大型輥身鍛件（如軋輥、支撐輥等）是冶金、礦山裝備中的關(guān)鍵部件，其服役環(huán)境苛刻（高溫、高載荷、強磨損），對內(nèi)部組織均勻性、力學(xué)性能及殘余應(yīng)力分布要求極高。多向鍛造工藝（Multi-Directional Forging, MDF）通過多軸交替變形改善材料各向異性、細化晶粒并降低殘余應(yīng)力，是實現(xiàn)高性能輥身制造的先進技術(shù)。以下從工藝設(shè)計、殘余應(yīng)力控制方法及工業(yè)應(yīng)用展開分析：

一、大型輥身鍛件多向鍛造工藝設(shè)計

1. 材料選擇與變形特性

基材優(yōu)化：輥身常用材料為高鉻鋼（如MC3、ICDP）或高速鋼（HSM），需通過熱壓縮試驗測定其高溫流變行為，確定動態(tài)再結(jié)晶臨界條件（如MC3鋼在1050℃、應(yīng)變速率0.1s?1時再結(jié)晶體積分數(shù)＞90%）。

多向變形路徑：采用“鐓粗-拔長-扭轉(zhuǎn)”復(fù)合工藝，通過改變主變形方向（如X/Y/Z軸交替變形），破碎粗大枝晶，提升等軸晶比例至85%以上。

2. 多向鍛造工藝參數(shù)優(yōu)化

溫度控制：

加熱階段：多段梯度加熱（650℃×2h + 850℃×2h + 1150℃×3h），避免熱應(yīng)力裂紋。

鍛造溫度：始鍛溫度1100~1150℃，終鍛溫度≥850℃，每火次變形量控制在30%~50%。

應(yīng)變速率與變形路徑：

高應(yīng)變速率（1~5s?1）促進動態(tài)再結(jié)晶，低應(yīng)變速率（0.01~0.1s?1）減少變形抗力，交替使用以實現(xiàn)晶粒細化（目標(biāo)晶粒度ASTM 7~8級）。

變形路徑設(shè)計：采用“3D十字交叉”變形（如X→Y→Z軸向交替拔長），消除單向變形導(dǎo)致的帶狀組織。

3. 工裝與設(shè)備要求

模具設(shè)計：

多向鍛造專用模具需具備快速換向功能，模腔表面噴涂BN基潤滑劑（摩擦系數(shù)≤0.15）。

針對大型輥身（直徑＞800mm），采用預(yù)應(yīng)力組合模具（內(nèi)圈H13鋼+外圈45CrNiMoVA），抗拉強度≥1500MPa。

重型壓機配置：

需配備多向模鍛壓機（如4萬噸級），具備三向獨立加壓能力（X/Y/Z軸壓力偏差≤5%）。

二、殘余應(yīng)力控制關(guān)鍵技術(shù)

1. 殘余應(yīng)力形成機制

熱應(yīng)力：鍛后冷卻過程中表面與心部溫差導(dǎo)致非均勻收縮（如空冷溫差可達200℃）。

組織應(yīng)力：奧氏體→馬氏體相變引起的體積膨脹差異（如高鉻鋼相變膨脹率約4%）。

機械應(yīng)力：多向變形不均勻性導(dǎo)致的局部塑性應(yīng)變梯度。

2. 工藝優(yōu)化降低殘余應(yīng)力

均勻化變形設(shè)計：

通過有限元模擬（如QForm）優(yōu)化變形路徑，使等效塑性應(yīng)變分布均勻（方差≤0.05）。

對輥身端部與中部實施差異變形（中部變形量增加10%~15%），補償心部冷卻滯后效應(yīng)。

控溫控冷技術(shù)：

鍛后階梯冷卻：先噴霧冷卻至650℃（冷卻速率30℃/min），再爐冷至300℃（冷卻速率5℃/min），降低熱應(yīng)力峰值。

同步感應(yīng)加熱：在冷卻過程中對高殘余應(yīng)力區(qū)域（如輥頸）施加局部加熱（300~400℃），實現(xiàn)應(yīng)力松馳。

3. 后處理消減殘余應(yīng)力

振動時效處理：

采用高頻振動（頻率150~200Hz，加速度10~15g）處理4~6小時，使殘余應(yīng)力降低30%~50%。

深冷處理：

將鍛件浸入液氮（-196℃）保持12~24小時，通過超低溫相變細化殘余奧氏體，均勻化應(yīng)力分布。

機械應(yīng)力松弛：

對輥身表面進行滾壓強化（滾壓力200~300kN），引入表面壓應(yīng)力（-200~-300MPa），抵消內(nèi)部拉應(yīng)力。

三、典型應(yīng)用案例

案例：某鋼廠支撐輥（材質(zhì)MC5，直徑Φ1200mm，長度5000mm）

問題：傳統(tǒng)單向鍛造后輥身心部殘余拉應(yīng)力達350MPa，服役中發(fā)生斷裂。

多向鍛造優(yōu)化方案：

工藝調(diào)整：

采用“鐓粗-徑向擠壓-軸向拔長”三向變形，每火次變形量40%。

終鍛階段施加反向扭轉(zhuǎn)（扭轉(zhuǎn)角15°），破碎心部粗大碳化物。

控冷策略：

鍛后先噴霧冷卻至700℃，再以10℃/h緩冷至室溫，配合輥身中部感應(yīng)加熱（400℃×2h）。

后處理：

振動時效（180Hz×5h）+深冷處理（-196℃×18h）。

效果：

殘余應(yīng)力峰值從350MPa降至120MPa，分布均勻性提升60%。

輥身硬度梯度由±3HRC優(yōu)化至±1HRC，服役壽命從6個月延長至18個月。

四、前沿技術(shù)方向

多物理場耦合仿真

基于晶體塑性有限元（CPFEM）與相場模型，預(yù)測多向鍛造過程中組織演變與殘余應(yīng)力的交互作用，實現(xiàn)工藝參數(shù)智能推薦。

在線應(yīng)力監(jiān)測與調(diào)控

集成中子衍射應(yīng)力儀與紅外熱像儀，實時監(jiān)測鍛件內(nèi)部應(yīng)力場與溫度場，通過AI算法動態(tài)調(diào)整冷卻速率與變形路徑。

增材復(fù)合制造

采用激光熔覆在輥身表面制備梯度材料（如WC-Co/Ni基合金），結(jié)合多向鍛造實現(xiàn)“內(nèi)韌外硬”結(jié)構(gòu)，殘余應(yīng)力降低40%。

五、總結(jié)

大型輥身鍛件的多向鍛造工藝與殘余應(yīng)力控制需以均勻塑性變形為核心，山西永鑫生鍛造廠通過多軸交替變形、精準控溫控冷及先進后處理技術(shù)協(xié)同作用，實現(xiàn)組織細化與應(yīng)力均衡。未來發(fā)展趨勢將聚焦于數(shù)字化工藝設(shè)計-在線監(jiān)測-智能調(diào)控的全鏈條閉環(huán)控制，推動高端輥身鍛件向高可靠性、長壽命方向升級。