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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。  - j; H/ K1 j8 {) r- H
关键词:机械制造:合金工具钢;锻造;冲模  $ L0 R; u* f4 j- P3 D( }
. o7 a- C9 k/ _* Q6 j
1 前言  6 Y- }3 K. `8 P' R
3 L$ P' i7 ~5 N/ T  Z
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。  
: \% O0 x/ ]# y- Z$ h
/ _8 e8 E! ]3 m7 V3 u6 q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。  
% w. q: @# j2 y, k! h+ b- N: f& r- B' L
2 冲模锻坯质量  
' _3 b, f3 r) y* }, Z. b2 C4 w& ^4 C/ B
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:  
% Y6 M; e4 y& e
( P* D; z* K" D7 y+ {% a' F1 ~2 [(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。  ! z: t8 W  f. u1 m# {& m

& x/ n, }5 [* o1 M(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。  
9 m! S9 W: c7 s6 X; _1 Z
7 b7 g7 C3 ~1 k3 z(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。  7 a6 |* v6 z8 R: X5 g7 [
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3 高合金工具钢改锻的意义  
% P% t3 }- \/ z( ^* m* B
, ~2 E0 @* }8 f# b( ?) ~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。  . g$ k$ f( i* P4 ?
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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。  
& @8 ~: s+ @8 Z! Z- y9 u3 I! @1 K6 N; g2 [+ b) m
4 改锻的基本工艺要素  8 ]  ?" k' ~; f6 ]& ?& q

$ k5 g' Z! i3 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。  : j( j, Y9 I/ z" j8 W% r. J
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4.1 对原始毛坯的要求  0 S& I; L2 X( {5 N' n- W
" z$ D4 ^3 E- {) a( F" _$ i
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:  $ N) p. m* z' {, |/ u9 C
8 N* u6 r+ E' }" R, }( ^
2d2A  " [% {" w2 s1 q* B' |
式中:L--毛坯长度;  4 X; Q7 X" ?6 j  z
d--圆毛坯直径;  
, w# V' V' v! T' xA--方毛坯边长。  
3 M5 o1 X) i6 B: t: L2 z' ~5 |
4.2 加热规范  
' ?# ?; D3 z- e* x6 b5 t7 @5 ^
3 w; Q/ |% \% n常用高合金工具钢锻造加热规范见表1。 % _7 O  u' V& o, Q- i+ ]
- a0 s% J& R# }, _: R
常用高合金工具钢锻造加热规范见表1  6 c$ Y1 }1 o6 S. n% l( o$ ?( i% J
钢号 加热温度/℃ 锻造温度/℃  
& w4 n+ p! P# \1 Q1 k1 m始 锻 终 锻  
( @3 l0 @1 k5 f' WCr12 1100-1150 1050-1100 850-900  / b3 u" Q; S( Y" R3 L6 n- G5 Z
Cr12Mo 1150-1180 1070-1120 840-880  
/ F! V8 x; w; A2 o. n4 dCr12MoV 1050-1100 1000-1050 840-880  ( J- n7 c" C( Q; Q5 A2 D# K2 D2 }
Cr12V 1080-1100 1020-1050 800-850  6 {0 R* p: X+ F
Cr6WV 1100-1150 1050-1100 800-850  ! X' }7 o! X, J* D* a
CrWMn 1100-1150 1050-1100 800-850  
0 T. f" y: K6 }" c6 o4 @& o4 i, g) |. \8 `+ _
# L4 h* Q6 c3 |8 d/ k+ g; a
4.3 锻造设备吨位  
% F/ B9 b3 P# E. v* C: ~
1 v: E5 g( a; M" g, r6 V. U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。
' X% O; j! r  h表2 锻锤吨位选用推荐表  ) _5 {7 y* T: [
6 Q! M' B& a. G5 `. n* n0 V# ]
锻造重量/kg <1 <2 <3 <4 <6 <10 <15 <20    ^1 l7 B9 @& h6 _
锻锤吨位/kg 65 150 200 250 400 500 750 1000  
# t: I: x+ x; r( }
: [( h- }0 h. X0 C* W$ W7 F8 B" s# ?1 Y8 X) j
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。  6 @3 g! ]. d& n& h: q6 @4 K( L

- e+ s( a) P, M4 s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。  ; F. y  [; j) T7 t) `

6 P- E, z+ S4 r& U; [4.4 高合金工具钢改锻工步的选定  7 P" k' Z* x; r  M# t' I7 @

; H8 S4 h3 ~% D8 @$ U7 T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:  
* B. s8 \" i9 v3 V+ m" C! Q4 z8 F: \
: ~8 ^* \- ]: a7 D(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。  8 K8 E1 K; c+ o0 w4 Q
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(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。  
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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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