Cr12高合金工具鋼的鍛造工藝技術

文/方京，王秋玲，韋志慧·河北燕興機械有限公司

張策·包頭北方創業有限責任公司

隨著社會經濟的發展，國防、水電、航空等領域對于大型裝備的需求越來越多。Cr12系高碳高鉻優質合金工具鋼具有較高的淬透性、淬硬性、強韌性、耐磨性和淬火體積變形小等特點，被廣泛用于制作各種設備。其主要元素為碳和鉻，碳含量為1.45%～2.3%，鉻含量為12%左右。但是，該鋼種中碳化物含量約占2O%，鑄態共晶碳化物呈樹枝狀分布于鋼基體，偏析嚴重，即使經過軋制，碳化物的偏析仍得不到改善，一般呈帶狀分布，偏析程度隨鋼材直徑增大而變得嚴重，進行熱處理時，會導致變形，嚴重時會出現開裂現象。

因此，鍛造時需要注意控制碳化物的分布，改善其內部組織，Cr12坯料在鍛造過程中由于大量合金碳化物的存在，使得該種鋼的導熱性較差，容易出現鍛造開裂現象，故對鍛造工藝提出了嚴格的要求。

本文針對φ150mm的Cr12鋼的鍛造特點，通過試驗確定了合理的加熱規范、鍛造方法和冷卻規范，獲得了優質的鍛件，為大型鍛件的實際生產提供了重要的借鑒價值。

試鍛工藝

鍛造加熱規范及鍛造方法

首先采取以下鍛造加熱規范(圖1)，80O～900℃裝爐預熱150分鐘后升溫，用時75分鐘逐漸加熱至1110℃，然后保溫30分鐘出爐鍛造；坯料在爐內相距不小于坯料半徑，加熱過程中每隔20分鐘翻轉90°；二火裝爐溫度應在600～700℃之間完成，且加熱溫度為950～980℃。1000～1060℃時輕打，900～1000℃時加大錘擊力，850～900℃時輕打，低于850℃時停止鍛打。

圖1 試鍛加熱工藝曲線圖

開裂原因分析

采用此方法鍛造，發現坯料從心部往外裂開，裂口粗糙。考慮由兩方面原因造成，一方面由于大型鍛件的供貨料是大型鑄錠，其內部容易存在疏松、雜質、偏析等鑄造缺陷，隨著尺寸的增加，相應缺陷也增多，降低了材料的塑性，成為了裂紋源。另一方面，鍛造前預熱溫度過高，產生過熱，過燒情況，其內部的晶粒組織粗化，甚至部分雜質將沿著晶界出現偏聚，降低其塑性，造成裂紋。

最終工藝的制定

鍛造加熱規范

根據初鍛出現的問題，調整加熱規范，確定終鍛工藝(圖2)。首先在50O～550℃時裝爐預熱150分鐘后，在不低于120分鐘的時間內逐漸加熱到850～900℃，隨后在900℃保溫90分鐘，然后在75分鐘內加熱到1080℃，保溫90分鐘后出爐鍛造；坯料在爐內相距不小于坯料半徑，加熱過程中每隔30分鐘翻轉90°；當坯料降至終鍛溫度時，必須回爐，溫度控制在1020℃，回爐時間不得低于30分鐘。

圖2 最終鍛造加熱工藝曲線圖

鍛造方法

鍛造所使用工具及上、下砧子等預熱至350℃，砧子棱邊圓角過渡；送進量、壓下量、鉗口轉動速度均勻，每次送進量不超過砧寬的2/3，在同一部位連續錘擊不超過2次，見方倒棱，倒棱時輕擊，棱角倒掉后逐漸加重錘擊力量；1000～1060℃時輕打，900～1000℃時加大鍾擊力，850～900℃時輕打，低于850℃時停止鍛打。此次鍛造加熱經過三火次，獲得理想形狀鍛件。

冷卻規范

鍛后將鍛件放入低溫爐膛隨爐冷卻。冷卻后，測量鍛件力學性能，均符合工藝要求，鍛造獲得成功。

鍛造工藝分析

工藝規范

⑴加熱溫度和時間。Cr12鋼具有導熱性差的特點，為了減小鍛造過程中的溫差應力，需要充分預熱，對于鍛件升溫的速度，也需要嚴格控制。采用低溫裝爐，緩慢加熱，二級預熱(一級預熱溫度500～550℃用時150分鐘，二級預熱溫度比一級預熱溫度升高300～400℃，達到800～950℃，保溫時間控制到1.5小時。)，然后持續加熱(時間控制在75分鐘)，升溫至加熱溫度，繼續保溫1.5小時。

鍛造坯料在加熱過程中，由低溫區逐漸向高溫區推進，為了保證整個鍛件受熱均勻，必須多翻動，多掉頭，還要采取保溫的手段，讓鍛件均勻受熱，消除鍛件內外溫差。避免出現內外受熱不勻，外熟里生、里熟外生等加熱缺陷。但保溫時間不可過長，防止坯料表面氧化脫碳加劇和晶粒長大導致鍛造時開裂，所以必須嚴格執行預熱、加熱溫度和時間。

⑵嚴格控制終、始鍛溫度。鍛造溫度，尤其是終鍛溫度的控制非常重要，如果終鍛溫度設定過低，則其內部容易存在過大的拉應力，造成斷裂情況，如果終鍛溫度設定過高，則鍛件在高溫區停留時間過長，會引起晶粒過于粗大。因此，終鍛溫度應控制在840～880℃。鍛坯在高溫下停留時間不宜過長，始鍛溫度也應嚴格控制，不宜過高，一定要控制在1040～1080℃，避免造成晶粒粗大，晶粒氧化，導致鍛坯塑性急劇下降，脆性增加。

⑶鍛后處理。為了使Cr12鋼的溫差應力和組織應力盡可能小，防止鍛后開裂，需要將鍛后的工件埋到石灰粉中進行緩冷。因此，控制鍛后的冷卻速度就顯得很有必要。

錘擊過程

⑴防止鍛造變形，保證晶粒均勻。鐓粗時可以采取以軸線為中心旋轉錘擊方式，防止表面裂紋或中心開裂，也可以采取端部鉚鍛的方式，避免鍛坯兩側起鼓、變形量不均勻。拔長工序安排在鐓粗之后，需要注意夾持位置盡可能靠近坯料上端，采用合適的送進量，一般控制在坯料高度的60%～90%。如果送進量過小，鍛造時的變形量不夠，就會產生裂紋，如果送進量過大，還會產生十字裂紋。

壓下量應均勻一致，砧子棱邊采用圓角過渡，注意不要在同一位置連續錘擊，以防止產生壓痕。需要不斷的翻轉坯料，一方面可以減少變形產生的熱能，避免造成金屬局部升溫，過熱、引起開裂。另一方面，可以保證整個坯料中的晶粒得到細化，組織成分均勻化，防止出現裂紋。

⑵預熱鍛造所使用的工具。為防止坯料因熱量傳遞而降溫過快，鍛造所使用工具及錘頭、上、下砧子等需要采取預熱手段。在鍛造過程中，下砧的導熱條件優于上砧，坯料與上砧接觸的一側散熱較慢，與下砧接觸一側則散熱較快，這種情況會造成鍛件受熱不均勻，因此，為保證溫度均勻，需要適當提高下砧的溫度。鍛造結束后，需要將上、下砧子之間用薄壁筒隔開。

⑶打擊方式的選擇。始鍛重擊時，鍛件心部的溫度會急劇上升，甚至導致過熱，造成裂紋。為避免出現這種情況，需要向鍛件內部逐漸輸入熱量，在鍛打時，嚴格控制錘擊力，控制擊打次數，調整擊打位置，防止變形。當鍛打溫度達到中間溫度時，坯料此時塑性最佳，不易開裂，需要重錘快打，可以細化共晶碳化物，有利于金屬流動，防止偏析，可以獲得良好的組織性能，獲得合適的變形量。當接近終鍛時，因為溫度下降，坯料的力學性能發生變化，其塑性下降，不易變形，需要降低錘擊力度，防止發生內裂紋。

結束語

本文通過試驗研究了關于Cr12高合金工具鋼材料的鍛造工藝，確定了合理的鍛造加熱規范、鍛造方法和冷卻規范，并對鍛造工藝進行了分析討論。采用該工藝技術完成的鍛件合格率超過99%，為大型鍛件的實際生產提供了重要的借鑒價值。