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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。  , B. T$ ^! C  C6 Q8 t, p8 K1 d7 A0 d- z
关键词:机械制造:合金工具钢;锻造;冲模  
" s& Y! n" p# d$ p0 p3 A
6 }! n5 \9 t# b! v2 X; `* ^1 前言  4 F9 l' e! ?9 @

9 h/ h, |2 o) m$ F  q( w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。  " O. c& L* O) h1 g, ~2 I# f" h
7 ~6 s7 ~, K/ [) \# T2 V- @0 N
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。  
7 g9 C* s: O+ p
% I- |% b4 m' Q2 冲模锻坯质量  - ~% P( M  E+ ?9 x
, }( D" N4 S. g0 \9 ]# d  j4 q  }
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:    j, J1 z) |1 Z" G: a

' g. l$ h4 P, u8 t3 Y. x: Q(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。  
9 c$ |4 o, c0 v) D0 ^4 _
* k, |: [8 O  c' Q(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。  
6 `  l1 G# W$ Z6 y" r, B) m; S* @/ A  T- U+ Z8 F% D
(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。  - |0 L: p4 B1 L" ]' c& J" }/ L
. w* u5 \, {- f( }. }8 |
3 高合金工具钢改锻的意义  
5 C. k$ r  b! O# n5 _$ t. x3 _' o+ D& M% u* Q) \
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。  $ h* x7 e4 T: n3 H  p
, F# I- k% e( S) O2 L
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。  
& m3 r- h  k3 e2 K. a' o
0 x7 |) R7 N& s* b9 |) q* n4 改锻的基本工艺要素  1 g' o& h( U7 w" j/ P+ H9 h9 Y8 b
. I3 \$ s- p9 j% g' W( u
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。  
7 ~" S) o* t/ F2 I( ^5 g
4 O5 L8 e9 E/ x) k9 F4.1 对原始毛坯的要求  7 [; J: e: F: u$ c; L) u0 ?3 o
8 J: z# z' z1 C. o) t: _& D
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:  
* ~9 Y( ^; S: p6 ^( j1 D6 l8 x/ U6 c; @4 Z6 |
2d2A  7 }& J# F0 s4 }; f( a) t/ C# G( p
式中:L--毛坯长度;  
! s9 P* E2 v! F1 x4 `d--圆毛坯直径;  
5 w8 T" C$ W/ |/ f8 J! ?) [0 QA--方毛坯边长。  
5 A, H! D) s3 I
5 M2 ^4 L$ i# q1 ]( Z4 C) A4.2 加热规范  5 m! L. t8 V8 e/ x: k& Y

, Y0 g# R$ U" P. x# [1 W常用高合金工具钢锻造加热规范见表1。
1 R2 n9 E2 H  g/ l
2 h& {! r( S+ K  x8 ]+ `常用高合金工具钢锻造加热规范见表1  - K- T* h1 n) a* V
钢号 加热温度/℃ 锻造温度/℃  # s( s# _( ]* V9 B
始 锻 终 锻  
% ?7 S5 j' z0 ?" b9 _0 pCr12 1100-1150 1050-1100 850-900  " H9 J! b/ B0 ^
Cr12Mo 1150-1180 1070-1120 840-880  : W3 m( f" b' J  t; o: G  y' N+ w
Cr12MoV 1050-1100 1000-1050 840-880  ) ]. j) a& L- p# g6 [
Cr12V 1080-1100 1020-1050 800-850  # h2 W+ I' v, w
Cr6WV 1100-1150 1050-1100 800-850  
  k0 N( [" l6 h* a# ^CrWMn 1100-1150 1050-1100 800-850  - q9 ?* Y. M% |0 S& n2 x, N$ Z
2 I3 V+ c! Z, F4 Q" C" h

; _9 M( j9 X& c) \! w" \  l! t2 f2 v4.3 锻造设备吨位  
8 |% L7 r- b0 k: U) n" V9 Z
" z: v4 d; G! e7 r7 i1 ]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。
! q) {) W& y) x/ s  v& h表2 锻锤吨位选用推荐表  
0 Q/ X+ [5 T5 o' {
! j; t+ R& o+ r1 {. [ 锻造重量/kg <1 <2 <3 <4 <6 <10 <15 <20  
- y; C6 }3 F: ~" z6 g3 C' g9 q锻锤吨位/kg 65 150 200 250 400 500 750 1000  ! F( S) L. n2 z4 [4 @) b' r! `3 b2 h
( k' O2 E( \& Q: X- X: q9 x

. s8 O3 E7 v, ~1 S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。  # X- N  h$ W  p7 m2 X$ e5 O

3 c3 n7 B) F2 X8 ]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。  
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% G1 o2 H* j) K1 ~+ L( ~% {4.4 高合金工具钢改锻工步的选定  8 D' t- R& Q* v. J4 h6 \
1 a$ ]3 k7 m2 z2 X5 h3 T1 a
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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. i8 r# G: l" [( I(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。  ' ]5 t) N' C3 ^! v8 U5 d$ c* v3 W6 Y

: d5 L5 f6 ?% ?0 X8 [) S(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。  ; r. j% U9 C+ E, E: p/ ~
6 D/ C- Y0 k2 a  ?
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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