合金工具钢锻造工艺的研讨

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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。  
关键词：机械制造：合金工具钢；锻造；冲模  
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1 前言  

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。  

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。  

5 }( a  `1 X' i, r: W$ K3 c, l2 冲模锻坯质量  

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：  

  L$ L2 V$ l2 R1 I! d: H9 @; f0 r$ s(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。  
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(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。  

(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。  
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3 高合金工具钢改锻的意义  
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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。  

6 \% [( a3 p) U  z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。  
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4 改锻的基本工艺要素  

1 t) ^0 |, q! ~7 i% n& M9 N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。  
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1 r. `  U7 b  |7 y, r/ j" d1 Y4.1 对原始毛坯的要求  
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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：  
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式中：L--毛坯长度；  
" {" U# J5 o# ]! Ud--圆毛坯直径；  
A--方毛坯边长。  

4.2 加热规范  
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/ |# K/ t9 \- s" ^" ]6 O常用高合金工具钢锻造加热规范见表1。

4 G- m1 h; l, ~& M常用高合金工具钢锻造加热规范见表1  
2 l/ Q* g6 W, [8 O) K钢号 加热温度/℃ 锻造温度/℃  
0 d3 ]1 R' H* `始 锻 终 锻  
Cr12 1100-1150 1050-1100 850-900  
; g9 @4 r" J: ^6 XCr12Mo 1150-1180 1070-1120 840-880  
; h, A; G2 C% ZCr12MoV 1050-1100 1000-1050 840-880  
1 J" K" R- ^4 OCr12V 1080-1100 1020-1050 800-850  
% X- x: g+ C+ H/ bCr6WV 1100-1150 1050-1100 800-850  
CrWMn 1100-1150 1050-1100 800-850  


" u; U- {$ K. [2 T$ O5 \) [4.3 锻造设备吨位  

6 L! `/ K7 B) Y6 j7 l  ^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。
表2　锻锤吨位选用推荐表  

锻造重量/kg <1 <2 <3 <4 <6 <10 <15 <20  
, O2 g! m% h4 d  w9 D锻锤吨位/kg 65 150 200 250 400 500 750 1000  

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/ `: m& I( X" f1 f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。  

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。  

4.4 高合金工具钢改锻工步的选定  

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：  
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(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。  
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  u0 }; E1 ~8 \3 ]8 e(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。  

: [* L' e9 m9 P- Y# Q1 S* O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％)。