文/王絢，唐雪萍·首鋼貴鋼金龍鍛造廠

楊接明·首鋼貴鋼技術(shù)中心

葉煒·貴州省國有資產(chǎn)管理委員會(huì)

SGH20鋼模具塊的鍛造工藝

文/王絢，唐雪萍·首鋼貴鋼金龍鍛造廠

楊接明·首鋼貴鋼技術(shù)中心

葉煒·貴州省國有資產(chǎn)管理委員會(huì)

王絢，工程師，主要從事工模具鋼的生產(chǎn)工藝，車軸EA4T生產(chǎn)及回火工藝對(duì)組織和性能的影響等方面的研究。

目前，模具鋼市場需求的主要是扁鋼等模具塊，不再用原來的圓棒。因此，首鋼貴鋼金龍鍛造廠為了迎合市場需求重新對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了定位，把扁塊模具塊鍛造工藝的研究作為企業(yè)研究的重點(diǎn)，本文將針對(duì)SGH20模具塊的鍛造工藝進(jìn)行簡單的介紹。

元素特性

模具鋼SGH20與我國4Cr5MoSiV1、美國H13的化學(xué)成分見表1。

SGH20具有較高的熱強(qiáng)度和硬度，較高的耐磨性和韌性，以及較好的耐熱疲勞性能，廣泛應(yīng)用于各種鍛模、熱擠壓模，少量用于軋輥模，以及鋁、銅及其合金的壓鑄模，其化學(xué)成分的特點(diǎn)主要有以下5點(diǎn)：

⑴C元素的含量在0.38%～0.42%之間可以保證高硬度、高韌性和較高的熱疲勞抗力。

⑵加入比較多的Mn元素（比H13多）是為了提高淬透性，具有良好的塑性，改變鋼在凝固時(shí)所形成氧化物的性質(zhì)和狀態(tài)，避免S在晶界上形成低熔點(diǎn)的FeS，同時(shí)大量MnS的存在，可以消除S元素的不良影響，改善H13鋼的熱加工性能。

⑶加入Cr元素和少量的Si元素可以提高模具鋼的回火穩(wěn)定性。

⑷加入Mo、V元素可以防止第二類回火脆性，同時(shí)提高模具鋼的回火穩(wěn)定性。

⑸加入的Nb元素會(huì)融入到M6C和MC碳化物中，促使奧氏體晶粒細(xì)化，同時(shí)在回火過程中促使M6C和MC碳化物產(chǎn)生二次硬化。

Nb元素作為微合金元素，能保證在相對(duì)較高淬火溫度下控制晶粒尺寸。同時(shí)Nb元素有很強(qiáng)的還原性，與O元素作用后生成的氧化物很穩(wěn)定，從而使涂層的組織更加致密，使其抗疲勞壽命和紅硬性均比H13有所改善，克服了H13模具疲勞壽命達(dá)不到而失效，抗高溫性能不好等缺點(diǎn)。

■ 表1 鋼的化學(xué)成分

鍛造工藝

加熱鋼錠

為了保證鋼錠能均勻加熱而且燒透，鋼錠裝爐時(shí)，在靠近加熱爐底面的墊鐵應(yīng)至少有250mm。根據(jù)SGH20鋼的特點(diǎn)，鋼錠應(yīng)緩慢加熱升溫，使鋼錠均勻透燒，為此采用多段加熱曲線適當(dāng)延長保溫時(shí)間。鋼錠在1250℃的高溫下成分會(huì)均勻化，加熱爐保溫溫度一般情況下控制在1190℃，根據(jù)爐溫與鋼錠溫度修正加熱保溫溫度為1220℃。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)最終確定，加熱溫度應(yīng)控制在850～1190℃，加熱范圍及加熱工藝曲線圖如圖1所示，圖中顯示800℃以前各段以小于50℃/h的加熱速度升溫，之后按70℃/h的加熱速度升溫到1220℃開始保溫，保溫時(shí)間根據(jù)鋼錠有效直徑按25mm/h計(jì)算。

圖1 鋼錠加熱工藝曲線圖

鍛造過程

為了提高鍛件的精度及表面質(zhì)量，鋼錠出加熱爐上錘后，先用輕、快錘鍛打四面，然后再重錘鍛打，這樣既可以清除附在鋼錠表面的氧化鐵皮，同時(shí)也可以減少對(duì)鍛模及砧子的磨損，還可以改善產(chǎn)品的外觀，減少機(jī)加工材料損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益。為了保證變形比，模具塊鍛造時(shí)必須經(jīng)過拔長→鐓粗→成形等工序，在鋼錠拔長階段，要做到上鐵量均勻和進(jìn)鐵量均勻（滿砧的1/3）；在鐓粗階段，由于快鍛機(jī)是靠靜壓，需要采用壓下量小、送進(jìn)量小的方法避免裂紋的產(chǎn)生；在最后成形階段，先將坯料鍛造成扁塊，滿砧子進(jìn)料，進(jìn)行輕倒棱，然后重錘鍛打，再進(jìn)行修正，這樣生產(chǎn)的模具塊裂紋少，機(jī)械性高。

熱處理

為了消除網(wǎng)狀碳化物和改善力學(xué)性能，采用鍛造后正火處理，再做球化退火處理，具體方法為鍛造后快速冷卻到400～500℃，及時(shí)裝爐進(jìn)入退火爐球化退火。從400～500℃開始按50℃/h進(jìn)行升溫，保溫時(shí)間由鋼錠的橫截面決定（25mm/h），熱處理工藝曲線圖如圖2所示。

圖2 熱處理工藝曲線圖

用戶要求

交貨時(shí)，鍛件應(yīng)處于退火狀態(tài)，硬度小于等于220HB；模具鋼的變形比即鍛造比不小于6；不能有網(wǎng)狀碳化物；產(chǎn)品規(guī)格滿足（120～400）mm×（810～1020）mm；鍛件采用超聲波探傷合格。當(dāng)缺陷為小于等于φ2mm的平底孔時(shí)，對(duì)低倍組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)級(jí)，一般疏松、中心疏松、偏析不得大于2級(jí)。圖3、4給出了退火組織和低倍組織的檢測圖。

從圖3中可看出，球化退火組織大多為細(xì)小彌散碳化物所組成，且組織較均勻，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基本消除。退火硬度符合要求，邊緣處為197HB，1/2處為207HB，心部為212HB。從圖4中可看出，一般疏松和中心疏松為0.5，偏析為1.0，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)標(biāo)。

圖3 球化退火組織

圖4 低倍組織

將圖5中崩裂的掉塊切取試塊并進(jìn)行物理清洗后，進(jìn)行如圖6所示的金相組織分析，可以看出，材料中存在較粗大的、呈密集分布的點(diǎn)粒狀非金屬夾雜物，有的區(qū)域非金屬夾雜物呈堆集狀。按JK標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖，評(píng)定材料中非金屬夾雜物的粗細(xì)等級(jí)為2.0～2.5級(jí)。

圖5 失效模具

圖6 非金屬夾雜

將清洗好的試樣置于掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀觀察。其中，圖7為低放大倍率下模具型腔表面處斷口微觀外形，具有由表層和次表層起始有瞬間解離、準(zhǔn)解離脆性撕裂的特征。模具型腔經(jīng)氮化處理，硬化層厚度約為0.2mm。經(jīng)掃描電鏡的局部放大可以看出，固有夾雜物的微觀形狀及其有關(guān)的細(xì)小二次微裂紋和坑孔，可能是黑色夾雜物瞬間解離和準(zhǔn)解離脆性撕裂。從上面分析可以得出，產(chǎn)生崩裂與SGH20模具塊的鍛造生產(chǎn)工藝無關(guān)，影響后期模具使用壽命的因素可能與用戶企業(yè)模具設(shè)計(jì)等因素有關(guān)。

圖7 型腔表面處斷口微觀外形

結(jié)束語

SGH20模具塊的鍛造生產(chǎn)工藝包括了均勻加熱、鍛造過程和鍛后熱處理等，同時(shí)結(jié)合理化分析及銷售給用戶的模具使用情況，實(shí)踐證明只要用戶模具設(shè)計(jì)合理及模具的最終熱處理方法合適，用此模具鋼完全可生產(chǎn)出用戶所需要的模具，并且可以保證模具質(zhì)量達(dá)到甚至超過同類模具鋼生產(chǎn)的模具，模具使用壽命也可滿足用戶的要求。