十字鍛造法在熱作模具鋼上的生產實踐

徐詠梅， 劉向軍

(東特集團北滿特鋼技術中心， 黑龍江 齊齊哈爾 161041)

H13R是我公司近年來首次生產的模具鋼，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格，且用戶要求采用十字鍛造法生產來保證模具鋼的等向性。十字鍛造法生產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常改變，不致造成局部溫度降低過多，端面產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、鋼錠的高溫均質化、鍛造變形過程等進行重點控制。

1 主要技術要求

1.1 牌號及化學成分

牌號及化學成分應符合表1的規定

表1 鋼的牌號及化學成分(質量百分數)

1.2 冶煉方法

鋼應采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空處理+電渣重熔冶煉。

1.3 交貨狀態

鋼材以粗加探傷狀態交貨，球化退火硬度要求≤230HB，交貨狀態應在合同中注明。

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執行，鋼材應逐支進行超聲波探傷。不允許存在裂紋、白點、縮孔類型的缺陷，合格標準為單點缺陷不大于Φ3mm當量，連續缺陷不大于Φ2 mm當量。

1.9 表面質量

鋼材表面肉眼可見的裂紋、折疊、結疤和夾雜需要清除，清理深度不得超過負差。

2 確定工藝流程

根據熱作模具鋼H13R鋼的技術條件及使用要求，需要對冶煉及電渣重熔過程的鋼水純凈度、鋼錠的高溫均質化、鍛造溫度、鍛造變形過程、變形量及終鍛溫度進行重點控制。為保證產品的各項性能指標，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定并貫徹執行。澆注時控制澆注溫度和澆注速度，電極坯料及時退火；坯料退火后進行了清理，必須滿足符合電極坯料使用標準。

冶煉過程中，通過加強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、保證澆注系統的清潔干燥、采用氬氣保護澆注等手段，去除鋼中夾雜物，提高鋼水純凈度。

電渣重熔的原理為強大的電流在熔渣中放出電阻熱，渣池達到1 700～1 800℃的高溫過熱狀態，使進入渣池內的自耗電極熔化、細小的金屬熔滴與高溫渣相發生一系列物理化學反應后，滴落于金屬熔池內，由于四周水冷結晶器的強制冷卻，鋼液逐漸凝固成型。電渣重熔時，重點控制重熔過程的穩定性，保證熔化速率均衡穩定，確保熔池淺平，盡可能地減小化學成分偏析，并同時保證鋼錠的表面質量，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，進行高溫均質化擴散。熱加工過程中常采用高溫均質化來減少或消除枝晶偏析。其基本原理是通過高溫狀態下合金元素原子由高濃度區向低濃度區遷移，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成分不均勻現象的熱處理工藝。其目的是消除鋼錠在凝固過程中產生的枝晶偏析及區域偏析，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，高溫均質化是一道不可或缺的工序。在鋼錠透燒后，鋼錠的內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行反復鐓拔，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條件要求，并需要及時清理砧子上的氧化鐵皮，保證表面質量及尺寸。為避免退火不及時產生白點缺陷，鍛后必須及時裝入退火爐。該鋼種鍛造順利，塑性很好，在鍛造時能夠實現大變形量生產，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，實現熱切且保證端面平整避免在后續鍛造過程中產生折疊比較困難，在后續生產中對兩支鋼錠進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，需要多次翻轉鍛坯。

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

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 產品檢驗

在鍛件上取樣進行檢驗，H13R扁鋼各項檢驗結果如下：

4.1 化學成分

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

表3 鋼錠的成品化學成分(%)

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果如表6所示。

表6 低倍組織及成品硬度檢驗結果

5 結論

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

通過十字鍛造法生產該產品，掌握了十字鍛造法在模具鋼生產中的應用，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。

各種檢驗數據也表明，我公司H13R鍛制扁鋼試制成功，并通過數據摸索，積累了一些基本數據，為今后生產同類鋼種積累了經驗，也為公司生產高附加值產品做了有益的嘗試。

[1]張志文.鍛造工藝學[M].北京：機械工業出版社，1990, 85.

[2]彭坤，金曼，張洪奎，等.高溫均質化對高碳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.