文/于爽，董紹國，張強(qiáng)·遼寧金鋼重型鍛造有限公司白云鵬，李鵬偉·遼寧忠旺集團(tuán)

一種提高H13鋁合金熱擠壓模具壽命新方法的研究

文/于爽，董紹國，張強(qiáng)·遼寧金鋼重型鍛造有限公司白云鵬，李鵬偉·遼寧忠旺集團(tuán)

H13是美國牌號中碳高鉻型熱作模具鋼，其中溫性能好，應(yīng)用十分廣泛。由于H13原材料價(jià)格昂貴，模具加工周期長，對使用性能要求高。因此，延長H13模具使用壽命，成為H13模具生產(chǎn)制造企業(yè)及使用企業(yè)的重要研究課題。遼寧金鋼重型鍛造有限公司與遼寧忠旺集團(tuán)的技術(shù)人員經(jīng)過兩年多的合作與研究，對H13鋁合金熱擠壓模具進(jìn)行了有益探索，通過采用橫向鍛造方法，改變其纖維方向，并采用新的熱處理工藝，延長其使用壽命1～1.5倍。

熱擠壓模具的生產(chǎn)制造質(zhì)量對實(shí)現(xiàn)擠壓過程，提高產(chǎn)品質(zhì)量及延長模具的服役壽命，降低成本等有重要影響。在模具的生產(chǎn)制造流程中，鍛造是獲得要求的模具形狀的重要步驟。通過鍛造，并采用鍛后正回火及球化退火，可有效地改善金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)及碳化物的分布和成分偏析等冶煉缺陷，為后續(xù)的生產(chǎn)制造夯實(shí)必要的技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，鍛造過程中的參數(shù)易于操作和控制，所以，模具的毛坯鍛造及鍛后熱處理在整個模具生產(chǎn)制造過程中尤為重要。

變形方法及鍛造比的設(shè)計(jì)

拔長與鐓粗是該模具的主要變形方法。毛坯鍛件通過拔長，可有效地改善碳化物的分布；通過鐓粗，可有效地減小纖維方向性，增加鍛件橫向機(jī)械性能。鍛造時(shí)的變形程度（鍛造比），直接影響鍛件內(nèi)部碳化物的細(xì)化程度及分布情況。

隨著鐓拔次數(shù)的增加，碳化物的不均勻度級別逐漸降低。但當(dāng)碳化物不均勻度級別降到一定程度時(shí)，繼續(xù)增加鐓拔次數(shù)對其影響就很小了。綜合H13鋁合金熱擠壓模具的工作情況及鍛造毛坯所選用的原材料情況，合理設(shè)計(jì)變形方法及變形程度，就可以滿足模具的使用要求，延長其服役壽命。

模具毛坯鍛件在設(shè)計(jì)鍛造變形方法及變形程度時(shí)，應(yīng)綜合考慮以下條件：

⑴模具的尺寸及形狀復(fù)雜程度。

⑵模具的工作部位（鍛件的表層部分或中心部分）。

⑶模具的工作性能要求。

⑷所選擇的原材料、冶煉方法及交貨狀態(tài)。

試驗(yàn)前工藝

遼寧金鋼重型鍛造公司所采用的H13原料冶煉方式為電渣重熔鋼錠，原料的交貨狀態(tài)為鍛制圓坯、退火。

⑴變形設(shè)計(jì)。采用坯料軸向鐓拔方法，具體工序流程為：坯料軸向鐓粗→軸向拔長→軸向鐓粗→鍛件修整成形。

⑵鍛造比設(shè)計(jì)。鐓粗鍛造比、二次鐓粗鍛造比均不小于2，拔長鍛造比達(dá)2.0～2.5。采用軸向鐓拔鍛造工藝后模具正火+回火+球化退火處理后金相組織如圖1a、b、c所示，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)NADCA207，取樣部位為模具芯部，腐蝕后500X。

圖1 不同規(guī)格模具采用軸向鍛造工藝后的金相組織

試驗(yàn)后工藝

⑴變形設(shè)計(jì)。采用橫向鍛造方法，具體工序流程為：坯料軸向鐓粗→改變纖維方向，橫向拔長→坯料軸向鐓粗→鍛件修整成形。

⑵鍛造比設(shè)計(jì)。第一次鐓粗比不小于2；第二次鐓粗比不小于2.5，拔長鍛造比在2.5～3.5之間。

⑶采用橫向鍛造工藝與軸向鐓拔工藝的機(jī)械性能對比，具體見表1。

表1 采取兩種不同工藝的機(jī)械性能對比

⑷采用橫向鍛造工藝后，模具正火+回火+球化退火處理后金相組織見圖2，取樣部位為模具芯部，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)NADCA207，腐蝕后500X。

圖2 不同規(guī)格模具采用橫向鍛造工藝后的金相組織

工藝對比

經(jīng)過試驗(yàn)對比，小規(guī)格H13鋁合金熱擠壓模具，采用橫向鍛造工藝與軸向鍛造工藝，球化退火后的金相組織無明顯差別。軸向鐓拔鍛造工藝同樣能夠細(xì)化毛坯內(nèi)部碳化物，使其分布均勻，模具綜合機(jī)械性能良好，滿足其工作要求。而且鍛造時(shí)不需改變坯料纖維方向，易于操作，節(jié)省能源。但對于大規(guī)格模具，由于其零件尺寸大，形狀及工作受力復(fù)雜，其缺陷較多等情況，軸向鐓拔鍛造工藝不能更好地滿足其工作要求。

采用橫向鍛造工藝，有利于擊碎坯料中心部分碳化物，使碳化物細(xì)小、分布均勻，有效地改善鍛件芯部的組織結(jié)構(gòu)及成分偏析，適合于大規(guī)格的利用中心部位工作的H13鋁合金熱擠壓模具。由于改變纖維方向鍛造，消除了金屬方向性，提高了模具的縱橫性能的均勻性，鍛件內(nèi)部纖維流線分布符合鋁合金熱擠壓模具工作時(shí)的受力情況要求。

經(jīng)用戶反饋，使用兩年來，12500t擠壓機(jī)上的071規(guī)格模具，主要用于生產(chǎn)航空零件，采用橫向鍛造工藝后，服役壽命至少延長1～1.5倍。

目前，我們正在對日本以及國內(nèi)幾大鋼廠的H13材質(zhì)的化學(xué)成分、淬回火后的金相組織、高溫力學(xué)性能及對模具服役壽命的影響進(jìn)行對比試驗(yàn)，H13原材料化學(xué)成分對比見表2，模具鍛后正回火+球化退火后、淬回火后的顯微組織對比如圖3所示，淬火組織和晶粒度見表3，高溫力學(xué)性能及模具服役壽命正在試驗(yàn)中。試驗(yàn)的模具毛坯規(guī)格為φ800mm，厚度240mm，鍛造工藝為橫向鍛造，取樣部位為模具芯部。

從原材料對比看，日本H13的化學(xué)成分與國內(nèi)H13略有差別，原材料的純凈度比國內(nèi)要高，但通過橫向鍛造工藝，從坯料的顯微組織結(jié)構(gòu)來看，沒有太大差別。制定合適的鍛造工藝及鍛造比，并進(jìn)行合理的熱處理工藝，就可以在一定程度上彌補(bǔ)冶煉技術(shù)工藝的不足。

圖3 采用橫向鍛造工藝后的金相組織

橫向鍛造注意事項(xiàng)

⑴在橫鍛過程中改變纖維方向拔長時(shí)，坯料中心金屬外流，如外流金屬不能受到均勻的大變形，模具毛坯1/2半徑處容易出現(xiàn)環(huán)形碳化物級別不均勻現(xiàn)象。所以在第二次鐓粗（最后一次變形工序）時(shí)，必須有足夠的鍛造比。綜合考慮坯料的高徑比及模具的工作要求，第二次鐓粗比在3.0左右較為適合。

⑵鍛造前，應(yīng)先將上砧及下砧（或錘頭及下砧）預(yù)熱，防止第一次鐓粗時(shí)，坯料因棱角處冷卻速度過快而出現(xiàn)裂紋。

⑶如果采用電渣重熔鋼錠鍛造時(shí)，需加大鍛造比，并且至少需要兩次在垂直方向（即十字方向）改變纖維方向橫向鍛造，才能有效擊碎坯料芯部碳化物。

⑷在改變纖維方向橫向拔長工序及最后一火鐓粗工序中，必須嚴(yán)格控制鍛件的終鍛溫度，坯料的每次壓下量、變形量及變形速度。否則，在鍛件端面圓周棱角處及外圓表面極易出現(xiàn)裂紋。

C Si Mn Cr Mo V P S標(biāo)準(zhǔn)成分GB/T1299 0.32～0.45 0.80～1.20 0.20～0.50 4.75～5.50 1.10～1.75 0.80～1.20≤0.030 ≤0.030日本鋼KDA1M 0.41 0.41 0.42 5.15 1.52 0.60 0.006 0.002齊鋼H13 0.43 0.95 0.37 5.33 1.42 1.09 0.006 0.007寶鋼H13 0.41 0.82 0.36 5.36 1.29 0.93 0.010 0.006

表3 不同原材料的淬火組織和晶粒度

結(jié)束語

模具成形技術(shù)所具有的高效率、高一致性是其他成形工藝無法比擬的，高質(zhì)量、高壽命模具是模具成形技術(shù)的基礎(chǔ)保證。目前，我國模具的制造水平和使用壽命與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距?？偨Y(jié)主要原因有以下因素：

⑴冶煉過程中有害元素的控制。

⑵鍛造過程中細(xì)節(jié)的控制。

⑶鍛后的預(yù)備熱處理及最終熱處理的控制。

⑷模具服役過程中操作與維護(hù)的控制。

我們要逐漸縮小與發(fā)達(dá)國家差距，科學(xué)有效的方法是模具的生產(chǎn)制造企業(yè)與使用企業(yè)應(yīng)打破企業(yè)之間、行業(yè)之間局限性，通過相互聯(lián)合，詳細(xì)記錄、跟蹤模具的生產(chǎn)制造及使用的各種數(shù)據(jù)并加以分析總結(jié)；通過相互交流，不斷積累經(jīng)驗(yàn)。模具生產(chǎn)制造企業(yè)應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用情況，不斷調(diào)整改進(jìn)生產(chǎn)制造工藝；模具使用企業(yè)，要注意模具日常使用中的保養(yǎng)與維護(hù)，特別是模具定期進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力消除等保護(hù)性措施，以滿足模具工作要求，延長模具服役壽命，實(shí)現(xiàn)模具高精度，長期工作的目標(biāo)，逐漸縮短模具生產(chǎn)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家技術(shù)之間的差距。

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