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120°角翻转锻造冷轧工作辊
冷轧工作辊是冷轧机的大型消耗性工具,随着我国汽车行业、家电行业的快速发展,对冷轧带材的需求量也越来越大。因此近年来我国冷轧机组、冷连轧机建设不断扩大,冷连轧机组超过100 条生产线,这些机组按吨钢/0.5kg 辊耗计算,每年需要冷轧工作辊超过50000t。
为降低轧制成本、提高轧辊的使用寿命,轧辊制造厂家,不断改进轧辊的材料。2%Cr、3%Cr 的材料基本被5%Cr 及半高速钢材质所取代。材料的改进方向为:⑴提高材料的淬透性,增加淬硬层深度,最深的淬硬层可达50mm 以上,来提高轧辊的使用寿命;⑵增加耐磨性,提高轧辊的在机时间,提高生产效率;⑶减少残余奥氏体数量,降低次表层裂纹引起的剥落事故。
在轧辊坯料的生产过程中,超声波探伤是我公司内部的主要坯料报废形式,为解决超声波探伤合格率问题,在锻造生产过程中,对锻造工艺进行了多次尝试,最后确定的了现行的有效工艺形式,120°角翻转锻造法。

锻造工艺试验

在冷轧工作辊的锻造工序中,由于电渣钢锭设计时,为提高熔池的冷却速度,钢锭直径越小越好,但是,为避免镦粗时出现双鼓形或弯曲,一般为高径比λ=H/D ≤2.5,这时锻件的真锻比Ys=S钢锭/S辊身≤2.0。一般技术要求锻比Y ≥3.5,因此生产中必须对钢锭进行中间镦粗,以增加拔长时的直径,确保拔长锻比。
自1932 年德国克虏伯公司首次对41.5t 钢锭进行镦粗以来,一直到1990 年左右,在锻造行业内,一直将镦粗视为压实焊合钢锭内部缺陷的必要手段。理论认为这是由于低温的小变形Ⅲ区,在上下难变形Ⅰ区的挤压下,形成大变形Ⅱ区的三向压应力状态,在变形的作用下,使心部缺陷得以焊合,镦粗模型如图1 所示。

在20世纪80年代后期的镦粗试验得到的结论是:⑴镦粗至钢锭高度60%时,试样中心通孔的直径处于增加状态;⑵镦粗至钢锭高度50%时,钢锭中心孔直径无变化;⑶镦粗至小于钢锭高度50%时,中心孔才开始减小。而我们的锻造工艺一般为镦粗至钢锭高度的50%,也就是说镦粗是无法实现压实的。

20 世纪90 年代后期,随着国门的开放,开始学习他国经验,好多高校及企业开始研究采用拔长时对锻件进行压实,但压实的最终判断条件是焊合缺陷。要焊合钢锭内部缺陷应具备以下四个条件:⑴具有足够高的温度,以利于相对缺陷壁上的原子相互扩散;⑵在缺陷部位具有足够高的产生剪变形应力条件;⑶具备足够的相互扩散时间;⑷适合于焊合的锻件材料的碳当量。
在试验拔长压实方法时,一般均选择碳当量较低,易于焊合的材料。而作为冷轧工作辊材料均为冷作工具钢,属于高碳、高合金材料,各类型冷轧工作辊的化学成分见表1,其碳当量远高于:C焊接=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]×100%≥0.38%的易于焊合条件,几乎无法实现锻造过程中焊合缺陷。

为达到技术条件规定按GB/T 13314-2008 冷轧工作辊超声波探伤合格的目的,我公司曾经对电渣钢锭进行过三次镦粗、二次镦粗,到目前的只进行一次中间镦粗。通过实验证明,多次中间镦粗+不同压实方法的拔长操作,并未解决我公司的超声波探伤问题及一次碳化物分布问题,而改变拔长操作方法,采用120°角翻转锻造法,使一次碳化物级别由2.5级~3.5 级,降低到2.0 级以下,如图2 所示。

失败的三次镦粗+拔长实际执行的试验工艺,如图3 所示。实践证明,此类工艺除增加锻造能耗外,对超声波探伤、破碎一次碳化物等均未起到效果,因此,多次中间镦粗的工艺是失败的。

无论是对电渣钢锭进行几次镦粗,其目的只有一个,对于这种难变形、焊合条件极差的细长轴类锻件,期望在拔长的变形过程中,使难变形的Ⅰ区死区尖部,穿过锻件轴线,利用在压下过程中逐渐扩大的Ⅰ区尖部形成剪应变,剪切、断开各区电渣锭中心在凝固过程中,形成的裂纹及空洞类缺陷,达到超声波探伤合格的目的。

对于这类高碳、高合金钢冷轧工作辊坯锻件,不能期望会有压实与焊合的条件。只能利用大的剪切变形量,将钢锭内部缺陷剪断并使其分散。使大的缺陷分散形成符合探伤要求的小型分散缺陷。得到满足要求的带有缺陷的合格锻件,同时切碎、分散一次碳化物。

120°翻转锻造

在对超声波探伤超标的辊坯进行解剖,低倍组织显示为裂纹,经过高倍显微镜及电镜检查后发现,在裂纹中存在块状一次碳化物及少量C、D 类夹杂物。2000 倍的电镜显示裂纹呈滑移状断口,如图4 所示。

治理这类探伤缺陷的思路,首先是治理电渣钢锭的工艺设计及操作的合理性。而锻造的目的是使已经存在于钢锭中夹杂物类缺陷与大块一次碳化物缺陷不以滑移方式位移,而尽可能多的以剪应变的方式变形,同时不得产生裂纹,特别是钢锭心部,由于结晶速度慢而形成粗大等轴晶,伴随大块一次碳化物及未上浮的夹杂物。因此锻造的目的是破碎这些缺陷,并避免产生新的滑移带裂纹,也就是要求Ⅰ区尖部随压下进程而扩展到穿过轴心,并不能与下V 砧所产生的Ⅰ区尖部重叠,防止因剪应力过大而产生剪应力裂纹。

经过实测120°角翻转锻造的压下量与展宽量实测,各道次的展宽率各不相同。根据实测结果绘制出以上四个道次的变形图,完全适合对工艺拔长数据的设计,如图5 所示。

其外部变形规律为:第一道次的展宽率可达15%,随着直径的减少,在相同压下率的条件下展宽率也在降低,到第八道次后进入圆整状态时的展率仅有7%~8%。

从图5 中可以看出,各道次压下时,坯料的Ⅰ区逐渐扩展后穿过轴心线,而未与下V 形砧逐渐上移的Ⅰ、Ⅱ区汇合。避免出现难变形的Ⅰ、Ⅱ区汇合,产生的45°角剪应力,使坯料形成剪应力裂纹。
在压下的过程中,随着坯料Ⅰ区的扩散,使Ⅱ区产生横向展宽变形,剪应力产生了切碎裂纹与一次碳化物的作用,更重要的是不形成裂纹,这就是120°角翻转锻造法对冷轧辊工作辊锻造过程的控制,达到超声波探伤合格的原理。
经过查找资料,20 世纪60 年代乌克兰的乌拉尔重型机器厂,采用120°夹角翻转锻造9Cr2W 材质冷轧工作辊,效果良好。但该资料未介绍上平砧、下V 形砧宽度,砧宽比要求是多少,压下量如何控制,只说明具有锻比Y=2.0 时就可以通过探伤。
随着冷轧工作辊技术要求的提高,材料合金量大于6%,探伤要求单点缺陷小于≤φ2.0,表面波缺陷不允许存在,因此给锻造工序造成了更大的难度。
自2019 年10 月以来,我公司结合辊坯合同情况,使用120°夹角翻转锻造法,采用单道次压下量控制在25%以下,砧宽比控制在b=W/H ≤0.8 以内。经过对2800 吨辊坯的锻造验证,超声波探伤合格率由85%提高到96%,其具体120°角翻转锻造法工艺如图6 所示。

结论

⑴理论分析了冷轧工作辊锻造的目的是分散电渣锭的缺陷,不产生新缺陷。
⑵120°夹角翻转锻造法对提高探伤合格率、破碎一次碳化物是有效的锻造法。
⑶用小吨位设备,可以生产出较大吨位的高碳、高合金钢合格锻件。

 

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