十字鍛造法在熱作模具鋼上的生產(chǎn)實踐

徐詠梅， 劉向軍

(東特集團(tuán)北滿特鋼技術(shù)中心， 黑龍江 齊齊哈爾 161041)

H13R是我公司近年來首次生產(chǎn)的模具鋼，其非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度、超聲波探傷等要求都很嚴(yán)格，且用戶要求采用十字鍛造法生產(chǎn)來保證模具鋼的等向性。十字鍛造法生產(chǎn)有利于破碎坯料中心部分的碳化物，而且由于坯料與錘頭和下砧的接觸面經(jīng)常改變，不致造成局部溫度降低過多，端面產(chǎn)生裂紋的危險性因此減小[1]。但是，由于中心部分的金屬外到毛坯的表面，因而在圓周表面上可能出現(xiàn)碳化物分布不均勻。因此需要對鋼水的純凈度、鋼錠的高溫均質(zhì)化、鍛造變形過程等進(jìn)行重點控制。

1 主要技術(shù)要求

1.1 牌號及化學(xué)成分

牌號及化學(xué)成分應(yīng)符合表1的規(guī)定

表1 鋼的牌號及化學(xué)成分(質(zhì)量百分?jǐn)?shù))

1.2 冶煉方法

鋼應(yīng)采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空處理+電渣重熔冶煉。

1.3 交貨狀態(tài)

鋼材以粗加探傷狀態(tài)交貨，球化退火硬度要求≤230HB，交貨狀態(tài)應(yīng)在合同中注明。

1.4 鍛比要求

采用十字鍛造法，兩鐓兩拔，鍛比≥6。

1.5 低倍組織

鋼材應(yīng)檢驗酸浸低倍組織。橫截面上不得有目視可見的縮孔、夾雜、分層、裂紋、氣泡和白點。

按GB/T 1299第三級別圖評定，中心疏松≤1級，錠型偏析≤1級。

按GB/T1979評定，一般疏松≤1級。

1.6 非金屬夾雜物

鋼材應(yīng)檢驗非金屬夾雜物，按GB/T10561的A法檢驗非金屬夾雜物，合格級別見表2。

表2 非金屬夾雜物合格級別

1.7 顯微組織

鋼材應(yīng)在金相顯微鏡放大500倍條件下檢驗，顯微組織(珠光體)按NADCA(H13退火組織圖)級別圖評定：A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2為合格級別的圖片。

1.8 超聲波探傷

按GB/T6402執(zhí)行，鋼材應(yīng)逐支進(jìn)行超聲波探傷。不允許存在裂紋、白點、縮孔類型的缺陷，合格標(biāo)準(zhǔn)為單點缺陷不大于Φ3mm當(dāng)量，連續(xù)缺陷不大于Φ2 mm當(dāng)量。

1.9 表面質(zhì)量

鋼材表面肉眼可見的裂紋、折疊、結(jié)疤和夾雜需要清除，清理深度不得超過負(fù)差。

2 確定工藝流程

根據(jù)熱作模具鋼H13R鋼的技術(shù)條件及使用要求，需要對冶煉及電渣重熔過程的鋼水純凈度、鋼錠的高溫均質(zhì)化、鍛造溫度、鍛造變形過程、變形量及終鍛溫度進(jìn)行重點控制。為保證產(chǎn)品的各項性能指標(biāo)，保證鋼水的純凈度，冶煉方式采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空處理+電渣重熔冶煉。確定工藝流程為：電爐冶煉+LF+VD→澆注電極坯料→坯料退火→電渣重熔→電渣錠熱送→鋼錠加熱、鍛造→鍛后熱處理→粗加→探傷→檢驗→上交。

3 生產(chǎn)試制

3.1 電爐冶煉及電渣重熔

電爐冶煉工序的重點是提高鋼水的純凈度，充分去除鋼中氣體和夾雜。為滿足鋼錠成品嚴(yán)格的氣體含量和有害元素含量要求，在配料時要求每爐都要配入30%以上的生鐵或鐵水，同時要求鐵合金及造渣材料充分烘烤和干燥，精煉時采用鋁脫氧，并對白渣操作時間、真空度、真空保持時間、破真空后軟吹氬時間都做出了明確規(guī)定并貫徹執(zhí)行。澆注時控制澆注溫度和澆注速度，電極坯料及時退火；坯料退火后進(jìn)行了清理，必須滿足符合電極坯料使用標(biāo)準(zhǔn)。

冶煉過程中，通過加強(qiáng)原輔材料的干燥烘烤、控制合適的鋼液真空精煉的溫度及有效真空時間、選擇合適的出鋼溫度、保證澆注系統(tǒng)的清潔干燥、采用氬氣保護(hù)澆注等手段，去除鋼中夾雜物，提高鋼水純凈度。

電渣重熔的原理為強(qiáng)大的電流在熔渣中放出電阻熱，渣池達(dá)到1 700～1 800℃的高溫過熱狀態(tài)，使進(jìn)入渣池內(nèi)的自耗電極熔化、細(xì)小的金屬熔滴與高溫渣相發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后，滴落于金屬熔池內(nèi)，由于四周水冷結(jié)晶器的強(qiáng)制冷卻，鋼液逐漸凝固成型。電渣重熔時，重點控制重熔過程的穩(wěn)定性，保證熔化速率均衡穩(wěn)定，確保熔池淺平，盡可能地減小化學(xué)成分偏析，并同時保證鋼錠的表面質(zhì)量，電渣錠脫模后及時熱送。

3.2 鋼錠加熱、鍛造及鍛后熱處理

鋼錠熱送至鍛鋼公司，必須保證加熱爐爐溫的均勻性。鋼錠升溫至鍛造溫度，進(jìn)行高溫均質(zhì)化擴(kuò)散。熱加工過程中常采用高溫均質(zhì)化來減少或消除枝晶偏析。其基本原理是通過高溫狀態(tài)下合金元素原子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移，來提高合金元素分布的均勻程度[2]。即將鋼錠加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫，然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。其目的是消除鋼錠在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析，使成分和組織均勻化。對于模具鋼這種合金成分較高的鋼種來說，高溫均質(zhì)化是一道不可或缺的工序。在鋼錠透燒后，鋼錠的內(nèi)外變形程度也更加均勻一致。

鍛造時采用兩鐓兩拔鍛造工藝，并采用十字鍛造法成型。十字鍛造法是坯料沿軸向鐓粗后，在橫截面中兩個互相垂直方向進(jìn)行反復(fù)鐓拔，其成型過程如圖1所示。具體為：鋼錠一次鐓粗后沿直徑方向拔長，二次鐓粗時與一次鐓粗的方向垂直，沿一次拔長的垂直方向進(jìn)行鐓粗，然后再沿二次鐓粗的方向拔長后成型。

鍛造過程鍛比必須滿足技術(shù)條件要求，并需要及時清理砧子上的氧化鐵皮，保證表面質(zhì)量及尺寸。為避免退火不及時產(chǎn)生白點缺陷，鍛后必須及時裝入退火爐。該鋼種鍛造順利，塑性很好，在鍛造時能夠?qū)崿F(xiàn)大變形量生產(chǎn)，鍛坯表面良好。

十字鍛造法的難度之一在于鋼錠頭尾的切除，由于鋼錠較大，實現(xiàn)熱切且保證端面平整避免在后續(xù)鍛造過程中產(chǎn)生折疊比較困難，在后續(xù)生產(chǎn)中對兩支鋼錠進(jìn)行了帶鋸冷切后鍛造試驗，切頭尾的難度得以解決。另外一個難度就是鍛造火次較多，且沿鋼錠高度方向拔長較為困難，需要多次翻轉(zhuǎn)鍛坯。

在鍛后熱處理過程中，采用了一次正火，一次過冷加擴(kuò)散去氫退火工藝。通過正火達(dá)到均勻組織、細(xì)化晶粒的目的。過冷是為了使奧氏體充分分解，然后長時間保溫進(jìn)行擴(kuò)散去氫處理。

3.3 H13R扁鋼粗加、探傷

H13R鍛件鍛后退火后粗加，隨后進(jìn)行超聲波探傷，探傷全部合格。

圖1 十字鍛造法成型方式

4 產(chǎn)品檢驗

在鍛件上取樣進(jìn)行檢驗，H13R扁鋼各項檢驗結(jié)果如下：

4.1 化學(xué)成分

鋼錠的成品化學(xué)成分檢驗結(jié)果及錠的成品成分及氣體含量檢驗結(jié)果如表3、表4所示。

表3 鋼錠的成品化學(xué)成分(%)

表4 鋼錠的成品氣體含量(ppm)

4.2 高倍檢驗

鋼材非金屬夾雜物檢驗結(jié)果如表5所示。

表5 非金屬夾雜物(級)

4.3 低倍檢驗及硬度

鋼材超聲探傷合格，其低倍組織及成品硬度檢驗結(jié)果如表6所示。

表6 低倍組織及成品硬度檢驗結(jié)果

5 結(jié)論

鋼錠采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空處理+電渣重熔冶煉+十字鍛造的生產(chǎn)方式能滿足H13R產(chǎn)品的非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度、超聲波探傷等要求。

通過十字鍛造法生產(chǎn)該產(chǎn)品，掌握了十字鍛造法在模具鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用，十字鍛造法能保證模具鋼的等向性；在鍛造過程中，重點是控制兩鐓兩拔時的方向性，保證鋼錠變形過程為十字方向。

各種檢驗數(shù)據(jù)也表明，我公司H13R鍛制扁鋼試制成功，并通過數(shù)據(jù)摸索，積累了一些基本數(shù)據(jù)，為今后生產(chǎn)同類鋼種積累了經(jīng)驗，也為公司生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品做了有益的嘗試。

[1]張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990, 85.

[2]彭坤，金曼，張洪奎，等.高溫均質(zhì)化對高碳Cr合金鋼錠組織和元素分布的影響[J].上海金屬,2010.32(1)：15-18.