环件冷轧对100Cr6钢组织和织构演变的影响外文翻译资料

 2023-02-26 21:21:09

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环件冷轧对100Cr6钢组织和织构演变的影响

K. Ryttberg, M. Knutson Wedel, V. Recina, P. Dahlman, L. Nyborg.

摘要:

本文涉及100Cr6矩形截面环件冷轧过程中显微组织和织构的演变。通过以预定的间隔中断轧制过程，可实现从1.05到1.5的轧制比，从而导致不同程度的环变形。将简单矩形截面环的冷轧结果与复杂截面环的冷轧结果进行了比较。通过将光学显微镜和扫描电子显微镜观测与硬度测量相结合，显示两种不同环的几何形状，它们在冷轧过程中显示出相似的材料流动。环的内表层变形最严重，并朝外表层方向减小。通过采用电子背散射衍射（EBSD），可观测到冷轧将环坯的{1 1 1}纤维织构转变为{1 1 0}织构。这意味着轧制过程中存在剪切变形和压缩变形的混合。

关键词:环件冷轧；微观组织；织构；钢；成形

  1. 引言

近年来，不断上涨的钢铁价格以及社会对更环保生产的要求，已成为刺激制造业在生产中应用近净成形的动力。环件冷轧就是这样一种广泛应用于生产无缝环形零件，例如轴承和齿轮的工艺方法[1]。在轧制时，将预车削的环件（毛坯）在两个可能没有特定形狀或有指定轮廓的轧辊之间滚动。尽管乍看之下该过程很简单，但实际上却相当复杂，旋转的环件在轧辊之间反复通过导致环件的变形不断增加。此外，在分析轧制过程中，必须考虑整个环件的应力状态，而不是仅考虑变形的区域，这使得环件冷轧的分析要比典型的板材冷轧要复杂得多。在过去40年中，已发表的研究主要集中于评估不同工艺参数的影响，例如轧制力，功率和进给速度[2,3]，而过去10年中的论文主要致力于建模和仿真[1]。然而，关于冷环轧制过程中的显微组织变化或最终产品特性的报告很少。

冷环轧制导致较大的变形，从而也导致织构的生长。已充分研究过的严重变形，例如钣金成型，等径角挤压（ECAE）和拉拔[4,5]时材料纹理的示例已经给出。正如Hutchinson等人在讨论钢变形中的微观结构和织构时所讨论的，bcc（体心立方金属）中的冷轧织构通常发展为两个族；alpha;纤维（其中{1 1 0}方向平行于轧制方向）和gamma;纤维（其中{1 1 1}方向平行于板材表面的法线方向）。在这种情况下，应力状态基本认为是普通应变。当剪切变得重要时，例如在ECAE中，相应的纹理包含{1 1 0}[6-8]部分。体心立方金属轴对称拉长，例如拉拔中，形成强烈的{1 1 0}纤维纹理，其中{1 1 0}方向与轴线平行[1]。在环件冷轧过程中可能会出现混合应力状态，因此相应的织构成分将取决于哪个条件占主导地位。通过分析变形程度不断增加的环件横截面多个区域的织构发展并将其与bcc金属中的已知织构进行比较，可以获得有关轧制过程中环件应力状态的信息。这些信息和对与材料性能有关的微观结构演变的更透彻的了解，可用于改进环件冷轧过程中材料行为的模型，还可用于验证对轧制过程的模拟。

表1

C

Si

Mn

S

Cr

Mo

Ni

Min

0.95

0.20

0.25

1.35

Max

1.00

0.35

0.40

0.015

1.60

0.08

0.25

表2

Ring no.

OD (mm)/exp.

(%)

ID O (mm)/exp.

(%)

ID I (mm)/exp.

(%)

Blank

RCS

146/–

116/–

–

RCS 1

164.8/113

139.4/120

–

RCS 2

176.1/121

152.6/132

–

RCS 3

195/134

175.4/151

–

Blank

CCS

150/–

129/–

–

CCS

179/120

162/126

165/128

在Ryttberg[9]等人的最新研究中表明，环件冷轧会导致球化退火后100Cr6钢织构的发展。但是，在该研究中，冷轧的压下量很小，仅将内径扩大了28％，而对于环件冷轧中通常使用的压下量下织构的发展却没有任何展现。 此外，由于使用了相当复杂的环形形状，因此很难准确分析结果。本研究的目的是研究具有简单形状的，内径扩展高达50％的环件冷轧过程中织构和微观结构的演变。用于研究的材料是球化退火的100Cr6钢，这是冷轧环件产品中常用的材料。环件的微观结构和材料流动可通过光学显微镜和扫描电子显微镜结合硬度测量来评估，并通过电子背散射衍射测量织构的演变。

  1. 材料和方法

本研究中使用的材料是DIN100Cr6钢（SAE 52100），其标称成分如表1所示。该材料取自热轧管，坯料通过球化退火并预加工为两种不同几何形状的环件，均具有矩形截面，如表2所示。坯料中观测到的显微组织是铁素体，伴有最大尺寸1micro;m的球状碳化物分布在晶间和晶内，晶粒尺寸约为15–25 micro;m，硬度约为192 HV。

图2

环件冷轧试验通过一台径向轧制机进行。图1a给出了该轧机所采用的轧制工艺原理。在这种特定的机器中，驱动辊在芯轴自由时被驱动，这意味着由于环和工具之间的摩擦力，芯轴自由旋转。导向辊用于在成型过程中稳定环件，并用来保证环件的最终圆度。随着环件外径的增长，信号辊将指示何时停止轧制。在轧制过程中，环件也受到辊子上台肩的轴向约束。轧制时不断往环件上注油，既减少了环轧过程中的摩擦，又限制了温度的升高。通过这种方式生产了具有两种不同几何形状的环第一种具有简单的矩形横截面（RCS），而第二种具有更复杂的几何截面（CCS），如图1b所示。为了能够研究轧制过程中的显微组织演变，将环件轧制到不同的尺寸，如表2所示。

使用光学显微镜研究环件中的材料流动，同时使用扫描电子显微镜（SEM）仔细观察了微观结构。使用的SEM仪器是高分辨率发射场型Leo 1550 Gemini。 在研究之前，将样品抛光并用1.5％的硝酸酒精蚀刻。

织构的演变通过电子背散射衍射（EBSD）来测量。 所使用的EBSD系统来自于HKL-Technologies，并连接有Nordlys探测器。使用CHANNEL 5软件进行分析，该软件通过自动识别菊池线来输出显微取向成像（OIM）结果。 用于EBSD检测的样品通过机械研磨和金刚石悬浮液研磨抛光至1micro;m，然后使用胶态二氧化硅悬浊液抛光制备。最后一步，按照Lins等人[10]的建议对样品进行了化学机械抛光，使用的溶液含有12.5毫升硅胶胶体悬浊液，982毫升蒸馏水，0.5毫升硝酸和5毫升市售洗涤剂。

为了能够分析径向纹理，样品测量时的取向如图1c所示。 EBSD测量在样品的三个区域中进行：环件外表面向内500 micro;m，环件中心层，环件内表面向外500 micro;m。 但是应注意，表面500 micro;m以下并非是每个环件同一变形百分比的位置。 在每个区域研究了大约120 micro;mtimes;210 micro;m的范围，每个区域分析了大约100-120个晶粒。 从统计数据来看，对较小区域的研究始终受到限制。 但是，选择的区域要足够大，以便能够在合理的观测时间内区分出相应的织构成分。这与检查相结合，以证明通过缝合图增加的晶粒数量不会改变最终的织构。实验所使用的步长为0.5mu;m。分析中不包括碳化物沉淀，但在取向成像图（OIM）中产生了屈服“白点”。最终的分度百分比在60％到80％之间，对于变形最严重的样品，百分比较低。尽管进行了仔细的样品制备，但在结果分析期间仍需对样品表面绕RD轴旋转几度进行微小校正。

  1. 结果和分析

3.1起始微观结构

光学显微镜观测结果显示在整个毛坯横截面中，在晶粒尺寸和晶粒外观方面显示出相当均匀的完全球化微观结构，见图2a。 可以在晶内和晶间看到球状碳化物，见图3，且在整个样品中都可以发现MnS夹杂物。 然而，在表面以下几微米深的区域显示出在轧制之前环坯的预车削中引入了变形结构，见图3f。 硬度测量结果也反映了这一点，即在表面附近硬度更高其他区域硬度较低，如图2b所示

    1. 环件轧制过程中的材料流动

当环件进行冷轧时，靠近环件内表面的区域内发生塑性变形，随后在外表面发生，然后塑性区域朝环件中心层生长，导致了环件变形的不对称， Hua等人[11]已经在他们对异形截面环件的塑性渗透三维有限元分析中对此进行了描述。在硬度测量中，参见图2b，确认了变形区域在靠近内表面的地方增长得更快，并一直朝着外径区域延伸。尽管在矩形横截面环件和沟槽截面环件中都可以看到这种效果，但由于几何形状的原因，它在后者中表现得更明显。轮廓形状的形成意味着在内径表面附近局部较大的变形。 在Ryttberg等人[9]的论文中可以找到有关复杂截面环件变形更详尽的讨论。光学显微镜，SEM和EBSD的研究进一步支撑了上述结果。通过分析整个环件中的晶粒外观可以得到材料流动的方向，见图3a–c。图3h显示出了整个冷轧环件晶粒变形结构的示意图。变形程度越高，晶粒越细长。对于环坯，晶粒的典型长径比低于2，而冷轧至形变最大时，即在RCS 3号环件中，长径比达到5至6。SEM图像显示出了变形对晶粒外观的影响，如图3d和e所示。尽管最接近表面的晶粒结构变形严重，但碳化物基本没有受到影响，所有变形都发生在周围的软铁素体基体中。这在图3g中得到了体现，在该图中可以看到，铁素体散布在碳化物周围而不影响其外观。

除了变形的一般发展之外，由环坯

图3

图4

预车削产生的严重变形层逐渐进一步变形，从而导致局部的严重变形限制在距离表面几微米的地方，见图3g。 但是，由于该表面区域太浅无法影响硬度测试结果

此处呈现的总体材料流动行为与Mamalis等人[12]发表的关于碲铅环件轧制过程中的材料流动研究非常吻合。通过分析流动模式，他们发现变形开始于环件内表面附近，而变形量最小的是环的外表面附近。这导致最初的直线半径在轧制方向上弯曲。即使流动模式的具体形式被证明决定于进给速率，其表现也与图3h中描述的一致，在环件轧制中此表现很普遍。通过使用热机械耦合有限元建模，Song等人[13]在环件热轧中发现了相同的变形行为。在某种程度上，我们的结果还支持了Guo等人[5]发表

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