大断面轴承钢控轧控冷工艺的模拟与分析

2010-04-20

　作者：李胜利，徐建忠，王国栋，刘相华

（东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室）

　　在冷却过程中，释放相变潜热将影响到温度的控制，由于热容量较大，采用高温终轧及轧后快速冷却的方式，显然不适合于大断面圆钢；而终轧温度过低，又对轧机的能力形成挑战。因此，本文结合大连金牛股份初轧厂的轴承钢生产实际，研究了在850℃较低温度终轧，轧后控冷的工艺制度，并且利用ANSYS有限元分析软件，模拟了大断面轴承钢在各种冷却工艺条件下虑相变潜热的温度场分布规律，为大断面轴承钢在线控冷工艺代替轧后正火处理控制网状碳化物提供依据。
　　1. 热模拟实验方案
　　利用轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的Gleeble 1500热模拟实验机，可以模拟轧件的不同热轧生产工艺，再配合轧后轧件的显微组织分析，能为合理工艺制度的制定提供依据。实验材料取自现场热轧线材，加工成D8mm×15mm的圆柱形试样，其化学成分见表1。结合现场生产实际，热模拟实验方案如图1所示。首先将试样加热到1100℃，保温3min，以便碳化物能充分溶解到奥氏体中，然后在1000℃给予26.7%的变形；在850℃给予18%和22%的双道次变形，并在0.2～10℃/s温度区间内以不同的速度冷却到600～750℃，再经水冷淬火，分析组织，利用光学显微镜观察碳化物析出情况。

1 试样的化学成分（质量分数） %

　　图1 　热模拟实验方案

　　2. 实验结果与分析
　　冷却到600℃的水淬组织如图2所示。以850℃变形后、冷却速度小于3℃/s时，金相组织为珠光体+网状碳化物+残余奥氏体，没有消除碳化物网（图2a）。随冷却速度的增加，碳化物网析出的程度急剧下降，冷却速度为1℃/s时，碳化物呈断续的网状（图2b）；冷却速度大于3℃/s时，基本抑制网状碳化物的出现（图2c，2d）。可见，冷却速度是影响碳化物析出的主要因素。因为冷却并不能消除碳化物网，冷却速度仍然是影响碳化物析出的主要因素。因此，以850℃终轧变形后，为了抑制网状的析出，冷速应以3℃/s左右为宜。

（a）—015℃/s；（b）—1℃/s；（c）—3℃/s；（d）—5℃/s
图2 　不同速度冷却到600℃时的水淬组织

　　3. 温度场有限元分析
　　轧件在轧后温降的过程中，要经历从奥氏体到珠光体的相变过程，同时释放相变潜热。研究表明，快速冷却过程的潜热高于加热时的相变潜热，在组织转变和性能预报中必须考虑相变潜热影响。处理结晶潜热常用的方法有三种，即等效热量法、等效热容法和比热焓法。本文中采用比较简便的等效热容法，将潜热释放的影响施加在比热容曲线上，如图3所示。

图3 　比热随温度的变化曲线

　　把圆钢看成是无限长圆柱体，所以其温度场的计算可以利用二维轴对称简化处理。在ANSYS有限元模型中采用PLANT55单元，如图4 所示。计算初始条件为D60mm，D70mm和D80mm的圆钢，终轧温度850℃，轧后采用分段水冷工艺。边界条件的确定利用了实验室水冷装置给予测定。其不同冷却条件下不同直径的圆钢心部、1/4D、边部的温度场计算结果如图5所示。轴承钢断面越大，在快速冷却过程中，表面与心部的温差越大（Z大温差约450℃），心部冷却越困难。

图4 　有限元网格划分

（a）—D60mm；（b）—D70mm；（c）—D80mm
图5 　不同工艺冷却过程温度场变化

　　采用轧后分段水冷工艺，可以加快轴承钢的冷却速度，尤其是心部的温降速度，结合现场冷却工艺条件，急冷表面温度不能低于350℃。不同断面、不同冷却工艺时平均温降速率计算结果如图6所示。D80mm的圆钢，心部温降速率小于3℃/s；直径在D60mm以下的圆钢，通过冷却强度与冷却制度的合理匹配，可以控制心部的冷速达到3℃/s，从而抑制碳化物析出网状行为、提高其使用性能。

图6 　不同直径圆钢的平均温降速率

　　4. 结论
　　（1）热模拟实验表明，冷却速度是影响轴承钢碳化物析出的主要因素，在850℃终轧变形后，为了抑制网状的析出，冷却速度应以3℃/s左右为宜。
　　（2）轴承钢断面越大，在快速冷却过程中，表面与心部的温差越大，以D70 mm 以上的为例，即使采用多次中等强度水冷工艺，其Z大温差也接近450℃，造成心部冷却困难。
　　（3）D60mm以下的圆钢，通过轧后2～3次水冷与中等冷却强度的合理匹配工艺，可以控制心部的冷速达到3℃/s，同时又保证表面和心部的温差在400℃以内来防止因温度应力引起的表面裂纹，从而抑制碳化物析出网状行为。