重型机械 ・４１・ 定宽压力机曲轴热处理工艺研究 李伯林 （宝钢股份公司热轧厂，上海２００９４１） 摘要：曲轴是定宽压力机的关键部件之一，热处理工艺直接对曲轴最终力学性能与服役周期有 重要影响。本文以某厂的定宽压力机曲轴为研究对象，制定了曲轴的热处理工艺路线，提出了水一空 间隙冷却策略。应用数值模拟软件Ｄｅｆｏｒｍ建立其有限元模型，分析了冷却过程中曲轴的温度场、组 织场与应力场。采用该工艺可防止冷却速度过快引起的锻件表面裂纹，得到表面为马氏体、心部为贝 氏体的组织，为回火做好组织准备，能够满足锻件的组织性能要求。 关键词：定宽压力机；曲轴；热处理工艺；温度场；应力场 中图分类号：ＴＧ３０５ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—１９６Ｘ（２０１７）０２—００４１—０５ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｆｏｒ ｓｌａｂ ｓｉｚｉｎｇ ｐｒｅｓｓ ＬＩ Ｂｏ。ｌｉｎ （Ｂａｏｓｔｅｅｌ Ｈｏｔ Ｒｏｌｌｉｎｇ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００９４１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｐａｒｔ ｏｆ ｓｌａｂ ｓｉｚｉｎｇ ｐｒｅｓｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｈａｓ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ａｎｄ ｓｅｒｖｉｃｅ ｃｙｃｌｅ ｏｆ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ ｏｆ ｓｌａｂ ｓｉｚ－ ｉｎｇ ｐｒｅｓｓ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏ４ｅｃｔ，ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｙｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ ｃｒｎａｋｓｈａｆｔ．Ａ ｗａｔｅｒ—ａｉｒ ｇａｐ ｃｏｏｌｉｎｇ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｄｅｆｏｒｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｌｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｏｕｒｓｅ Ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃａｌｌ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ｃｒａｃｋ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｏｏ ｆａｓｔ ｃｏｏｌｉｎｇ ｒａｔｅ．Ｆｉｎａ１． １ｙ，ａ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｆｉｌｅｄ ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｍａｒｔｅｎｓｉｔｅ ａｔ ｔｈｅ ｓｕｒｆａｃｅ ａｎｄ ｂａｉｎｉｔｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｒｅ Ｃａｎ ｂｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏ— ｖｉｄｅｓ ａ ｂａｓｉｃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ ａｎｄ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｌａｂ ｓｉｚｉｎｇ ｐｒｅｓｓ；ｃｒａｎｋｓｈａｆｔ；ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ；ｓｔｒｅｓｓ ｆｉｅｌｄ 在产品形状控制能力方面，Ｍｕｌｌｅｒ等人［１ 采 Ｕ 日ｆＪ百 用有限元法对侧压过程中板坯变形行为进行了研 定宽压力机自诞生以来，由于其侧压量大， 究。焦四海等人 采用ＡＢＡＱＵＳ软件分析了板 狗骨、鱼尾缺陷少等优点而不断地被应用于热轧 坯在调宽压力机调宽过程中的基本变形特征。杨 产线上。随着定宽压力机的不断应用，国内外的 雄等人 结合某热轧厂板坯在调宽过程中出现 广大学者对其展开了深入广泛的研究，主要研究 不对称板形的问题进行了分析。在砧板形状及材 内容包括以下三个方面：产品形状控制能力的研 质方面，Ｉｓｈｉｋａｗａ等人 发明了一种定宽压力 究，砧板形状及材质的研究，结构形式及运动学 机，包括砧板更换装置，两个斜面组成的砧板形 研究等。 状、以及砧板位置确定装置等。Ｋｏ等人 研究 了通过改变砧板形状减少热轧带钢缺陷的措施。 收稿日期：２０１６—１２—０２；修订日期：２０１６—１２—３１ 基金资助：河北省自然科学基金（Ｅ２０１６２０３４８２）。 江光彪等人＿６ 对定宽压力机侧压砧板的堆焊材 作者简介：李伯林（１９８０一），男，宝钢股份公司热轧厂工程师， 料及堆焊工艺进行了研究。在结构及运动学分析 从事热轧装备研究与管理工作。 方面，刘松等人 对国内某厂１ ８８０ ｍｍ热轧产 ・４２・ 重型机械 ２０１７ ＮＯ．２ 线定宽压力机的结构特点进行了分析。张齐 兵 对国内某厂从日本ＩＨＩ公司引进的定宽压力 机进行了运动学分析。冯宪章等人 对国内某 厂１５８０ ｍｍ热轧产线的定宽压力机的运动学进 调整和改善大型锻件在锻造过程中所形成的过热 和粗大组织，降低大型锻件内部化学成分和金相 组织的不均匀性，细化奥氏体晶粒；最终热处理 是决定锻件最终使用性能的热处理工序，因此最 行了仿真。 总体而言，上述研究为定宽压力机的设备维 护、工艺参数优化、产品性能和质量提高提供了 丰富的参考资料，但在定宽压力机制造工艺方面 的研究资料非常少见。目前，全世界仅日本 终热处理对大型锻件异常重要，是保证锻件使用 性能的关键，同时大型锻件一般均要进行调质处 理，以消除锻件内部的残余应力，改善锻件的力 学性能，满足使用要求。 通过查询文献［１０—１ １］得知３０Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ合 金结构钢的奥氏体化温度为８５０％，Ａ１转变线 ＭＨ、ＩＨＩ与德国ＳＭＳ三家公司能够提供定宽压 力机成套装备，造价十分昂贵。为打破国外垄 断，需要自主研究定宽压力机关键部件的制造工 艺。曲轴是定宽压力机的关键部件之一，在工作 过程中需要承受反复的冲击，对其制造质量要求 很高。曲轴的生产工艺主要包括锻造与热处理两 温度为７２０￣Ｃ，Ａｓ转变线温度为７６０￣Ｃ，马氏体 转变温度为２９５℃左右，过冷奥氏体转变产物为 珠光体、贝氏体和马氏体，马氏体转变只在一定 的冷却速度下才能发生，而曲轴冷却的目的就是 为了得到表面为马氏体，心部为贝氏体的组织， 然后再经回火处理后，能最大程度提高锻件的强 度、塑性和韧性。 大锻件的冷却方式¨ 主要有以下几种： 部分，本文将对曲轴锻造后的热处理工艺进行研 究，为曲轴热处理工艺的确定和优化提供理论 依据。 １热处理工艺分析 曲轴的结构如图１所示，材质为３０Ｃｒ２Ｎｉ２Ｍｏ 合金结构钢。曲轴最大直径为０１０６０ ｍｍ，最小直 水冷（包括喷水冷却），油冷，空冷（自然空冷和 鼓风冷），间隙冷却（水一空，水一油，油一空） 及喷雾冷却。淬火介质有水、油和空气。为了使 曲轴表面得到马氏体，因此需要较大的冷却速 径为０５９８ ｍｍ，总长为４ ６３９ ｍｍ。由于曲轴的尺 寸较大，热处理工艺不仅要考虑工件的结构特点， 而且还得考虑热处理设备的处理能力，而淬火工 度，因此需要采用水冷。但由于曲轴直径较大， 单纯水冷会引起较大的热应力，容易使锻件表面 产生裂纹，为解决这一问题，最好的方法就是采 用水一空间隙冷却的方法以控制截面的温差大 小。制定曲轴热处理的加热与冷却工艺如图２ 所示。 序作为调质处理中最重要的工序，将最终决定锻 件的组织性能。理论研究表明如果冷却后获得马 氏体组织，再经低温回火后具有较高的强度、硬 度和耐磨性，但塑性韧性较低。马氏体经高温回 火后，则可得到均匀的回火索氏体组织，其强度、 塑性和韧性能够得到最好的配合，即获得较高的 综合力学性能。 图２阶梯加热工艺 ２热处理过程模拟 图１ 曲轴结构图 热处理过程模拟所需参数包括：各个相（奥 氏体、马氏体、珠光体、贝氏体）的热物理性参 曲轴的热处理包括锻后热处理（预备热处 理）和最终热处理。锻后热处理的主要目的是消 数，相转变模型参数等，经查询相关文献和资料 后可以一一确定。在Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件中进行曲轴 建模后，导入Ｄｅｆｏｒｍ软件中进行网格划分，网 格划分后的模型如图３所示，单元与节点数量如 除锻造应力，降低锻件的表面硬度，提高其切削 加工性能（１７０ＨＢ－２３０ＨＢ之间利于切削），同时 ２０Ｉ７ Ｎ０．２ 重型机械 ・４３・ 表１所示。 选择把曲轴放置到料盘中进行水冷，空冷时直接 吊起料盘即可，因此在模拟时，必须对曲轴的一 个表面进行位移约束（为简化模型，选取曲轴直 径最大的表面），如图５所示。 图３网格划分 表１单元与节点数量 图５位移约束 换热系数是淬火模拟中最重要的参数，直接 影响相变的成分和组织状态，换热系数的影响因 通过热处理模拟可以得到整个过程的温度 场、组织场、应力场等参数，可以预测锻件的温 度变化和组织的转变情况，分析淬火过程中应力 的变化情况。温度模拟结果如图６所示。 素有很多，如各种冷却介质（空冷、水冷、油冷 等）的性质和流动速度，工件的材质和形状等。 由于采用水一空间隙冷却的方法，因此通过查阅 相关文献确定水冷和空冷的换热系数¨ 如图４ 所示，从图中可以看出水冷与空冷的换热系数相 差比较大，当工件长时间水冷时，往往会造成工 （ａ）温度场一水￣５ＯＯｓ 件内部的热应力过大，而出现裂纹甚至直接导致 锻件报废，因此采取水冷一空冷间隙冷却的方 法，可以减小锻件内部热应力，保证锻件的正常 热处理。 （ｂ）温度场一空冷２【ｌｏｓ ０ ０ 如 跖 Ｏ Ｏ Ｏ 如 Ｏ 』 ０ Ｏ 如 ％ ０ 加 （ｃ）温度场一模拟结束 图６温度场模拟结果 从图６可以看出，水冷５００ ｓ后锻件表面降 到１５０￣Ｃ左右，再经２００ Ｓ空冷后，锻件表面温 度回升到３００￣Ｃ左右，最终锻件表面降温到 ８９￣Ｃ，而锻件心部的温度变化不明显，为了便于 对比，从曲轴最大截面取五个测量点，如图７所 示，从曲轴表面到心部各个点等间距分布，提取 温度变化情况，结果如图８所示。 从图８可以看出，中间两次的空冷过程，坯 图４换热系数与温度的关系曲线 料表面温度均有回升，起到了减小坯料表面与心 部的温差的作用，可以防止热应力过大，引起锻 由于模拟的是淬火过程，假设锻件各部位加 热均匀，即初始温度选取完全奥氏体化温度 件表面产生裂纹。 模拟结束后组织场模拟结果如图９所示。由 图可知，锻件淬火结束后，表面得到了马氏体， ８５０￣Ｃ，并认为工件完全奥氏体化，即奥氏体百 分比为１。由于曲轴锻件的体积和重量比较大， 中间为贝氏体，由于心部温度较高，冷却速度 ２０ｌ７ Ｎｏ．２ 重型机械 －４５・ １Ｊ １Ｊ １ｊ １Ｊ １Ｊ 称变形有限元分析［Ｊ］．钢铁研究，２００２（Ｏ１）：１５ —１７． ＩｓｈｉｋａｗａＹｕｎｄｅ，Ｋａｔｓｕｒａ，Ｔａｋｅｅｈｉ．Ｓｉｚｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｃｈａｎｇｉｎｇ Ｄｉｅｓ．Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｐａｔｅｎｔｓ［Ｐ］， １９９７：ＥＰ０６２８３６０Ｂ１． Ｋｏ Ｄ Ｃ，Ｌｅｅ Ｓ Ｈ，Ｋｉｍ Ｄ Ｈ，ｅｔ ａ１．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｓｉｚｉｎｇ Ｐｒｅｓｓ Ａｎｖｉｌ ｆｏｒ Ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ Ｄｅｆｅｃｔ ｉｎ Ｈｏｔ Ｓｔｒｉｐ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７， １８７—１８８（１２）：７３８—７４２． 江光彪，孙大乐．一种定宽侧压机模块的表面堆焊 材料及堆焊工艺［ｓ］．２００８：ＣＮ１０１６１２６９５Ｂ． 刘松，廖永锋．１８８０热轧ＳＳＰ定宽机结构特点分 析［Ｊ］．重型机械，２０１１（０５）：４７—４９． 张齐兵．ＩＨＩ定宽压力机的运动学分析［Ｊ］．冶金设 备，１９９８（０５）：９—１１． ［９］冯宪章，刘才，江光彪，等．１５８０大侧压定宽机 运动学仿真及优化分析［Ｊ］．机械工程学报， ２００４，４０（０８）：１７８—１８２． ［１Ｏ］樊东黎，徐跃明．热处理技术数据手册［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，２０ｏ６． ［１ １］中国机械工程学会热处理专业学会．热处理手册． 第一卷．工艺基础［Ｍ］．北京：机械工业出版社， １９９１．７． ［１２］康大韬，叶国斌．大型锻件材料及热处理［Ｍ］．北 京：龙门书局，１９９８． ［１３］王晓燕．低压转子淬火工艺过程数值模拟的研究 ［Ｄ］．上海：上海交通大学，２０ｉ１． ［１４］陈睿恺．３０Ｃｒ２Ｎｉ４Ｍｏ Ｖ钢低压转子热处理工艺的 研究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２０１２．
