数值模拟在支承辊调质工艺优化中的应用

郭 峰，白兴红，张雪姣，赵晓龙

支承辊是轧钢设备的重要零件，消耗量大，其中带钢轧机支承辊的国内需求量约1 600 支/a[1、2]。鉴于支承辊产品特殊的使用性能，要求辊身工作层具有高耐磨性、抗疲劳性，心部要具有良好的强韧性。一般支承辊产品需经过锻后热处理、预备热处理（调质） 和差温热处理三次热处理，耗时较长，生产效率低。为缓解支承辊量大，热处理炉紧张的状况，在保证工件热处理质量及生产安全前提下，需对热处理工艺进行优化。

随着计算机技术和热处理数值模拟技术的发展，基于大型铸锻件热处理过程的数值模拟研究越来越多[3～5]。本文通过建立Cr5 型锻钢支承辊在调质回火保温阶段的温度、组织、应力演变及相互耦合的数学模型，对两种规格支承辊调质回火工艺进行数值模拟，确定工艺优化方向。

1 有限元模型的建立及判断依据

本文以辊身直径Ø1 325 mm、Ø1 705 mm 两种规格支承辊为研究对象，建立轴对称模型。考虑支承辊热处理过程中的珠光体、贝氏体、马氏体相变、相变膨胀等对残余应力的影响，将各组织的热、力学性能分别设置为随温度变化的参数。

在预备热处理过程中，大型支承辊锻件经淬火处理后进行回火热处理，回火保温的目的[6]：①消除或降低淬火冷却过程中产生的内应力；②获得稳定的回火组织。因此，下述内容为调整回火保温时间的参考依据：①回火转变以原子扩散为基础，以贝氏体、马氏体组织保温时间＞20 h 作为淬火组织转变完全的依据；②保温过程中工件内应力趋向稳定，这里选取最大主应力为参考；③支承辊完成调质热处理后出炉时，不同保温时间工艺条件下的应力场对比。

本文以“低温保持（250～300 ℃） 阶段”的珠光体体积百分含量90%以上的区域（尚有少量贝氏体或马氏体） 为分析对象，回火保温＞20 h。Ø1 325 mm、Ø1 705 mm 支承辊传统调质回火保温时间为50～100 h（见图1）。

图1 支承辊调质回火工艺

2 Ø1 705 mm 支承辊热处理数值模拟

2.1 低温保持阶段的组织场

以“低温保持”阶段的组织场作为分析对象（见图2）。支承辊表面多为马氏体、贝氏体，辊身内部为珠光体组织，P1、P2、P3 为珠光体体积百分含量90%的3 处位置，该区域内尚有少量贝氏体或马氏体组织。

2.2 回火保温时间

提取珠光体体积百分含量90%时三处位置P1、P2、P3 的温度场数据，600 ℃保温过程中，P1、P2、P3 三处达到595 ℃所用时间分别为40 h、35 h、25 h（见图3）。为保证淬火组织转变完全，595～600 ℃下继续保持20 h，得到回火保温时间应≥60 h。

2.3 回火保温过程中的应力场

根据工件在调质回火保温时的应力场分布可知，P1 点距离辊身心部235 mm，回火过程中该处的主应力最大，P2 点主应力相对也较高（见图4）。

图4 回火保温过程中应力分布

由P1、P2 两处的最大主应力随保温时间的变化可以看出，应力值随保温时间增加而逐渐趋于稳定（见图5）。

图5 回火保温过程中的最大主应力

P1 点最大主应力在保温42 h 时为350 MPa，保温60 h 时为342 MPa，保温80 h 时为341 MPa。P2 点最大主应力在保温28 h 时为330 MPa，保温60 h 时为324 MPa，保温80 h 时为323 MPa。可知，60～80 h 的回火保温时间对工件的应力影响不大。

2.4 空冷至室温时的应力场

采用不同保温时间回火后，得到工件空冷至室温时的残余应力分布（见图6）。可以看出，残余应力几乎没有差别，即60～80 h 的回火保温时间对工件的残余应力影响不大。

图6 Ø1 705 mm 支承辊回火结束后空冷至室温下的残余应力场

3 Ø1325 mm 支承辊热处理数值模拟

3.1 低温保持阶段的组织场与温度场

以“低温保持”阶段的组织场作为分析对象，对应组织场为珠光体体积百分含量90%的P1、P2、P3 位置（见图7）。

图7 珠光体体积百分含量大于90%区域（红色区）

由565 ℃保温过程的温度曲线可知，三处温度变化基本重合（见图8）。565 ℃保温20 h 时，三处温度分别达到561、560、559 ℃，为保证淬火组织转变完全，565 ℃温度下继续保持20 h 计算，则回火保温时间≥40 h。

图8 回火保温过程中三点温度变化

3.2 回火保温过程中应力场

根据工件在调质回火保温时的应力场分布可知，距离辊身心部210 mm 处P1 点在回火过程中的主应力最大（见图9）。

图9 回火保温过程中应力场

由P1 处的最大主应力随565 ℃保温时间的变化可以看出，保温25 h 时，P1 应力值210 MPa；继续延长保温时间，应力值趋于稳定。保温时间40～60 h 内，最大主应力值相同（见图10）。说明40～60 h 的回火保温时间对工件应力的影响不大。

图10 回火保温过程中的最大主应力

3.3 空冷至室温时的应力场

采用不同保温时间回火完成后，得到工件空冷至室温时的残余应力分布（见图11），可知40～60 h 的回火保温时间对工件的残余应力影响不大。

图11 Ø1 325 mm 支承辊回火空冷残余应力分布

4 结 语

（1） 辊身直径Ø1 705 mm 的支承辊回火保温时间缩短为60～80 h，工件最大主应力值基本保持一致。

（2） 辊身直径Ø1 325 mm 的支承辊回火保温时间缩短为40～60 h，工件最大主应力值基本保持一致。

（3） 根据数值模拟结果，对辊身直径Ø1 000～Ø1 700 mm 支承辊的调质回火工艺进行优化，缩短热处理生产周期，取得良好效果。