赵 杰，赵景存

（石钢京诚装备技术有限公司，辽宁 营口 115000）

齿轮钢圆钢横断面成分分布不均对加工成齿时的热处理变形有重要影响，齿轮中部碳分布不均匀是引起齿轮啮合度差的主要原因[1]。石钢京诚装备技术有限公司采用圆坯生产齿轮钢棒材，本次试验的轧制工艺为：Φ450 mm连铸坯→加热炉加热→开坯机轧制成中间坯（272 mm×272 mm）→连轧机组6个道次轧制（Φ160 mm）→横移→锯切→冷却→收集→缓冷→精整。开坯机为箱型孔，连轧机组为椭圆-圆孔型系统。圆坯在轧制后锭型偏析的形状变为平椭圆，几何对称性变差，本研究是通过数值模拟和实物对比，分析轧制过程对锭型偏析形状变化的影响。

1 实验材料与实验方法

1.1 数值模拟实验

采用有限元软件进行模型建立，由于棒材轧制过程属于大变形的金属塑性成形问题，因此采用刚塑性材料模型。轧件为塑性材料，模拟用材料为AISI4140钢，其泊松比为0.3，杨氏模量为210 MPa，热膨胀系数为1.2×10-5/℃，摩擦系数为0.5，轧辊为刚性材料。棒材的轧制过程属于对称轧制，可选取原模型的1/4进行模拟研究，如图1所示，模拟过程采用四面体进行网格划分。轧件与空气的对流换热系数取0.015 kW/（m2·K），轧件的辐射率为0.75。

图1 轧制模型

本次模拟实验研究连轧机组对锭型偏析的影响，使用点追踪功能追踪1/4处点的位移和等效应变变化情况，如图2所示，P1和P2的初始位置距离中心均是68 mm，然后对比分析上下和两侧的位移和等效应变变化，并分析产生的原因。272mm×272mm的中间坯初始温度为1 050℃，为更好地与实际情况相符合，中间坯先在空气中冷却120 s，然后进入连轧机组，经过6道次轧制成Φ160 mm。

图2 P1和P2的位置

1.2 实物对比实验

将4支同钢种同浇次的Φ450 mm连铸坯经过开坯机轧制成272 mm×272 mm的中间坯，然后经过连轧机组6道次轧制成Φ160 mm圆钢。轧制时不同炉号同流节号的连铸坯轧制相同的面，两支内弧向上轧制，两支侧面向上轧制，分别在中间坯和轧材上取样，标定内外弧和南北面的位置，对比分析中间坯的锭型偏析和轧材的锭型偏析的框型位置。

2 结果与讨论

2.1 数值模拟实验结果分析

采用点追踪功能得到的P1和P2的位移图如下页图3所示。

从图3可以看出，第2道次、第4道次、第6道次的P2和P1两点的位移差值分别为2.38mm、4.34 mm、2.27 mm。经过6道次轧制，P2点向中心移动的位移比P1点的位移大2.27 mm，即：P2点向中心移动的位移较大，出现了长轴和短轴，锭型偏析的形状成由圆形成为平椭圆形。方件进椭圆以及椭圆-圆孔型系统中轧制时由于不同位置压下量的不同，存在变形的不均匀性。

图3 P1和P2的位移图

由图4可以看出，经过6道次的轧制，P2的等效应变为1.95，P1的等效应变为1.88，P2比P1的等效应变大0.07。方件进椭圆孔后，从两端开始压下，越靠近两端压下率越大，应变也是越靠近端部越大，越接近中间越小。

图4 P1和P2的各道次等效应变图

图5—图10为第1至第6道次轧制完成后得到的等效应变图，可以看出轧件断面内不同位置应变的不均匀性，轧制完成后原来中间坯四个角的部分应变最大，中心部位应变最小，上部的应变要大于下部。

图5 第分1布道云次图等 效应变

图6 第2道次等效应变分布云图

图7 第分3布道云次图等 效应变

图8 第4道次等效应变分布云图

图9 第分5布道云次图等效应变

图10 第分6布道云次图等效应变

2.2 实物对比实验结果分析

对轧制后的中间坯和轧材分别取样做低倍观察，如图11所示，图中1、2、3、4分别对应连铸的内弧、外弧、北侧、南侧。对其进行检验分析统计，结果见表2。

图11 实物照片

表2 锭型偏析数据统计表

下页图12中第一行为中间坯，第二行为轧材，粗实线为锭型偏析形状。连铸坯等轴晶/柱状晶界面区域的宏观偏析在轧制过程中沿轧制方向延伸的同时，在横截面内会向轧件表面产生不同程度地流变[2]。由图12可以看出，轧后锭型偏析形状均为不规则的平椭圆形。参照中间坯位置，再根据相对位置不变得出：4支坯料上下面到中心的距离减小的平均值为3 mm，两侧到中心的距离增大的平均值为1.15 mm。

图12 中间坯和轧材锭型偏析示意图（mm）

2.3 讨论

在原始位置时，P1点和P2点到轧件中心的位置是相等的。由数值模拟结果显示：整个断面内总的等效应变是不均匀的，经过6道次的轧制后，上部的应变要大于下部的应变，P1点的应变大于P2，并且P2点的位移比P1点的位移大2.27 mm，也就是出现了短轴和长轴，圆坯在轧制后锭型偏析的形状变为了平椭圆形。通过实物对比试验的结果表明，轧件1/4处上下面比两侧面的金属位移（相对于轧件中心）大4.15mm，如果变形前为圆形，变形后也会成为平椭圆形。

数值模拟的结果和实物对比试验的结果是一致的，经过6道次轧制，P2点（上下面）比P1点（两侧面）的位移大。在孔型中轧制时，不同位置的金属流动规律是不同的，方件进椭圆孔后从两端开始压下，越靠近两端压下率越大，应变越靠近端部越大，越接近中间越小[3]。在椭圆-圆孔型系统中轧制时，不同位置的压下率是不同的，应变也是不同的，压下率大时相应的应变也大。

3 结论

1）方件在进椭圆以及在椭圆-圆孔型系统轧制时，变形不均匀性较大，金属流动过程中相对位置会发生变化，轧制过程变形的不均匀性可以改变锭型偏析的形状。

2）数值模拟的结果和实际生产具有一致性，通过数值模拟优化孔型系统，可为生产高端齿轮钢提供指导。