進(jìn)給速度控制方法對鑄環(huán)坯輾擴(kuò)微觀組織的影響

鄧潮鴻，杜詩文，巨 麗，李永堂，董棚帥

（1.太原科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太原030024；2.太原科技大學(xué) 金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實驗室，山西 太原030024）

0 引言

基于環(huán)形鑄坯的徑軸向輾擴(kuò)成形工藝是一項全新的輾擴(kuò)成形工藝（圖1），與目前常用的環(huán)類零件生產(chǎn)工藝（鋼錠開坯-鍛造-沖孔-輾擴(kuò)成形）相比，具有流程短、節(jié)能、節(jié)材、高效、低成本、環(huán)保等優(yōu)勢。徑軸向輾擴(kuò)速度是輾擴(kuò)成形中重要的工藝參數(shù)，作為環(huán)件輾擴(kuò)的核心控制技術(shù)，直接影響到環(huán)件的宏觀成形質(zhì)量和微觀組織變化。因此，研究徑軸向輾擴(kuò)速度的控制方法對保證環(huán)件的成形質(zhì)量并滿足環(huán)件的工業(yè)使用要求具有十分重要的意義。

圖1 基于鑄環(huán)坯的鑄輾復(fù)合成形工藝流程圖

目前，國內(nèi)外學(xué)者利用先進(jìn)的方法對環(huán)件輾擴(kuò)成形工藝參數(shù)和微觀組織演變進(jìn)行了研究。ZHANG[1-2]等人基于DEFORM-3D 軟件平臺，針對42CrMo 鋼環(huán)形鑄坯徑向輾擴(kuò)過程，模擬分析了芯輥進(jìn)給速度變化對動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸與體積分?jǐn)?shù)分布的影響規(guī)律。歐新哲[3]等人分析了熱輾擴(kuò)成形主要工藝參數(shù)（輾擴(kuò)初始溫度、驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速、芯輥速度）對40Cr 鋼組織動態(tài)再結(jié)晶的影響，獲得了工藝參數(shù)對動態(tài)再結(jié)晶比例及其晶粒尺寸的影響規(guī)律。華林[4-5]等人研究了大型環(huán)件的徑軸向軋制工藝，利用有限元模擬實驗對具體的大型環(huán)件產(chǎn)品進(jìn)行模擬軋制，找出了工藝參數(shù)選取與控制的基本方法和規(guī)律。鑄環(huán)坯的初始晶粒尺寸粗大，不同的輾擴(kuò)工藝(這里主要指輾擴(kuò)速度控制)在輾擴(kuò)過程中能夠使鑄環(huán)件的性能即微觀組織具有很大的差別。但對于鑄環(huán)件徑軸向輾擴(kuò)的不同速度控制方案對微觀組織影響的對比研究卻未有報道。本文基于Simufact.forming 軟件平臺，建立了25Mn鋼鑄坯環(huán)件徑軸向熱輾擴(kuò)過程的宏微觀耦合有限元模型，針對相同尺寸環(huán)件的軋制過程，在相同軋制時間和效率情況下，通過設(shè)計不同的速度控制方案，模擬揭示了不同速度控制方案對25Mn 鑄坯環(huán)件的輾擴(kuò)成形微觀組織的晶粒尺寸大小的影響規(guī)律，為基于鑄環(huán)坯的輾擴(kuò)成形進(jìn)給速度工藝參數(shù)的選擇提供一定的理論指導(dǎo)。

1 模擬仿真

1.1 宏微觀耦合有限元模型

大型數(shù)值模擬分析軟件Simufact.forming 是基于原Superform 和Superforge 開發(fā)出來的先進(jìn)的材料加工及熱處理工藝仿真優(yōu)化平臺，可以快速模擬各種冷熱成形、擠壓、軋制等塑性成形過程的工藝成形專用軟件，可實現(xiàn)對具有高度組合的非線性體成形過程的全自動數(shù)值模擬。

本文運(yùn)用Simufact.forming 中Bulk Forming 下的Ring Rolling 模塊和UG 三維制圖軟件可方便快速建立25Mn 鑄坯環(huán)件徑軸向軋制過程的三維宏觀耦合有限元模型（如圖2），表1 給出了設(shè)備參數(shù)、工藝參數(shù)、熱力參數(shù)以及環(huán)坯尺寸。

圖2 環(huán)件徑軸向熱輾擴(kuò)有限元模型

表1 軋輥尺寸及關(guān)鍵工藝參數(shù)

1.2 模擬速度控制方法

兩種不同的速度控制方案如下：

（1）通過調(diào)整進(jìn)給速度來控制整個軋制過程：軋制階段徑向以恒定值進(jìn)給，同時軸向以另一恒定值進(jìn)給，當(dāng)環(huán)件接近成品尺寸時，徑軸向同時以較小的進(jìn)給量整圓。速度控制方案如圖3a 所示。

（2）通過調(diào)整環(huán)件直徑增長速度來控制進(jìn)給量：初軋階段環(huán)件直徑增長速度不斷變大，穩(wěn)定階段環(huán)件直徑以恒定的速度增長，整圓階段環(huán)件直徑以較小的速度增長。速度控制如圖3b 所示。

圖3 環(huán)件徑軸向輾擴(kuò)速度控制方法

不同方案環(huán)件的直徑大小和時間的關(guān)系圖由圖4 所示。

圖4 環(huán)件外徑大小時間圖

2 模擬結(jié)果與討論

圖5 為通過調(diào)整進(jìn)給速度來控制整個軋制過程的晶粒尺寸分布云圖。從圖中可以看出，在輾擴(kuò)進(jìn)行到10%（圖5a）時，環(huán)件外層晶粒尺寸細(xì)化明顯，內(nèi)層晶粒尺寸次之，環(huán)件上層、下層及芯部大部分區(qū)域晶粒未得到細(xì)化，同時環(huán)件芯部少數(shù)區(qū)域晶粒尺寸略微增大。輾擴(kuò)進(jìn)行到40%（圖5b）時，環(huán)件外層、內(nèi)層晶粒進(jìn)一步細(xì)化，上層、下層次之，芯部區(qū)域晶粒尺寸細(xì)化最弱，同時芯部少部分區(qū)域晶粒尺寸仍存在長大現(xiàn)象。輾擴(kuò)進(jìn)行到70%（圖5c）時，環(huán)件所有區(qū)域都得到了細(xì)化，不存在晶粒長大現(xiàn)象，其中，內(nèi)外層細(xì)化最明顯，上下層次之，芯部細(xì)化最弱。輾擴(kuò)進(jìn)行到100%（圖5d）時，環(huán)件所有區(qū)域得到進(jìn)一步的細(xì)化，環(huán)件最大晶粒尺寸為167μm，最小晶粒尺寸為21μm。

圖5 芯輥上錐輥勻速進(jìn)給環(huán)件晶粒大小圖

圖6 環(huán)件勻速長大晶粒大小分布圖

圖6 為通過調(diào)整環(huán)件直徑增長速度來控制進(jìn)給量的輾擴(kuò)的晶粒尺寸分布云圖，從圖中可以看出，在輾擴(kuò)進(jìn)行到10%（圖6a）時，環(huán)件所有區(qū)域晶粒都得到細(xì)化。其中，環(huán)件外層晶粒尺寸細(xì)化明顯，內(nèi)層晶粒尺寸次之，環(huán)件上層、下層及芯部區(qū)域都得到了較小的細(xì)化；輾擴(kuò)進(jìn)行到40%（圖6b）時，環(huán)件外層、內(nèi)層晶粒細(xì)化最強(qiáng)，上層、下層次之，芯部區(qū)域晶粒尺寸細(xì)化較明顯；輾擴(kuò)進(jìn)行到70%（圖6c）時，環(huán)件所有區(qū)域晶粒尺寸得到了進(jìn)一步的細(xì)化，其中，內(nèi)外層細(xì)化最明顯，上下層次之，芯部細(xì)化最弱；輾擴(kuò)進(jìn)行到100%（圖6d）時，環(huán)件所有區(qū)域得到進(jìn)一步的細(xì)化，晶粒尺寸從環(huán)件表面到芯部呈遞增趨勢，環(huán)件最大晶粒尺寸為114μm，最小晶粒尺寸為24μm。

圖5 給出了芯輥勻速進(jìn)給同時上錐輥勻速下壓情況下，環(huán)形鑄坯熱輾擴(kuò)不同時期的晶粒尺寸大小的分布情況。圖6 給出了環(huán)件直徑勻速長大情況下，環(huán)形鑄坯熱輾擴(kuò)不同時期的晶粒尺寸大小的分布情況。從兩圖中都可以看出環(huán)件的平均晶粒尺寸呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布，外層內(nèi)層平均晶粒尺寸細(xì)化最明顯，上層與下層平均晶粒尺寸也得到了較大細(xì)化，而芯部的晶粒尺寸相對粗大，但與初始晶粒尺寸200μm 相比還是具有明顯的改善。

這是因為環(huán)件徑軸向熱輾擴(kuò)成形是一個連續(xù)局部塑性擠壓成形過程，和驅(qū)動輥與芯輥接觸的環(huán)件外層和內(nèi)層變形量最大，同時和上下錐輥接觸的環(huán)件上層與下層變形量也比較大，同時位錯密度大，再結(jié)晶的驅(qū)動力大，有利于環(huán)件再結(jié)晶形核，容易發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，故晶粒細(xì)化明顯。另一方面，環(huán)件內(nèi)外層和上下層在連續(xù)反復(fù)的成形過程中，不斷有動態(tài)再結(jié)晶晶粒生成，使產(chǎn)生的晶粒來不及長大，導(dǎo)致晶粒尺寸細(xì)小。同時晶粒在大的變形程度情況下也很容易破碎。而在變形量比較小的芯部層，動態(tài)再結(jié)晶的臨界條件不容易達(dá)到，只能發(fā)生少量的靜態(tài)再結(jié)晶，并且晶粒在芯部高溫下容易長大，使其平均晶粒尺寸相對比較粗大。

對比圖5 和圖6 可以看出，通過直徑增長速度控制軋制過程方案得到的環(huán)件晶粒尺寸小于通過進(jìn)給速度控制軋制過程方案。這是由于環(huán)形鑄坯在熱輾擴(kuò)過程中發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的臨界條件不僅受到變形程度和溫度的影響，而且與應(yīng)變速率也有較大的關(guān)系。在輾擴(kuò)前中后期通過直徑增長控制軋制過程方案晶粒都能得到很好的細(xì)化；而通過進(jìn)給速度控制軋制過程方案在碾擴(kuò)的前中期變形量小，芯部晶粒先變大后變小，晶粒細(xì)化不明顯，輾擴(kuò)后期具有較大的變形速率，但由于變形時間短，晶粒細(xì)化不明顯。

4 結(jié)論

（1）模擬了25Mn鋼鑄環(huán)坯的徑軸向熱輾擴(kuò)過程中的微觀組織變化行為，發(fā)現(xiàn)輾擴(kuò)環(huán)件晶粒尺寸細(xì)化程度具有從環(huán)件表面區(qū)域到芯部區(qū)域遞減的趨勢，平均晶粒尺寸具有從環(huán)件表面區(qū)域到芯部區(qū)域遞增的趨勢。

（2）根據(jù)環(huán)件直徑增長速度控制進(jìn)給量的環(huán)件輾擴(kuò)控制方法，能夠使環(huán)件輾擴(kuò)平穩(wěn)且勻速長大，使晶粒尺寸在輾擴(kuò)初期就得到細(xì)化，隨著輾擴(kuò)的進(jìn)行，晶粒尺寸進(jìn)一步得到細(xì)化，環(huán)件性能得到提升，而通過徑軸向進(jìn)給量來控制輾擴(kuò)過程的速度控制方法，環(huán)件直徑加速變大，在輾擴(kuò)初期環(huán)件晶粒大小細(xì)化不明顯，芯部晶粒尺寸反而增大，在輾擴(kuò)中期晶粒尺寸得到細(xì)化，但是到了后期晶粒尺寸細(xì)化不明顯。

（3）對比兩種環(huán)件輾擴(kuò)速度控制方案，根據(jù)環(huán)件直徑增長速度控制輾擴(kuò)進(jìn)給量的速度控制方案優(yōu)于通過徑軸向進(jìn)給量來控制輾擴(kuò)過程的速度控制方案。

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