德國DIN標(biāo)準(zhǔn)熱作模具鋼X40CrMoV5-1在熱矯直輥材料中的應(yīng)用

趙 崠 吳慶君

(1.太原重工股份有限公司矯直機研究所，山西 030024;2.淮南市石油化工機械設(shè)備有限公司技術(shù)部，安徽 232033)

現(xiàn)代寬厚板熱矯直機所需矯直鋼板溫度高達450～900 ℃，且矯直速度高，承受矯直力大，要求經(jīng)矯后的鋼板平直度好，殘余應(yīng)力小且布均勻，板材表面質(zhì)量好且無壓痕。要求其工作輥在高溫、高速、重載的工作環(huán)境中不但要具有良好的綜合力學(xué)性能，而且要具有足夠的輥面硬度和表面光潔度，故正確選擇材料是延長輥子使用壽命和提高板材矯直質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

1 寬厚板熱矯直輥的工作條件

在矯直過程中，熱矯直輥的受力、受熱主要有以下特點:

(1)徑向載荷大矯直速度高。

單輥最大矯直力:5 100 kN;矯直速度:0～30～52 m/min。

要求工作輥材料綜合力學(xué)性能好，輥面硬度高，加工制造尺寸精密。

(2)被矯直板材溫度高，工作環(huán)境較惡劣。

熱鋼板位于上、下排工作輥間，其溫度高達450～900℃，工作輥面瞬時溫度可達400℃，并使工作輥溫度在徑向和軸向逐漸升高。在正常工作條件下，要求輥身中部溫度約為400～450℃，最高不超過500℃;輥身邊緣約為300～350℃;輥頸溫度約為250～300℃。

熱矯直機在生產(chǎn)中有時使用大量的外冷卻液，矯直輥表面在鋼板加熱和外冷卻液的交替作用下，輥面逐步形成網(wǎng)狀的熱裂紋并發(fā)生氧化，在矯直交變應(yīng)力作用下使裂紋擴展。當(dāng)裂紋中滲入外冷水產(chǎn)生的高壓蒸汽崩破作用與楔形氧化鐵屑會在矯直過程中使輥面形成大裂紋并造成底部微空隙開裂。

(3)細(xì)長軸類零件易造成彎曲變形。

矯直輥屬于細(xì)長軸類零件，其長徑比達15 以上;輥身不均勻的受力極易造成彎曲變形;影響板材矯直質(zhì)量。

歐洲國家多采用德國DIN 標(biāo)準(zhǔn)熱作模具鋼X40CrMoV5-1 作為熱矯直輥材料用鋼。

2 X40CrMoV5-1 熱作模具鋼的特性和用途

X40CrMoV5-1 有高的淬透性，熱處理變形小，耐熱疲勞性好，中溫下(約600℃)有高熱強性，高韌性、高溫耐磨性。該材料具有良好的機械加工性，表面光潔度高，組織結(jié)構(gòu)晶粒細(xì)化不存在碳化物、氮化物界面，低硫低磷，允許水冷，尺寸穩(wěn)定。適用于制造熱擠壓模、錘鍛模、鋁合金壓模、穿孔用工具、熱剪刃、壓形輥等。

表1 與各國鋼號近似對照Table 1 Close cross reference of hot working tool steel X40CrMoV5-1 and various grades of steel in other countries

表2 化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical position(mass fraction，%)

表3 力學(xué)性能Table 3 Mechanical property

X40CrMoV5-1 熱作模具鋼與各國鋼號近似對照見表1，其化學(xué)成分見表2，力學(xué)性能見表3。

3 X40CrMoV5-1 材料的熱矯直輥技術(shù)參數(shù)

以一臺4 300 mm 寬厚板9 輥熱矯直機工作輥進行說明。

3.1 工作輥參數(shù)與力學(xué)性能要求

矯直鋼板溫度:450～950℃

單輥最大矯直力:5 100 kN

矯直速度:0～30～52(m/min)

3.2 工作輥力學(xué)性能

規(guī)格:?285+0.05×4 300(mm)，Ra0.4 μm

材料:X40CrMoV5-1;

調(diào)質(zhì)熱處理286～321HBW;

按JB/T5000.15Ⅲ級進行超聲波檢驗。

力學(xué)性能:抗拉強度Rm:=900 MPa～1 050 MPa

屈服強度Re:≥850 MPa

延伸率A:≥17%

截面收縮率Z:≥25%

沖擊功Ak:≥30 J

輥身表面淬火硬度:54～56HRC，深度8 mm～10 mm

4 X40CrMoV5-1 材料的熱矯直輥熱處理工藝

正確的熱處理工藝是保證熱矯直輥力學(xué)性能的重要前提，熱矯直輥的熱處理工藝包括:調(diào)質(zhì)熱處理、零件消除應(yīng)力、高中頻輥面淬火。

4.1 調(diào)質(zhì)熱處理工藝

預(yù)熱溫度:高碳高鉻工模具鋼需采取二次預(yù)熱，第一次預(yù)熱溫度500～650℃，第二次預(yù)熱溫度800～850℃。

淬火溫度:1 020～1 050℃;淬火加熱保溫時間:鹽爐15 s/mm～25 s/mm;電爐1.5 min/mm～2 min/mm。

回火溫度:620～640℃;保溫時間:≥2 h;回火次數(shù):3 次;回火后的硬度:42～47HRC;冷卻方式:油冷。

調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線見圖1。

4.2 回火溫度與硬度的關(guān)系

回火溫度與相對應(yīng)的硬度見圖2。

4.3 消除應(yīng)力工藝

矯直輥半精加工后進行消除應(yīng)力處理，其工藝曲線見圖3。

4.4 高中頻輥面淬火

輥身高中頻表面淬火溫度:1 070～1 100℃;回火溫度210±10℃。

5 X40CrMoV5-1 熱作模具鋼的切削加工性

X40CrMoV5-1 中所包含的主加合金元素有鉻、錳、硅等。它們的主要作用是增加鋼的淬透性，并使調(diào)質(zhì)后的索氏體組織強化。這些合金的含量保證鐵素體得到強化而又不明顯降低其韌性，甚至還能提高其韌性。其余的鉬、釩等合金元素，它們的主要作用是防止第二次回火脆性，細(xì)化奧氏體晶粒，提高回火穩(wěn)定性。

圖1 調(diào)質(zhì)熱處理工藝曲線Figure 1 The tempering and quenching heat treatment process curve

圖2 回火溫度與硬度的關(guān)系Figure 2 Relation between tempering temperature and hardness

圖3 消除應(yīng)力工藝曲線Figure 3 Elimination of stress process curve

經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后，鋼的組織為回火索氏體，有較高的強度、良好的塑性與韌性。由于其強度高，所以切削加工性略差。由于它韌性大，斷屑較困難。而且較高的高溫強度使切削時刀具易磨損，刀具使用壽命較低。

精車時，在切削用量的選擇上應(yīng)注意背吃刀量αP，不能過小，一般應(yīng)取αP1 mm～3 mm，否則加工表面比較粗糙。

粗加工時刀具材料宜取YW1、YW2，精加工或半精加工可選用YD05、YN05 硬質(zhì)合金刀具，也可選用涂層刀片。

由于鋼的強度高，為了提高刀尖強度和增大刀頭散熱體積，應(yīng)取較小的前角。但同時由于韌性高，也可在以上基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整加大前角，減小切屑變形，并磨出斷屑槽。需采用較小數(shù)值的正的或負(fù)的刃傾角和較小的主偏角。為了減小后面的摩擦，后角可適當(dāng)?shù)募哟蟆?/p>

采用硬質(zhì)合金車刀加工經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理后的X40CrMoV5-1 熱矯直輥，推薦的幾何角度和切削用量見表4。

表4 推薦的幾何角度和切削用量Table 4 Recommended geometry angle and cutting amount

6 結(jié)論

實踐證明，采用德國DIN 標(biāo)準(zhǔn)熱作模具鋼X40CrMoV5-1 作為熱矯直輥用鋼，經(jīng)過正確的熱處理可獲得所要求的力學(xué)性能;當(dāng)輥身在500～600 ℃時，輥面硬度變化不大;減少了工作輥因高溫環(huán)境造成的變形、磨損和熱裂，提高了板材矯平質(zhì)量;減少了換輥維護次數(shù)，減輕了工作人員勞動強度和設(shè)備的維護使用成本，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率。