大型辊身锻件的多向锻造工艺研究与残余应力控制

大型辊身锻件（如轧辊、支撑辊等）是冶金、矿山装备中的关键部件，其服役环境苛刻（高温、高载荷、强磨损），对内部组织均匀性、力学性能及残余应力分布要求极高。多向锻造工艺（Multi-Directional Forging, MDF）通过多轴交替变形改善材料各向异性、细化晶粒并降低残余应力，是实现高性能辊身制造的先进技术。以下从工艺设计、残余应力控制方法及工业应用展开分析：

一、大型辊身锻件多向锻造工艺设计

1. 材料选择与变形特性

基材优化：辊身常用材料为高铬钢（如MC3、ICDP）或高速钢（HSM），需通过热压缩试验测定其高温流变行为，确定动态再结晶临界条件（如MC3钢在1050℃、应变速率0.1s⁻¹时再结晶体积分数＞90%）。

多向变形路径：采用“镦粗-拔长-扭转”复合工艺，通过改变主变形方向（如X/Y/Z轴交替变形），破碎粗大枝晶，提升等轴晶比例至85%以上。

2. 多向锻造工艺参数优化

温度控制：

加热阶段：多段梯度加热（650℃×2h + 850℃×2h + 1150℃×3h），避免热应力裂纹。

锻造温度：始锻温度1100~1150℃，终锻温度≥850℃，每火次变形量控制在30%~50%。

应变速率与变形路径：

高应变速率（1~5s⁻¹）促进动态再结晶，低应变速率（0.01~0.1s⁻¹）减少变形抗力，交替使用以实现晶粒细化（目标晶粒度ASTM 7~8级）。

变形路径设计：采用“3D十字交叉”变形（如X→Y→Z轴向交替拔长），消除单向变形导致的带状组织。

3. 工装与设备要求

模具设计：

多向锻造专用模具需具备快速换向功能，模腔表面喷涂BN基润滑剂（摩擦系数≤0.15）。

针对大型辊身（直径＞800mm），采用预应力组合模具（内圈H13钢+外圈45CrNiMoVA），抗拉强度≥1500MPa。

重型压机配置：

需配备多向模锻压机（如4万吨级），具备三向独立加压能力（X/Y/Z轴压力偏差≤5%）。

二、残余应力控制关键技术

1. 残余应力形成机制

热应力：锻后冷却过程中表面与心部温差导致非均匀收缩（如空冷温差可达200℃）。

组织应力：奥氏体→马氏体相变引起的体积膨胀差异（如高铬钢相变膨胀率约4%）。

机械应力：多向变形不均匀性导致的局部塑性应变梯度。

2. 工艺优化降低残余应力

均匀化变形设计：

通过有限元模拟（如QForm）优化变形路径，使等效塑性应变分布均匀（方差≤0.05）。

对辊身端部与中部实施差异变形（中部变形量增加10%~15%），补偿心部冷却滞后效应。

控温控冷技术：

锻后阶梯冷却：先喷雾冷却至650℃（冷却速率30℃/min），再炉冷至300℃（冷却速率5℃/min），降低热应力峰值。

同步感应加热：在冷却过程中对高残余应力区域（如辊颈）施加局部加热（300~400℃），实现应力松驰。

3. 后处理消减残余应力

振动时效处理：

采用高频振动（频率150~200Hz，加速度10~15g）处理4~6小时，使残余应力降低30%~50%。

深冷处理：

将锻件浸入液氮（-196℃）保持12~24小时，通过超低温相变细化残余奥氏体，均匀化应力分布。

机械应力松弛：

对辊身表面进行滚压强化（滚压力200~300kN），引入表面压应力（-200~-300MPa），抵消内部拉应力。

三、典型应用案例

案例：某钢厂支撑辊（材质MC5，直径Φ1200mm，长度5000mm）

问题：传统单向锻造后辊身心部残余拉应力达350MPa，服役中发生断裂。

多向锻造优化方案：

工艺调整：

采用“镦粗-径向挤压-轴向拔长”三向变形，每火次变形量40%。

终锻阶段施加反向扭转（扭转角15°），破碎心部粗大碳化物。

控冷策略：

锻后先喷雾冷却至700℃，再以10℃/h缓冷至室温，配合辊身中部感应加热（400℃×2h）。

后处理：

振动时效（180Hz×5h）+深冷处理（-196℃×18h）。

效果：

残余应力峰值从350MPa降至120MPa，分布均匀性提升60%。

辊身硬度梯度由±3HRC优化至±1HRC，服役寿命从6个月延长至18个月。

四、前沿技术方向

多物理场耦合仿真

基于晶体塑性有限元（CPFEM）与相场模型，预测多向锻造过程中组织演变与残余应力的交互作用，实现工艺参数智能推荐。

在线应力监测与调控

集成中子衍射应力仪与红外热像仪，实时监测锻件内部应力场与温度场，通过AI算法动态调整冷却速率与变形路径。

增材复合制造

采用激光熔覆在辊身表面制备梯度材料（如WC-Co/Ni基合金），结合多向锻造实现“内韧外硬”结构，残余应力降低40%。

五、总结

大型辊身锻件的多向锻造工艺与残余应力控制需以均匀塑性变形为核心，山西永鑫生锻造厂通过多轴交替变形、精准控温控冷及先进后处理技术协同作用，实现组织细化与应力均衡。未来发展趋势将聚焦于数字化工艺设计-在线监测-智能调控的全链条闭环控制，推动高端辊身锻件向高可靠性、长寿命方向升级。

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