环形零件短流程铸辗复合成形技术研究进展
发布时间：2021-11-12 16:58
轴承套圈、法兰等环形零件作为关键连接、传动、回转和支承结构件,在航空航天、风力发电、高铁、船舶和高档数控机床等重大装备制造领域应用非常广泛。环形零件的生产是一种高能耗的热加工过程,传统生产工艺主要有两种:（1）厚板轧制—弯卷—焊接成形,该工艺下环件焊接部位应力集中明显,在高压、强腐蚀等恶劣服役条件下为弱性能区;（2）通过冶炼—浇铸—加热—锭坯开坯—下料—圆棒加热—锻造—冲孔—加热—环坯热辗扩来实现环件生产,该工艺流程冗长,开坯、锻造和冲孔工序设备资金投入巨大,多次加热导致能源消耗和材料浪费严重,不利于环境友好型生产。环件热辗扩过程中的传热-变形-组织演变耦合行为使得环坯经历了多场、多因素作用下多道次、连续局部加载与卸载、不均匀变形和微观组织复杂演变历程,对成形环件的外形尺寸、组织和力学性能均产生显著影响。随着环件应用向着大型、轻量、重载和长寿命方面逐步发展,对其高性能、精确成形与低成本制造提出了更高要求。近年来得到重点研究并取得长足发展的环形零件短流程铸辗复合成形技术以砂型铸造或离心铸造获得的环形铸坯加热后直接进行辗扩为基础,省去了开坯、锻造和冲孔,只需要一次加热,具有工艺流程短和节能...
【文章来源】：材料导报. 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
不同初始辗扩温度下的动态再结晶晶粒尺寸分布:
在环件径轴向辗扩过程中,复杂的应力和应变状态及其不可预知性将会引起复杂的织构演变,影响环件的各向力学性能[52]。晶体塑性有限元法可以在介观尺度上将微观多晶体与每个材料或连续质点联系起来,对织构演变规律和各向性能进行模拟[53]。在率相关理论中晶格转动与织构具有唯一性,Asaro等[54]采用率相关多晶模型成功预测了单相面心立方晶体在不同应力应变路径下的变形织构。为研究具有初始各向同性的OFHC铜合金锻造过程,Kalidindi等[55]提出了一种预测坯料锻造过程晶体织构演变的方法,关键在于采用各向同性塑性法计算各质点的局部变形梯度。Lehmann等[56]给出了一种由人工晶粒结构构成的多晶材料模型,模拟具有初始织构的铁素体DC04钢冷轧过程中的织构变化,通过EBSD和原位EBSD拉伸测试得出,织构演变模拟结果与试验结果吻合较好。Lehmann等[57]结合Taylor模型与有限元法定量预测了IF钢铁素体区冷轧织构演变,该方法未澄清其是否能够准确预测晶粒内的不均匀变形和织构演变时的大角晶界迁移特征。与环件辗扩所具有的非对称变形特征类似,采用完全约束Taylor模型可以模拟Fe-3%Si板材高温异步轧制中的厚度截面上的剪切织构,织构演变受板材瞬时几何形状和摩擦因数影响[58]。为了从织构演变角度研究环件辗扩中的组织演变机制,Li等[52,59]基于晶体塑性理论提出了一种稳健的多晶塑性模型,实现了100Cr6环件辗扩织构模拟,并预测了复杂多道次辗扩过程中的织构演变特征,如图6所示。由图6可见,成形环件具有很强的高斯织构{110}〈001〉,环坯初始织构对辗扩环件织构类型影响不大,辗扩后期织构演变速率加快导致该阶段环件尺寸快速增大,剪切变形是主要的辗扩变形机制。因此,晶体塑性有限元模拟可以有效分析环件辗扩成形中的织构演变规律和揭示微观组织演变机理,但还需要探明晶体取向和织构特征在环形铸坯热辗扩过程中的演变机理,以及与工艺参数之间的关系。3 环形铸坯热辗扩过程中组织-织构-性能协同调控研究
武汉理工大学钱东升等[27-28]研究了初轧温度、轧制比和铸坯晶粒尺寸对铸造GCr15轴承环件径向热轧过程中晶粒演变的影响。实验结果发现:初轧温度越高,近中层粗晶区细化程度越大,全厚度晶粒分布越均匀,且细化速度越快;轧制比在一定范围内增加可提高晶粒细化程度,超过一定范围,其细化效果减弱,且轧制比较大时受轧制高温影响可能引起晶粒粗化;铸坯晶粒尺寸对晶粒细化极限的影响不明显。因此,获得了环件全厚度区域晶粒细化的极限值,即轧制过程晶粒尺寸演变存在细化、稳定和粗化行为,近中层细化极限最大、细化程度最小,内表面细化极限最小、细化程度最大。西北工业大学郭良刚等[26]通过建立42CrMo铸坯环件热辗轧的宏-微观有限元模型,阐明了驱动辊转速对再结晶晶粒尺寸及其分布的影响规律与机制:动态再结晶百分数在环件内、外层高而使晶粒细化,在环件中间层低导致粗晶;驱动辊转速增大,动态再结晶百分数增加,晶粒尺寸减小,而晶粒尺寸分布均匀性受驱动辊转速的影响不明显。秦芳诚等[60]采用万能摩擦磨损试验机考察了载荷、滑动速度等工况条件对42CrMo钢铸辗复合成形环件摩擦磨损性能的影响,并结合SEM技术揭示了其磨损机制:环件体积磨损量随滑动距离的延长不断增加,磨损量随载荷、滑动速度的增大而增加;摩擦系数随滑动速度的提高而降低,随载荷的增大先减小后增大;载荷为100 N、滑动速度为0.78 m/s时,耐磨性能较好,磨损机理主要为磨粒磨损和粘着磨损,在大载荷、高滑动速度下,发生严重塑性变形,耐磨性能降低,如图9所示。图8 42CrMo钢铸坯热辗扩环件微观组织:
【参考文献】：
期刊论文
[1]离心铸造双金属复合管缺陷及控制[J]. 王冬林,吴金辉,蔡彬,李富强,王志鹏,李安强,王文嘉. 特种铸造及有色合金. 2018(03)
[2]基于铸坯的42CrMo环件辗扩成形工艺热力耦合分析[J]. 李永堂,丁双凤,付建华,贾璐. 材料热处理学报. 2017(01)
[3]基于铸辗连续成形的42CrMo铸造环坯高温力学性能及临界应变计算[J]. 武永红,李永堂,齐会萍,付建华. 机械工程学报. 2017(06)
[4]42CrMo钢轴承环件铸辗成形及淬回火组织性能研究[J]. 秦芳诚,齐会萍,李永堂,尉潇健. 机械工程学报. 2017(02)
[5]碳扩散对SUS304+Q235B复合板卷轧制结合性能的影响[J]. 陈育生,杜顺林,宁德宇,张竹明. 钢铁研究. 2016(02)
[6]Detailed Evolution Mechanism of Interfacial Void Morphology in Diffusion Bonding[J]. Chao Zhang,Hong Li,Miaoquan Li. Journal of Materials Science & Technology. 2016(03)
[7]铸辗成形大口径25Mn钢环件微织构及力学性能[J]. 秦芳诚,李永堂. 机械工程学报. 2016(08)
[8]轴承环轧制成形理论和技术[J]. 华林,钱东升. 机械工程学报. 2014(16)
[9]基于铸辗复合成形的25Mn钢法兰热处理工艺的试验研究[J]. 秦芳诚,李永堂,齐会萍,杜诗文. 机械工程学报. 2014(14)
[10]环形零件辗扩成形工艺研究现状与发展趋势[J]. 齐会萍,李永堂,华林,郭良刚. 机械工程学报. 2014(14)
硕士论文
[1]25Mn铸环坯径轴向热辗扩成形数值模拟与工艺研究[D]. 邓潮鸿.太原科技大学 2015
[2]基于铸态Q235B环件热辗扩成形工艺数值模拟研究[D]. 蔡中祥.太原科技大学 2015
[3]环件铸辗复合成形多场耦合作用下建模与仿真[D]. 丁双凤.太原科技大学 2014
[4]环件铸辗复合成形中Q235B钢热变形及组织演变研究[D]. 秦芳诚.太原科技大学 2014
[5]铸态Q235B钢法兰环件热辗扩成形工艺研究[D]. 韩素平.太原科技大学 2014
[6]铝合金环件径—轴向轧制成形控制技术研究[D]. 王恒强.哈尔滨工业大学 2014
[7]基于铸坯的环件热辗扩成形工艺数值模拟[D]. 张锋.太原科技大学 2011
[8]冷轧环件微观组织演变规律研究[D]. 邵一川.武汉理工大学 2010
本文编号：3491327
【文章来源】：材料导报. 2020,34(19)北大核心EICSCD
【文章页数】：14 页
【部分图文】：
不同初始辗扩温度下的动态再结晶晶粒尺寸分布:
在环件径轴向辗扩过程中,复杂的应力和应变状态及其不可预知性将会引起复杂的织构演变,影响环件的各向力学性能[52]。晶体塑性有限元法可以在介观尺度上将微观多晶体与每个材料或连续质点联系起来,对织构演变规律和各向性能进行模拟[53]。在率相关理论中晶格转动与织构具有唯一性,Asaro等[54]采用率相关多晶模型成功预测了单相面心立方晶体在不同应力应变路径下的变形织构。为研究具有初始各向同性的OFHC铜合金锻造过程,Kalidindi等[55]提出了一种预测坯料锻造过程晶体织构演变的方法,关键在于采用各向同性塑性法计算各质点的局部变形梯度。Lehmann等[56]给出了一种由人工晶粒结构构成的多晶材料模型,模拟具有初始织构的铁素体DC04钢冷轧过程中的织构变化,通过EBSD和原位EBSD拉伸测试得出,织构演变模拟结果与试验结果吻合较好。Lehmann等[57]结合Taylor模型与有限元法定量预测了IF钢铁素体区冷轧织构演变,该方法未澄清其是否能够准确预测晶粒内的不均匀变形和织构演变时的大角晶界迁移特征。与环件辗扩所具有的非对称变形特征类似,采用完全约束Taylor模型可以模拟Fe-3%Si板材高温异步轧制中的厚度截面上的剪切织构,织构演变受板材瞬时几何形状和摩擦因数影响[58]。为了从织构演变角度研究环件辗扩中的组织演变机制,Li等[52,59]基于晶体塑性理论提出了一种稳健的多晶塑性模型,实现了100Cr6环件辗扩织构模拟,并预测了复杂多道次辗扩过程中的织构演变特征,如图6所示。由图6可见,成形环件具有很强的高斯织构{110}〈001〉,环坯初始织构对辗扩环件织构类型影响不大,辗扩后期织构演变速率加快导致该阶段环件尺寸快速增大,剪切变形是主要的辗扩变形机制。因此,晶体塑性有限元模拟可以有效分析环件辗扩成形中的织构演变规律和揭示微观组织演变机理,但还需要探明晶体取向和织构特征在环形铸坯热辗扩过程中的演变机理,以及与工艺参数之间的关系。3 环形铸坯热辗扩过程中组织-织构-性能协同调控研究
武汉理工大学钱东升等[27-28]研究了初轧温度、轧制比和铸坯晶粒尺寸对铸造GCr15轴承环件径向热轧过程中晶粒演变的影响。实验结果发现:初轧温度越高,近中层粗晶区细化程度越大,全厚度晶粒分布越均匀,且细化速度越快;轧制比在一定范围内增加可提高晶粒细化程度,超过一定范围,其细化效果减弱,且轧制比较大时受轧制高温影响可能引起晶粒粗化;铸坯晶粒尺寸对晶粒细化极限的影响不明显。因此,获得了环件全厚度区域晶粒细化的极限值,即轧制过程晶粒尺寸演变存在细化、稳定和粗化行为,近中层细化极限最大、细化程度最小,内表面细化极限最小、细化程度最大。西北工业大学郭良刚等[26]通过建立42CrMo铸坯环件热辗轧的宏-微观有限元模型,阐明了驱动辊转速对再结晶晶粒尺寸及其分布的影响规律与机制:动态再结晶百分数在环件内、外层高而使晶粒细化,在环件中间层低导致粗晶;驱动辊转速增大,动态再结晶百分数增加,晶粒尺寸减小,而晶粒尺寸分布均匀性受驱动辊转速的影响不明显。秦芳诚等[60]采用万能摩擦磨损试验机考察了载荷、滑动速度等工况条件对42CrMo钢铸辗复合成形环件摩擦磨损性能的影响,并结合SEM技术揭示了其磨损机制:环件体积磨损量随滑动距离的延长不断增加,磨损量随载荷、滑动速度的增大而增加;摩擦系数随滑动速度的提高而降低,随载荷的增大先减小后增大;载荷为100 N、滑动速度为0.78 m/s时,耐磨性能较好,磨损机理主要为磨粒磨损和粘着磨损,在大载荷、高滑动速度下,发生严重塑性变形,耐磨性能降低,如图9所示。图8 42CrMo钢铸坯热辗扩环件微观组织:
【参考文献】：
期刊论文
[1]离心铸造双金属复合管缺陷及控制[J]. 王冬林,吴金辉,蔡彬,李富强,王志鹏,李安强,王文嘉. 特种铸造及有色合金. 2018(03)
[2]基于铸坯的42CrMo环件辗扩成形工艺热力耦合分析[J]. 李永堂,丁双凤,付建华,贾璐. 材料热处理学报. 2017(01)
[3]基于铸辗连续成形的42CrMo铸造环坯高温力学性能及临界应变计算[J]. 武永红,李永堂,齐会萍,付建华. 机械工程学报. 2017(06)
[4]42CrMo钢轴承环件铸辗成形及淬回火组织性能研究[J]. 秦芳诚,齐会萍,李永堂,尉潇健. 机械工程学报. 2017(02)
[5]碳扩散对SUS304+Q235B复合板卷轧制结合性能的影响[J]. 陈育生,杜顺林,宁德宇,张竹明. 钢铁研究. 2016(02)
[6]Detailed Evolution Mechanism of Interfacial Void Morphology in Diffusion Bonding[J]. Chao Zhang,Hong Li,Miaoquan Li. Journal of Materials Science & Technology. 2016(03)
[7]铸辗成形大口径25Mn钢环件微织构及力学性能[J]. 秦芳诚,李永堂. 机械工程学报. 2016(08)
[8]轴承环轧制成形理论和技术[J]. 华林,钱东升. 机械工程学报. 2014(16)
[9]基于铸辗复合成形的25Mn钢法兰热处理工艺的试验研究[J]. 秦芳诚,李永堂,齐会萍,杜诗文. 机械工程学报. 2014(14)
[10]环形零件辗扩成形工艺研究现状与发展趋势[J]. 齐会萍,李永堂,华林,郭良刚. 机械工程学报. 2014(14)
硕士论文
[1]25Mn铸环坯径轴向热辗扩成形数值模拟与工艺研究[D]. 邓潮鸿.太原科技大学 2015
[2]基于铸态Q235B环件热辗扩成形工艺数值模拟研究[D]. 蔡中祥.太原科技大学 2015
[3]环件铸辗复合成形多场耦合作用下建模与仿真[D]. 丁双凤.太原科技大学 2014
[4]环件铸辗复合成形中Q235B钢热变形及组织演变研究[D]. 秦芳诚.太原科技大学 2014
[5]铸态Q235B钢法兰环件热辗扩成形工艺研究[D]. 韩素平.太原科技大学 2014
[6]铝合金环件径—轴向轧制成形控制技术研究[D]. 王恒强.哈尔滨工业大学 2014
[7]基于铸坯的环件热辗扩成形工艺数值模拟[D]. 张锋.太原科技大学 2011
[8]冷轧环件微观组织演变规律研究[D]. 邵一川.武汉理工大学 2010
本文编号：3491327
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