42CrMo钢热加工图的建立与热辗扩成形工艺_陈慧琴

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前言
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环件热辗扩是生产环形零件、特别是大型环形 零件的连续局部塑性加工技术，具有省力、高效、 精确的成形特点，被广泛应用于船舶、石油、化工、 动力、航空和航天等高端制造领域环形零件的生产 [1] 中 。国内外有关环件辗扩工艺和设备进行了系统 [2-7] 的研究 ，传统环形零件生产的工艺流程包括冶
* 国家自然科学基金重点 (51135007) 和国家自然科学基金 (51174140 ， 51075290)资助项目。20140129 收到初稿，20140601 收到修改稿
太原
李永堂
030024)
(太原科技大学材料科学与工程学院
摘要：以铸态 42CrMo 钢为研究对象，通过分析其热压缩应力-应变曲线，计算建立该钢不同应变时的热加工图。应变较小 的热加工图中，微观组织演变机制在 1 100～1 150 ℃、0.1～1 s1 范围为动态再结晶，在 950～1 050 ℃、1～10 s1 范围内为 动态回复；随着应变的增大，动态回复和再结晶发生的温度和应变速率范围扩大，从而确定该钢最佳热辗扩温度和应变速率 范围。结合该钢环形铸坯的热辗扩工艺试验，分析辗扩比、驱动辊速度和芯辊进给速度对辗扩件质量的影响，以及辗扩工艺 参数对环件内部微观组织演变和最终晶粒组织的影响。分析结果和辗扩试验环件的检测结果都表明，用该钢环形铸坯直接进 行辗扩成形生产环形零件，不仅可以获得精确的形状尺寸，而且可使环形铸坯得到充分变形，改善铸态组织、细化晶粒，获 得内部微观组织和力学性能满足要求的环件。 关键词：铸态 42CrMo 钢；热加工图；热辗扩；微观组织；工艺参数 中图分类号：TG335
图1 真应力-真应变曲线
月 2014 年 8 月
陈慧琴等：42CrMo 钢热加工图的建立与热辗扩成形工艺
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和应变速率升高流变应力曲线呈现动态回复型曲 线。动态回复型曲线中，当应力随着应变增加到峰 值应力后，应力保持恒定，回复引起的软化和变形 引起的硬化达到动态平衡， 变形达到稳态变形阶段， 亚晶大小基本不变，形状保持等轴状。在动态再结 晶型曲线中，当应力随着应变增加到峰值应力后， 再结晶引起的软化大于变形引起的硬化，应力得到 软化；应力的软化程度取决于再结晶程度，再结晶 分数越高，应力软化程度越大；当再结晶引起的软 化和变形引起的硬化达到动态平衡， 应力保持恒定， 变形达到稳态变形阶段，再结晶分数和再结晶晶粒 大小基本不变，晶粒形状保持等轴状。 1.2 铸态 42CrMo 钢热加工图的建立 [15] 根据 PRASAD 提出的动态材料学模型的观 点，材料的加工过程可看成一个能量耗散系统，能 量的消耗取决于材料的加工流变行为。能量的消耗 包括材料发生塑性变形所消耗的能量 ( 其中大部分 能量转化为热能，少部分能量以晶体缺陷能的形式 存储)和材料变形过程中微观组织演变所消耗能量。 而用于微观组织演变能量的耗散效率
炼、钢锭浇注、钢锭开坯和初锻、下料、镦粗、冲 孔、热辗扩成形，然后进行热处理和机加工。该传 统环件生产工艺流程长、材料利用率低、能源消耗 高，不利于实现低碳制造。文献[8-9]提出采用环形 铸坯直接热辗扩成形环形件，使传统环件生产的工 艺流程简化为铸造环坯、热辗扩成形、热处理和机 加工。 该工艺大大简化了传统环件生产的工艺流程， 提高了材料利用率、 降低了能源消耗， 是一种高效、 节能、节材的新的环形零件生产工艺，具有巨大的 发展潜力和广阔的推广应用前景。 环形铸坯热辗扩成形环形零件的短流程工艺
1 [17]
曲线呈现明显的动态再结晶型曲线，随着温度降低
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铸态 42CrMo 钢热加工图的建立
传统环形零件生产工艺中，钢锭铸态晶粒粗
大、成分不均匀、偏析疏松严重，热塑性较差。在 采用大变形量进行热锻之前， 通常要进行钢锭开坯。 开坯过程中，通常采用较高的温度轻锤锻压，改变 锭型的同时达到改善钢锭表层金属的热塑性，为后
第 50 卷第 16 期 2014 年 8 月
机械工程源自学 报Vol.50 Aug.
No.16 2014
JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING
DOI：10.3901/JME.2014.16.089
42CrMo 钢热加工图的建立与热辗扩成形工艺*
陈慧琴 柏金鑫 齐会萍 付建华
Establishment of Hot Processing Maps and Hot Ring Rolling Process of 42CrMo Steel
CHEN Huiqin BAI Jinxin QI Huiping FU Jianhua LI Yongtang
(School of Material Science and Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024)
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机
械
工
程
学
报
第 50 卷第 16 期期
中，生产高质量的铸坯是实现环件短流程铸辗复合 成形新工艺的先决条件。俄罗斯 ZHEREBTSOV 等 学者研究了电磁离心铸造制造法兰及热处理 方法，证明用离心铸造生产的环形坯件质量好于其 他方法，经过合理的塑性加工和热处理，可以获得 更好的力学性能。国内铸锻复合成形技术在一些小 [11-12] 型零件上得到成功应用 。文献[9, 13]基于铸辗 复合成形的 42CrMo 钢环坯铸造工艺进行了优化设 计、数值模拟和试验研究，通过理论分析和数值模 拟，探讨和研究了高质量环坯冶炼与铸造工艺，确 定了型砂配方和冶炼铸造工艺参数，提出提高冶炼 温度、降低浇注温度和控制浇注速度，以及加入冷 铁等措施可以有效控制铸件凝固过程、实现晶粒细 化和消除铸造缺陷，保证环形铸件质量。按照上述 工艺进行了环坯铸造的工业试验，试件检测结果表 明，环形铸坯件具有精确的尺寸精度和良好的组织 性能，部分力学性能指标达到了锻件的质量标准。 在环形铸坯热辗扩成形过程中，如何进一步实 现环形铸坯的组织成分均匀化、铸件疏松组织的压 实，以及细匀化晶粒组织，对于保证最终环形零件 满足组织性能要求，保证产品质量起着更加重要的 作用。文献[8, 14]对 42CrMo 钢铸造环坯辗扩成形 理论与工艺进行了分析，研究了铸坯的环件热辗扩 过程微观组织演变。研究发现辗扩起始温度为 1 150 ℃为宜；采用较大的变形量，有利于增加铸态 42CrMo 钢动态再结晶百分数；适当增加辗扩比、 采用较大的芯辊进给速度、采用增加-减小-稳定的 芯棍载荷曲线等都有利于中性层组织的转变，有利 于保证成形件质量；辗扩试验验证了用环形铸坯直 接辗扩成形生产的环形零件尺寸精度高，晶粒得到 了细化，各项力学性能达到和超过了轴承环件的标 准要求。 本文根据铸态 42CrMo 钢热压缩应力-应变 曲线，分析建立了该钢的热加工图，可为该钢环形 铸坯热辗扩工艺提供合理的热力参数；并对该钢环 形铸坯热辗扩工艺试验进行了分析，以期为该钢环 形铸坯热辗扩工艺和辗扩件组织性能控制提供理论 依据。
[10]
续高温大变形工序做准备。采用环形铸坯直接进行 热辗扩加工环形零件，虽然可以采用先进的冶炼和 凝固技术使环形铸坯的质量得到较大程度的改善， 但是鉴于铸坯的热塑性较差，热辗扩工艺参数的合 理选择，对于保证热辗扩件质量，防止缺陷的产生 具有重要的意义。 基于 PRASAD
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提出的动态材料
模型(Dynamic material modeling, DMM)的热加工图 可以分析和预测材料在不同变形参数条件下的变形 机制，如动态回复、动态再结晶、超塑性变形、开 裂与局部流动等，进而获得热加工的“安全区”和 “不安全区”，达到优化热加工工艺参数、避免缺陷 产生的目的 。 1.1 铸态 42CrMo 钢热压缩应力-应变曲线 文献[8, 16]在 Gleeble-1500D 热模拟试验机上 进行了铸态 42CrMo 钢热压缩试验，获得了不同温 度和应变速率条件下铸态 42CrMo 钢的真应力-应变 曲线。图 1 为其中典型的真应力-真应变曲线。可以 看出，铸态 42CrMo 钢高温流变应力随着温度的升 高而降低，随着应变速率的增大而迅速增大。相同 温度和应变速率条件下，流变应力随着应变的增大 呈现两种典型的流变应力曲线，即温度 1 150 ℃和 1 050 ℃，应变速率 0.1 s 条件下变形的流变应力
Abstract：Taking as-cast 42CrMo steel as deformation material, hot processing maps at different strains are established by analyses stress-strain curves during hot compression and corresponding calculation. In the hot processing map of the smaller strain, dynamic recrystallization occurs in the temperature range of 1 100-1 150 ℃ and strain rate range of 0.1-1 s1, and dynamic recovery dominants in the temperature range of 950-1 050 ℃ and strain rate range of 1-10 s1. The temperature and strain rate range for dynamic recovery and recrystallization become lager when strain increases. The optimum temperature and strain rate ranges for hot ring rolling at different strain of the steel are determined according to the hot processing maps. Based on the hot ring-rolling process test of the as-cast ring blank of the steel, the influences of the deformation ratio, the rotational speed of the driving roll and the feet speed of the pressure roll on the quality of ring-rolled parts are analyzed. And the influence of ring-rolling parameters on microstructure evolution and grains in ring-rolled parts is also analyzed. The results both of analyses and the hot ring rolling test show that the ring rolling process with the as-cast ring-blank can not only produce ring parts with perfect shape and accurate size, but also make the as-cast ring-blank get deformation large enough improve cast structures and refine grains to meet microstructure and mechanical property requirements of ring parts. Key words：as-cast 42CrMo steel；hot processing map；hot ring rolling；microstructure；process parameters