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[转帖] 合金工具钢锻造工艺的研讨

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发表于 2006-10-4 17:01:26 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国浙江杭州

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摘 要:根据冲压工作经验和使用进口、国产冲模体会,提出合金工具钢改锻工艺技术及操作实施要点。  5 d3 L' v* l4 V. s
关键词:机械制造:合金工具钢;锻造;冲模  
4 V0 u: [. K- q) ?2 _% b+ B. {' c0 @5 h& L, }9 F+ u6 o  ]
1 前言  
  l# S$ u4 @4 Y* M* b
  [  z/ C( T+ a; q1 W- r; ]模具制造业是使用各种合金工具钢最多最广的领域。通常使用的有以下品种:碳素工具钢、低合金工具钢、基体钢和中碳低合金钢。  
5 _9 b$ _5 U$ c4 s/ o" O8 g4 @" H) p7 Z) i
长期以来,国产模具寿命普遍偏低,与先进水平相比,相同制模材料、类似甚至完全相同的冲压件,模具寿命只有发达国家的l/3~1/2。主要差距表现在制摸材料、锻坯质量和制模工艺等方面。  ; Z8 `, i6 M1 r3 f
/ M; R8 |# y2 f7 c( c, B5 o
2 冲模锻坯质量  
. A, f8 f. G% r4 l8 M) q: W6 j, Q: \2 Q% _6 N; ^5 C
通常冲模的失效形式主要是磨损,其次是变形、疲劳和断裂。磨损是最常见而又普遍的失效形式。通过对大量失效报废冲模的分析研究可知,无论哪种失效形式都与冲模的凸模、凹模材料性能及其内在质量密切相关。冲摸失效有以下了几种情况:  
  u% h. K# V; W  g5 A) U' ?
- O3 G& Z4 f, d1 c' o- O1 }8 F" ~(1)刃口过量磨损。这主要发生在冲裁模上,其凸、凹模磨损与其制模材料性能和热处理有关。因此,冲裁凸模、凹模锻坯应选用耐磨优质合金材料,采用改锻工艺制坯;热处理除需淬透外,对凸、凹模还要作氮化、软氮化等表面强化处理。这样模具硬度可达HRC64以上,冲模寿命提高2-3倍。  + m& r. T: w- I) H7 o# M
+ l, s3 u, E1 m% r4 f' Z
(2)凸模折断。这种形式尤其在非圆形冲孔(或落料)凸模上突出,这除与材料性能、热处理有关外,与它们的横断面复杂也有重要关系。因此,要防止这类失效,不仅要提高模具锻坯性能、强化表面,还应在不影响冲件质量的前提下,改善凸模横断面复杂形状,消除诸如锐角、凹口、凸台、齿形、细长悬臂等易造成应力集中的因素。    N# E/ d0 `1 {/ A* Q

" A$ X  B/ P4 U' {; j(3)成形型腔磨损、局部压塌、凸模镦粗。这类失效主要发生在压印、压花、拉深、弯曲、压波、冲挤、打扁、聚积、挤凸、凸肚和缩径等成形冲模上。对这类失效除材料问题外,通过模腔表面强化处理、表面研磨抛光(Ra=0.1μm),再配以有效润滑,就可以得到有效防止,模具寿命将会大幅提高。  
& F) {* _9 N5 ]) N  D6 u# J. H9 e9 H% K; u* u4 T5 J( N
3 高合金工具钢改锻的意义  
( h& `+ P  O* W3 x: R
9 R4 [. f. r  G, {: b  Q% B) r作为冲模常用材料的高合金工具钢,其所有的力学性能的高低,与冲模的使用和寿命息息相关。在国外常常通过改锻来提高高合金工具钢的力学性能,而国产高合金工具钢,尤其是冷作模具用高合金工具钢(如Crl2,Crl2MoV),其共晶碳化物极不均匀,若不经改造,是不能满足冲模需要的。因此,需采用先进锻造工艺进行改锻,以达到制模要求。  
  U. M( C" ]& f$ A4 S; k; F
5 t6 W. F$ j$ ?! u2 E6 `冷作模具高合金钢的锻造,不限于获得理想的几何形状、消除冶金缺陷(如锻焊内部疏松、非氧化气孔、细化晶粒、紧密组织等),更重要的是通过合理的锻造操作,大幅度提高钢的力学性能。  
' n+ m: W# V6 M( \3 Z
/ v2 c5 [& {# R: J: C" Y4 改锻的基本工艺要素  ( W/ w) H. T4 u9 Q- Y. m+ s

5 A3 |! u; P; C9 Z% a! i高合金工具钢轧(锻)材的改锻与一般自由锻有别,各个环节都有具体的要求。欲将其改锻成高质量的冲凸模、凹模锻坯,必须事先确定好以下一些基本要素。  5 Y% a4 ?; ~( h& s/ H$ O
2 a3 {% U4 P: D; W! `
4.1 对原始毛坯的要求  
; |2 E- n  D& |/ s( H) Q1 s- P1 a& U% M' q2 H5 g
模具制造大都是单件、小批量生产,模具锻坯的原始毛坯下料主要采用锯切割。要求两端平整(倾角小于10°),其毛坯尺寸还应考虑加工余量和火耗。为了满足首次镦粗锻造比,便于击碎材料组织颗粒粗大的碳化物,推荐按下式确定毛坯长度尺寸:  , |$ }6 n1 F9 Z, v* Z* u8 w
' {, C0 z+ E3 C! {4 |8 n
2d2A  
( [/ ~: @- [  u式中:L--毛坯长度;  ) [) c2 b- P9 q
d--圆毛坯直径;  
" ?) j& n5 W+ A$ e$ mA--方毛坯边长。  * r3 }! S( u% @* _# `' r

3 u4 j6 Z6 J: Z3 U4.2 加热规范  
0 ?! g1 d8 A; ?' X) j" k2 A; ?5 V1 `1 G, v2 _; d; H4 `
常用高合金工具钢锻造加热规范见表1。 # w3 {- Y" W( o2 i3 M, M1 y
$ M& c" x0 e3 Z9 W- t9 J0 l0 e% G8 }
常用高合金工具钢锻造加热规范见表1  
8 s7 z/ k$ Y9 Y- }7 w( v0 A钢号 加热温度/℃ 锻造温度/℃  * c$ `1 `( p" |& o+ I& Q
始 锻 终 锻  7 Z4 X) u# J" Y. g/ O' O
Cr12 1100-1150 1050-1100 850-900  # o: |& j: Y. p$ `  R6 k' e
Cr12Mo 1150-1180 1070-1120 840-880  
; ]0 Y- z6 K& Z5 y2 }Cr12MoV 1050-1100 1000-1050 840-880  
, b1 c; {' w7 ^6 F# \Cr12V 1080-1100 1020-1050 800-850  * C/ D, @+ o* B  a7 a
Cr6WV 1100-1150 1050-1100 800-850  
- N7 ~, h( q: e/ d9 Z5 I* E7 [CrWMn 1100-1150 1050-1100 800-850  + c' @$ u6 {) d3 B+ W  X7 y: c% N! P/ A
  q' g& N4 G8 W+ {8 h; ^

. ~- q+ o/ {2 f6 k2 F0 p& f& G4.3 锻造设备吨位  ! o; ?& e: d8 ]! P

6 m7 n5 z. y3 o+ O7 g7 h2 i高合金工具钢在锻造温度下比普通碳钢强度高、塑性差。为了更有利在接近终锻温度进行锻造,便于打碎钢中碳化物,从而改善钢的内部组织,在锻造高合金工具钢时,其锻造设备吨位应选得高一点。根据锻件重量设备参见表2。 3 X: {. v: p& K- \" [; L/ \$ H
表2 锻锤吨位选用推荐表  8 ^3 `" u% h1 i9 g3 v0 Z
4 g: Z- n' @6 ]) K
锻造重量/kg <1 <2 <3 <4 <6 <10 <15 <20  
3 c4 l, ~# y- f9 j, X) }. {锻锤吨位/kg 65 150 200 250 400 500 750 1000  # D3 ^- l- U- ]  B% }) b, e! K9 R3 M

  Z% r$ S% J0 b' Z+ P; @- b3 C- g" p  h7 g$ U+ L
形状、尺寸以及表面质量符合要求,也要求改善其内部质量。迄今为止,后者仍然要靠锻造的变形工步来达到。对于一般的碳钢和低合金钢,必须在始锻温度下,加大锻造比,猛烈锻打,使其锻透,这就足以改善其内部质量。而高合金工具钢,特别是低塑性合金钢,因塑性太低,不能用自由锻造方法锻造。但当它们处在全向不等值压缩状态下(即三向受压应力状态),其塑性可得到提高。在挤压筒中挤压和闭式模腔中模锻,属于这种应力状态。  
9 [8 H+ ~7 E5 I
: V9 D) @$ q' |' E5 j3 L用自由锻工艺锻造高合金工具钢时,若采用方一扁方一方拔长的锻造工步,则锻坯受力状态可看作近似的三向压力状态,可更好锻透并挖掘材料塑性潜力。  7 y7 N' n$ T' I+ m

$ Z. B( o" W3 d" o4.4 高合金工具钢改锻工步的选定  ; l! P: ~$ r$ K: x  T; |" _$ ^

: t3 D- L9 Z) p; V" s高合金工具钢冲模锻坯,要求其共晶碳化物颗粒应细小而匀称并均匀分布,无宏观、微观偏析。未经精炼的国产高合金工具钢轧(锻)材,需进行改锻才能改变材料力学性能,满足冲模锻坯的要求。目前行之有效的改缎方法有以下几种:  4 K5 c. Q9 ?4 N& J" l; r3 \

9 }$ x, S$ ?' C  t2 u(1)顺纤维方向镦拔3次以上。沿原始毛坏的纤维方向(轴向),确保锻造比>2,在一火内快速连续镦拔3次以上。这种方式适合高速钢及小尺寸高合金工具钢锻坯的改锻。缺点是若镦拔次数不足或锻造比过小则锻不透,从而导致碳化物分布有明显方向性:操作不当时,还易出现空心裂纹。  3 a' B/ y" T- o5 l  C% w1 v
- C2 [" l8 x: [: [
(2)变向反复镦拔3次以上。第一次顺纤维镦拔,第二次垂直于纤维方向拔长再镦粗。按此顺序可分为单十字、双十字和多十字镦拔。这种镦拔工步要点:一火内完成全部十字镦拔;锻造比>2,镦粗前后锻坯高度相差一倍;为避免镦粗凸肚裂纹,应采用倾斜旋转多次轻击快打;拔长采用方一扁方一方走料。生产实践证明,经三种十字镦拔,可以满足多数80mm以下毛坯轧(锻)材各种锻坯改锻的需要。  ! G- E8 m$ p9 G& L7 h

7 J0 }( P' d1 f0 J; h) a, Z( c2 Y虽然采用相同的变形工步,同样的生产条件,但由于锻工操作技术水平不一,加之原始毛坯的内在质量差异,改锻后的效果,有时仍然会有较大差别。结束语:经改锻后的Gr12MoV钢锻坯,其共晶碳化物的不均匀度达到国标2级以上,有的也能达到l级,使原始毛坯轧(锻)材的碳化物不均匀度提高了4级以上。以统计资料显示,这种由改锻高合金工具钢制造的冲模,其寿命均有大幅度提高(达30%-50%)。  
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