Cr12鍛材大塊碳化物尺寸控制研究

吳鵬，焦其慧，王利，付博，王中強

（東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心，遼寧大連 116105）

Cr12屬于高耐磨、微變形、高碳高鉻萊氏體冷作模具鋼，具有較好的淬透性和很高的耐磨性，多用于冷剪切刀、搓板、拉絲模、冷軋輥使用，但由于大塊碳化物的存在，尤其是用做冷軋輥使用時，易造成大塊碳化物脫落，常被稱為“掉肉”缺陷影響使用，因此，研究控制Cr12大塊碳化物是非常重要的。為此，東特股份公司為了改善Cr12鍛材的碳化物大小，針對冶煉工藝、錠型選擇、鍛比對碳化物大小影響的研究，提出了改進工藝。

2 試驗鋼成分及工藝流程

試驗鋼Cr12成分如表1所示。

表1 Cr12化學成分 %

工藝流程如下所示：

電爐→LF→VD→模鑄→紅送→加熱、鍛造→退火→超聲波探傷→檢驗、入庫。

3 試驗方法

Cr12屬于萊氏體鋼，鋼液冷凝過程中發生共晶反應形成大量的網狀結晶碳化物，需通過后續鍛造加工變形將共晶碳化物破碎成細小分布的碳化物。因此研究改善碳化物大小主要從縮小原始共晶碳化物大小以及加工工藝優化兩方面入手。

采用添加稀土、不同的單道次變形量、不同的鍛比、不同的錠型進行了對比試驗，試驗后在鍛材橫截面直徑的四分之一處切取橫向試樣，經研磨、拋光后制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液深腐蝕，按照JBT 7713-2007標準測量最大的大塊碳化物尺寸。

4 試驗結果及分析

4.1 稀土及單道次變形量對碳化物尺寸影響

研究表明，通過添加稀土元素可以改善高合工鋼的塑性[1]，增加鍛造單道次變形量，為了研究稀土元素對大塊碳化物影響，采用1.7t八角錠，不同的鍛造單道次變形量生產相同規格φ180mm進行對比試驗，試驗結果如表2及圖1所示。

表2 是否添加稀土及不同單道次變形量試驗結果

圖1 是否添加稀土及不同單道次變形量的大塊碳化物尺寸

由表2可見，若單道次變形量相同，添加稀土對大塊碳化物尺寸無明顯改善，當添加稀土改善塑性后，單道次變形量由40mm增加至70mm后未發生表面開裂，且大塊碳化物尺寸明顯減小，主要體現在碳化物長度明顯縮短，這是由于增加單道次變形量，鋼錠內部易鍛透，有利于鋼材內部的碳化物破碎，尤其是長條形的碳化物更容易被破碎成多個碳化物，從而縮小大塊碳化物尺寸。

4.2 不同錠型對大塊碳化物影響

為了驗證不同錠型（扁錠與八角錠）對大塊碳化物尺寸的影響，采用添加稀土方式冶煉1.4t扁錠、1.7t八角錠，相同的單道次壓下量，相同的鍛比，生產φ180mm規格鍛圓，試驗結果如表3及圖2所示。

表3 不同錠型試驗結果

圖2 不同錠型試驗的大塊碳化物尺寸

由表3可見，經過相同的變形條件、相同的鍛比，1.4t扁錠大塊碳化物明顯小于1.7t八角錠，這是由于根據凝固理論，以及共晶碳化物沿晶界析出特點，共晶碳化物分為3個區，分別為表層細小網狀區、中部柱狀網狀區、心部粗大等軸網狀區，鋼錠初始共晶碳化物與冷凝條件有關，凝固時間短易于獲得細小的共晶碳化物[2]，而1.4t扁錠厚度較小，相對于1.7t八角錠冷凝速度更快，形成更細小的原始共晶碳化物，經過相同的變形條件、相同的鍛比得到更細小的大塊碳化物。

4.3 不同鍛比對碳化物尺寸影響

一般來說，提高鍛比有兩種方式，一是通過鐓粗方式提高鍛比，該方法有利于碳化物破碎，減小碳化物尺寸，但對于高合工鋼，變形抗力較大且易開裂，若通過鐓粗增加鍛比，操作難度較高，且易造成廢品[3]，增加生產成本，大生產中很少采用；二是通過增加鋼錠截面積來提高鍛比，雖然也會有利于碳化物破碎，但隨著鋼錠截面積增加勢必造成原始共晶碳化物尺寸也隨之增加，兩者疊加后難以判斷對碳化物尺寸帶來何種影響。為了研究通過增加鋼錠截面積提高鍛比對碳化物尺寸的影響，采用同種形狀不同截面積的鋼錠、不同鍛比進行對比試驗，試驗結果如表4及圖3所示。

由表4可見，隨著鍛比增加，大塊碳化物尺寸先隨之減小，后隨之增加，原因是鋼錠截面積增加導致原始共晶碳化物尺寸增加，而增加的鍛比雖然會增加破碎效果，但當鋼錠截面積增加到一定程度后，增加的鍛比難以抵消原始共晶碳化物尺寸增加帶來的負面影響，最終造成成品的大塊碳化物尺寸先減小后增加[4]，最佳鍛比約5.0左右。

圖3 不同鍛比試驗的大塊碳化物尺寸

表4 不同鍛比試驗結果

5 結論

（1）Cr12冶煉添加稀土后，若鍛造單道次變形量不變，大塊碳化物尺寸未見明顯變化，但添加稀土改善塑性后，可通過增加鍛造單道次變形量，有效減小大塊碳化物尺寸。

（2）因扁錠較八角錠的冷凝效果更佳，原始共晶碳化物更細小，在加工條件及鍛比相同時，扁錠的大塊碳化物尺寸明顯小于八角錠。

（3）若通過增加鋼錠截面積提高鍛比，大塊碳化物尺寸先隨之減小后隨之增加，最佳鍛比應控制在5.0左右。