cr5钢支承辊水-空交替淬火过程数值模拟与实验

1、Cr5 钢支承辊水-空交替淬火过程数值模拟与实验 王葛 刘胜强 胡鑫 陈博伟 李磊 李强 国家冷轧板带装备及工艺工程技术研究中心燕山大学 河北工业大学材料科学与工程学院 摘 要： 利用数值模拟技术对 Cr5 钢支承辊的水-空交替淬火过程进行了研究。通过实验测得了 Cr5 钢支承辊的材料性能参数, 利用 DEFORM 软件分析了空冷时间、水冷时间等影响因子对 Cr5 钢支承辊在水-空交替淬火过程中温度场、组织场以及应力场的影响, 获得了满足支承辊使用需求的水-空交替淬火工艺, 并与连续喷雾淬火工艺进行了物理模拟实验对比。结果表明:与连续喷雾淬火+回火工艺处理相比, Cr5 钢试样经水-空交替淬火+回火工艺处理后的硬度降低了约 2.54%, 但伸长率以及冲击韧性分别提高了约 6.34%和 16.67%。水-空交替淬火工艺既保证了 Cr5 支承辊的硬度和强度等性能指标, 又提高了其淬火后组织中的残留奥氏体含量, 从而可使其塑性和韧性得到一定程度的提升。关键词： Cr5 钢; 支承辊; 水-空交替淬火; 数值模拟; 作者简介：王葛 (1975) , 男, 教授, 主要从事材料热处理过程中的温度

2、场、组织场与应力场研究, 发表论文 40 余篇, E-mail:。作者简介：李强 (1962) , 男, 教授, 主要从事材料热处理过程中的温度场、组织场与应力场研究, 发表论文 80 余篇;电话:0335-8063946;E-mail:。收稿日期：2017-06-09基金：河北省自然科学基金 (E2016203119) Numerical simulation and experimental of water-air alternating quenching process for Cr5 steel backup rollWANG Ge LIU Sheng-qiang HU Xin CHEN Bo-wei LI Lei LI Qiang National Engineering Research Center for Equipment and Technology of Cold Strip Rolling, Yanshan University; Abstract： Numerical simulation technology was used to study the

3、water-air alternating quenching process of Cr5 steel backup roll. The material performance parameters of the Cr5 steel backup roll were measured, and the influence of air cooling time and water cooling time on temperature field, microstructure field and stress field in the quenching process of Cr5 steel backup roll was analyzed by DEFORM software.A new water-air alternating quenching process which can meet the using requirement of the backup roll was obtained and compared with the continuous spr

4、ay quenching process by physical simulation experiments. The results show that compared with continuous spray quenching and tempering process, the hardness of the Cr5 steel after heat treatment by water-air alternating quenching and tempering process decreases by2. 54%, but the elongation and the impact toughness increase by 6. 34% and 16. 67%, respectively. The Cr5 backup roll after heat treatment by water-air alternating quenching process can not only meet the hardness and strength using requi

5、rements but also improve the content of retained austenite in the microstructure after quenching, resulting in the improvement of its plasticity and toughness.Keyword： Cr5 steel; backup roll; water-air alternate quenching; numerical simulation; Received： 2017-06-09支承辊在产品的轧制过程中起着支撑工作辊或中间辊的作用, 可以防止因工作辊的变形而影响轧制产品质量。热处理是支承辊生产过程中不可或缺的重要工艺, 也是提高其使用性能的重要方法。Cr5 钢支承辊的热处理工艺主要包括锻后热处理、预备热处理和最终热处理, 其中最终热处理是决定其使用性能的最关键工艺1。水-空交替冷却是在高温阶段利用水较强的冷却能力并在低温阶段利用空气较弱的冷却能力, 通过多次循环的冷却方式, 来获得理想组织的一种淬火工艺2, 其思想来源于淬火-碳分配 (Q-

6、P) 工艺3。通过水-空交替淬火技术, 既可以得到马氏体, 也可以得到一定量的稳定残留奥氏体, 使淬火工件兼具高硬度、高强度和高韧性等优良的服役性能。上海交通大学的陈乃录等4率先展开了水-空交替淬火工艺及设备研究;任之兰等5对大型石油套管研究发现, 通过水-空交替淬火工艺可使其韧性得到较大提高, 从而提高石油套管的抗断裂能力;苏程等6对采油机曲轴进行研究发现, 利用水-空交替淬火工艺可以大幅提高曲轴的塑性和韧性, 从而降低其开裂可能性, 提高其服役寿命。本文设计了 Cr5 钢支承辊的 4 种不同水-空交替淬火工艺, 并利用数值模拟技术7, 研究了其内部温度场、组织场及应力场等各场量的演化过程, 文中所取得的研究成果可为 Cr5 钢支承辊的实际淬火生产工艺制定及优化提供参考。1 Cr5 钢支承辊热处理过程数值模拟1.1 温度场数学模型1) 支承辊三维非稳态传热温度场模型为:式中, T 为瞬时温度;t 为导热时间; 为材料导热系数; 为材料密度;c p为材料定压比热;r 为径向坐标;x 为轴向坐标;Q 为相变潜热。2) 初始条件为:式中, T 0为初始温度。3) 边界条件采用第三类边界条件

7、:式中, T w, Tc为支承辊表面温度和淬火介质温度;H 为综合换热系数4) 相变潜热是影响温度变化的重要因素之一, 在支承辊热处理数值模拟过程中不可忽略。文中 Cr5 钢在过冷奥氏体向贝氏体转变过程中的相变潜热为3.210J/m, 过冷奥氏体向马氏体转变过程中的相变潜热为 3.510J/m。1.2 组织场数学模型文中 Cr5 钢支承辊热处理过程中的组织转变模型采用 Koistien-Marburger8模型:式中, V 为转变量;M s为马氏体转变点;T 为温度; 为反映马氏体转变速率的常数。1.3 应力应变场数学模型在热处理数值模拟过程中, 应力场数学模型的准确度会直接影响在整个淬火以及回火过程中应力应变的结果。应力应变场数学模型主要包括两个方面:弹性问题基本方程和热弹塑性基本问题。弹性问题的基本方程主要包括几何运动方程、本构方程和平衡方程。热弹塑性基本问题主要包括:屈服准则、流动法则和塑性阶段应力与应变的关系等。其中, 热弹塑性模型的应变增量表达式如下:式中, d ij为热弹性应变;d ij为塑性应变;d ij为热应变;d ij为相变应变;d ij为相变塑性应变。1.4 Cr5

8、 钢支承辊的有限元分析模型文中 Cr5 钢支承辊二维几何尺寸如图 1 所示。通过 Solid Works 三维软件建模, 并对其轴肩进行简化处理, 再利用 Hyper Mesh 对其进行六面体网格划分, 如图2 所示。图 1 Cr5 钢支承辊二维尺寸结构示意图 Fig.1 2D dimension structure of the Cr5 backup-roll 下载原图图 2 Cr5 钢支承辊的有限元网格模型 Fig.2 Finite element model of the Cr5 backup-roll 下载原图1.5 实验用 Cr5 钢的材料主要性能参数实验用 Cr5 钢为某厂支承辊生产用钢, 其化学成分如表 1 所示, 其热物性参数如表 2 所示, 其力学性能参数如表 3 所示。表 1 Cr5 钢的化学成分 (质量分数, %) Table 1 Chemical composition of the Cr5 steel (mass fraction, %) 下载原表 表 2 Cr5 钢的热物性参数 Table 2 Thermal parameters of the Cr5 st

9、eel 下载原表 表 3 Cr5 钢的力学性能参数 Table 3 Mechanics properties of the Cr5 steel 下载原表 2 支承辊热处理过程数值模拟2.1 Cr5 钢支承辊最终热处理工艺热处理数值模拟过程中, 支承辊的加热工艺为该厂实际生产中的加热工艺, 由于支承辊尺寸较大, 故采用阶梯加热形式。其最终热处理工艺包括:装炉、低温升温、中间保持、差温加热、保温、水-空交替冷却和回火等过程, 具体工艺如图 3 所示。图 3 Cr5 钢支承辊的最终热处理工艺曲线示意图 Fig.3 Final heat treatment process of the Cr5 backup-roll 下载原图2.2 加热过程数值模拟及结果分析利用 DEFORM 对 Cr5 钢支承辊的加热过程进行数值模拟, 首先选取 6 个特征点, 分别为支承辊的外表面 P1 点, 距离辊面 40 mm 处的 P2 点, 距离辊面 90 mm 处的 P3 点, 距离辊面 300 mm 处的 P4 点, 距离辊面 500 mm 处的 P5 点和支承辊心部的 P6 点, 各点分布如图 4 所示。1) 温度场数值模拟结果分析图 5 为加热过程结束后, 加热过程中各点的温度变化曲线。支承辊在整个加热过程中, 温度上升缓慢, 内外温差较小, 温差约为 385。同时, 通过差温加热的方式, 使加热过程中支承辊心部温度达到 538, 保证了心部组织处于塑性状态, 以防止热应力过大, 导致支承辊开裂。图 4 支承辊研究点分布图 Fig.4 Key points distribution of the backup-roll 下载原图图 5 支承温度变化曲线 Fig.5 Temperature change curves of special point of the backup-roll 下载原图2) 组织场数值模拟结果分析图 6 为加热后支承辊的组织场云图。由图 6 可知, 加热过程结束后支承辊受热均匀, 表层有一定厚度的奥氏体

《cr5钢支承辊水-空交替淬火过程数值模拟与实验》由会员小**分享，可在线阅读，更多相关《cr5钢支承辊水-空交替淬火过程数值模拟与实验》请在金锄头文库上搜索。