采用連鑄坯鍛造5CrNiMo模具的自由鍛生產工藝

張世培·遼寧忠大鋁業有限公司

5CrNiMo鋼具有良好的韌性、強度和高耐磨性。它在500℃時仍能保持300HBW左右的硬度，主要用于各種大、中型熱鍛模及熱擠壓模具。5CrNiMo模具鍛造原料主要為鋼錠，隨著連鑄坯冶煉技術及質量的提高，一部分5CrNiMo模具考慮其經濟性，也使用連鑄坯進行鍛造。連鑄坯與鋼錠相比，其成材率高達90%～95%，而鋼錠成材率僅為75%～80%，連鑄坯的高利用率大大降低了生產成本。但相對于鋼錠比較，連鑄坯冶煉質量較差，內部縮孔、疏松及裂紋情況嚴重。連鑄坯在整個澆鑄過程中造成鋼水污染的因素較模鑄鋼錠復雜得多。非金屬夾雜物特別是大型夾雜物成了危害連鑄坯質量的重要缺陷之一。

要解決上述問題，除了提高連鑄坯的冶煉技術及質量，更要通過科學合理的鍛造工藝來消除連鑄坯的冶煉缺陷，提高模具的綜合機械性能，制造出滿足客戶需要的合格模具。我公司對總計970t的5CrNiMo模具采用連鑄坯鍛造，通過增加預制坯等工藝，采用高溫、寬砧、強壓的鍛造方法，成功解決了這一難題，希望對同類產品的生產能夠起到借鑒作用。

技術要求

5CrNiMo的化學成分

表1為5CrNiMo的化學成分。

5CrNiMo的相變臨界點參數

表2為5CrNiMo的相變臨界點參數。

技術要求

模具工作環境溫度：500℃。

表1 5CrNiMo化學成分

表2 5CrNiMo的相變臨界點參數

表3 產品分組

超聲波探傷：按GB/T 1299-2014標準，所有規格模具均應達到D/d級，即單點缺陷≤φ5mm，連續缺陷≤φ3mm。

交貨狀態：退火、粗車狀態交貨。退火硬度≤240HBW。

原料技術要求

冶煉方法：轉爐/電爐+LF精煉+真空脫氣

非金屬夾雜物：A、B、C、D類夾雜物。細系≤2.5級，粗系≤2.0級。

生產前期準備工作

生產流程

其流程為：鋸切下料—加熱—鍛造—毛坯熱檢—空冷到350℃—鍛后退火—毛坯檢查—粗加工—尺寸檢查、超聲波探傷。

產品分組

毛坯共計970t，700件，31個規格。為了便于統計，將模具按外圓尺寸分為四種規格，表3為產品分組情況。

切口端面外觀檢查及處理

所有坯料均采用鋸床鋸切下料，針對切口端面外觀逐一人工肉眼檢查坯料縮孔、疏松、裂紋情況。經檢查，坯料φ600mm規格縮孔率達85%以上，φ450mm規格縮孔率達50%，縮孔尺寸約φ1～φ4mm，縮孔沿坯料心部縱向軸線方向間斷分布。部分切口端面心部發現肉眼可見夾渣及裂紋，φ450mm規格坯料切口端面外觀質量明顯好于φ600mm規格，坯料切口端面縮孔及裂紋如圖1至圖6所示。

對于切口端面有縮孔及輕微裂紋的坯料未做處理。對于肉眼可見夾渣及裂紋較嚴重的坯料進行打磨處理，缺陷清理干凈的坯料正常使用，清理后缺陷仍較為嚴重的坯料作報廢處理。

圖1 縮孔（尺寸較小）

圖2 縮孔（尺寸較大）

圖3 夾渣及裂紋

圖4 裂紋

圖5 縮孔及裂紋

圖6 夾渣裂紋

工藝制定及實施

鍛造工藝制定

使用連鑄坯鍛造，既要考慮坯料心部縮孔、疏松、裂紋的焊合以及夾雜物的擊碎、打散問題，又要兼顧提高模具的綜合機械性能，具體鍛造工藝如下：

第一火：預制坯料，采用寬砧、大壓下量方法鍛造，能有效焊合縮孔、疏松、裂紋等缺陷，初步擊碎夾雜等缺陷。

對于坯料高徑比小于1.2的采用拔長、鐓粗工藝；

對于坯料高徑比大于1.2的采用鐓粗、拔長、鐓粗工藝。

第二火：進一步焊合縮孔、疏松、裂紋等缺陷，有效擊碎夾雜等缺陷，同時提高模具的綜合機械性能。具體工藝為高溫拔長、鐓粗、修整成形。

總鍛造比：拔長比≥5.0，鐓粗比≥6.0。

鍛造工藝實施

按以上鍛造工藝方案，每種規格模具各先生產10件，表4為退火、粗車后超聲波檢查結果。

由檢查結果可以看出,此鍛造工藝完全能夠滿足客戶的質量要求。剩余模具全部按此工藝生產，全部模具經退火、粗車后，硬度檢查全部合格，表5為超聲波檢查結果。

表4 檢查結果

表5 超聲波檢查結果

由表5可以計算出此批模具采用連鑄坯鍛造的不合格品率約為2.3%。近幾年公司對同類模具采用鋼錠鍛造統計的不合格品率約為1.5%。由此數據可以分析出:綜合考慮生產成本，采用連鑄坯鍛造此類模具與鋼錠鍛造相比每噸可以節省近千元。

對不合格品的理化檢查

取此批鍛造模具中超聲波探傷缺陷較為嚴重一件，規格為φ1250mm×340mm，缺陷位置如圖7所示。

圖7 缺陷位置

其中A點距圓心O點55mm，深度170mm，缺陷呈點狀，當量為φ3.5mm，缺陷不超標。B點距圓心O點110mm，深度170mm，缺陷呈條狀，當量φ5.1mm，長度35mm，缺陷當量及長度均超標。B點沿缺陷部位橫向切割后經著色可見明顯線狀（疑似裂紋）及孔狀缺陷，圖8為缺陷形貌。在缺陷部位截取試樣低倍酸浸檢測結果（圖9），圖10為樣品進一步截取后的形貌，圖11為缺陷部位微區形貌的檢測結果。其中中心孔洞缺陷為縮孔，由縮孔向外延伸的疑似裂紋為閉合狀缺陷。對閉合狀缺陷進行能譜定性分析，其結果顯示成分為氧化產物或夾渣，以上缺陷均為坯料原始缺陷。

圖8 缺陷形貌

圖9 缺陷低倍組織（局部）

圖10 進一步截取后形貌

圖11 缺陷二次電子像

結束語

模具工業是我國的基礎工業，降低生產成本、提高模具質量是整個行業亟待解決的問題。鍛造作為模具行業的基礎，應根據不同模具的服役條件、使用壽命、生產率及模具制造工藝難易程度來綜合考慮制造成本，選擇合適的材料，制定合理的鍛造工藝來滿足模具的不同要求。