陡。

圖3 弧形板硬度梯度

2.5 金相分析

失效弧形板斷面金相組織如圖4所示。

圖4 失效弧形板金相組織(500×)

由圖4可以看出，金相分析結果標明，1#弧形板的滲碳表層為馬氏體+貝氏體組織，基體為珠光體組織；3#失效弧形板滲碳表層為馬氏體+貝氏體組織，基體為珠光體組織，存在一定程度的滲碳深度不均勻[8]。

2.6 失效原因分析

在正常軋鋼生產過程中，兩塊弧形板的弧形面呈線接觸，弧形板需要承受較大的軋制力以及兩塊弧形板之間的摩擦力。

根據失效宏觀形貌，弧形板失效屬于接觸疲勞失效。由于弧形板芯部硬度偏低且硬化層有效深度不足，降低了弧形面接觸強度和承載能力，導致弧形面難以支撐高的接觸應力而產生明顯的塑性變形，并且由于滲碳層與基體的過渡區顯微硬度梯度變化陡，裂紋首先在此處萌生[9-11]。在接觸應力作用下，這些裂紋不斷向表面和沿過渡區擴展最后裂紋由里至表面貫穿，造成弧形面的剝落。這是造成弧形板早期接觸疲勞失效的直接原因。1#弧形板材質與圖紙要求不符不是造成弧形板早期接觸疲勞失效的主要原因。

熱處理工藝控制不當是影響弧形板硬化層有效深度不足、基體硬度低、基體強度差的重要原因[12]，弧形板的加工基準選擇不當是造成弧形板硬化層有效深度不足的另一重要原因。

3 弧形板國產化分析

3.1 關鍵技術分析

20CrNi2Mo是典型的滲碳鋼材料，常用于制造重載齒輪等零件。根據失效分析結果，參考GB/T 3480.5-2008 直齒輪和斜齒輪承載能力計算 第5部分：材料的強度和質量[13]、JB/T 13027-2017重載齒輪滲碳熱處理技術要求[14]等標準，制訂了弧形板國產化技術要求：弧形板坯料的冶金質量按照GB/T 3480.5-2008標準規定的ME級控制；弧形板滲碳前的預備熱處理采用正火+高溫回火處理；弧形板表面滲碳淬火處理，表面硬度75～85 HS，硬化層有效深度≥3 mm，芯部硬度不低于39～51 HS；弧形板的硬化層有效深度應均勻，有效深度偏差<0.5 mm；采用隨爐試樣檢驗硬化層有效深度及其偏差；先以弧形面為粗加工基準加工底平面，然后再以底平面為精加工基準加工弧形面。

3.1.1 芯部硬度的確定

如零件芯部硬度太低，增大了切應力與剪切強度的比值，容易在過渡區萌生裂紋而降低使用壽命[15]。根據JB/T 13027-2017標準的要求，并且便于后續的機械加工，確定弧形板芯部硬度為39～58 HS(相當于27～43 HRC)。

3.1.2 坯料制備

鋼中非金屬材料夾雜直接影響到機械零件的強度、塑性和韌性，同時還影響冷熱加工性能。采用真空脫氣處理可以大大改善鋼材冶金質量[16]。按照GB/T3480.5-2008標準的ME等級要求，弧形板坯料采用真空脫氣+真空澆鑄工藝，嚴格控制有害元素和有害氣體的含量。坯料的有害元素和有害氣體含量的技術要求如表5所示。坯料的鍛造比≥4，保證坯料致密。

表5 坯料中有害元素和有害氣體含量的技術要求/%

3.1.3 熱處理

低碳鋼零件滲碳前的預備熱處理，包括正火、正火加高溫回火、正火加調質處理等[17]。為了改善材料性能，細化材料晶粒，弧形板的預備熱處理采用正火+高溫回火處理。

為了避免弧形板滲碳熱處理后表面產生裂紋等熱處理缺陷，滲碳后的弧形板緩冷至室溫，二次加熱后再進行淬火[18-19]。弧形板的滲碳處理，采用具備碳控系統自動化控制的井式氣體滲碳爐。通過嚴格控制弧形板熱處理的工藝參數，如強滲和擴散期的碳勢和時間、淬火溫度、回火溫度等，滿足其表面硬度、硬化層有效深度以及芯部硬度等技術要求。弧形板入爐后，升溫至930 ℃后進入滲碳處理，強滲期碳勢為1.25%，擴散期碳勢為0.85%；滲碳完畢后，降溫至860 ℃，坑冷至室溫；二次加熱至820 ℃，油淬；回火溫度230 ℃，空冷,如圖5所示。

圖5 弧形板熱處理工藝曲線

3.1.4 機械加工

機械加工定位基準的合理選擇，也是影響弧形板硬化層有效深度的重要因素。為了保證弧形板硬化層有效深度均勻，先以弧形板的弧面作為粗加工基準加工底平面，然后再以低平面作為精加工定位基準加工弧面至圖紙要求[20]。這樣有助于保證弧形板的硬化層有效深度。

3.2 國產化實物的技術指標

按照本文技術要求，試制了2套8塊弧形板，標記為A組(細系、粗系)、B組(細系、粗系)、C組(細系、粗系)、D組(細系、粗系)并對弧形板的化學成分、機械性能、硬化層有效深度等進行了抽樣檢測。

3.2.1 化學成分與非金屬夾雜物

弧形板材料的化學成分與非金屬夾雜物實測值如表6和表7所示。

表6 弧形板材料化學成分/%

表7 弧形板材料的非金屬夾雜物含量等級

檢測結果表明，弧形板材料化學成分和非金屬夾雜物含量符合設計要求。

3.2.2 力學性能

弧形板材料的力學性能檢測結果如表9所示。

表9 力學性能

檢測結果表明，弧形板材料力學性能符合設計要求。

3.2.3 弧形面硬度和硬化層有效深度

弧形板表面硬度設計值75～85HS(56～62HRC)硬度檢測結果見表10。

檢測結果表明，弧形板的表面硬度符合設計要求。通過檢測隨爐試樣，弧形板的硬化層有效深度約為4.1～4.3 mm，硬化層的深度偏差約為0.2 mm，符合設計要求。

4 結束語

通過對失效的宏觀形貌、材料的機械性能及金相組織的檢測與分析，發現弧形板失效的主要原因是基體強度和硬度偏低且硬化層有效深度未達到設計要求。

在失效分析的基礎上，參考滲碳齒輪的技術要求，完善了弧形板國產化的技術要求和制造工藝。8件試制弧形板的性能檢測結果表明國產弧形板符合設計要求，實現了弧形板的國產化。