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        十字鍛造法在熱作模具鋼上的生產(chǎn)實踐

        2014-09-13 06:28:14徐詠梅劉向軍
        冶金與材料 2014年6期
        關(guān)鍵詞:電渣模具鋼重熔

        徐詠梅, 劉向軍

        (東特集團北滿特鋼技術(shù)中心, 黑龍江 齊齊哈爾 161041)

        H13R是我公司近年來首次生產(chǎn)的模具鋼,其非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度、超聲波探傷等要求都很嚴格,且用戶要求采用十字鍛造法生產(chǎn)來保證模具鋼的等向性。十字鍛造法生產(chǎn)有利于破碎坯料中心部分的碳化物,而且由于坯料與錘頭和下砧的接觸面經(jīng)常改變,不致造成局部溫度降低過多,端面產(chǎn)生裂紋的危險性因此減小[1]。但是,由于中心部分的金屬外到毛坯的表面,因而在圓周表面上可能出現(xiàn)碳化物分布不均勻。因此需要對鋼水的純凈度、鋼錠的高溫均質(zhì)化、鍛造變形過程等進行重點控制。

        1 主要技術(shù)要求

        1.1 牌號及化學(xué)成分

        牌號及化學(xué)成分應(yīng)符合表1的規(guī)定

        表1 鋼的牌號及化學(xué)成分(質(zhì)量百分數(shù))

        1.2 冶煉方法

        鋼應(yīng)采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空處理+電渣重熔冶煉。

        1.3 交貨狀態(tài)

        鋼材以粗加探傷狀態(tài)交貨,球化退火硬度要求≤230HB,交貨狀態(tài)應(yīng)在合同中注明。

        1.4 鍛比要求

        采用十字鍛造法,兩鐓兩拔,鍛比≥6。

        1.5 低倍組織

        鋼材應(yīng)檢驗酸浸低倍組織。橫截面上不得有目視可見的縮孔、夾雜、分層、裂紋、氣泡和白點。

        按GB/T 1299第三級別圖評定,中心疏松≤1級,錠型偏析≤1級。

        按GB/T1979評定,一般疏松≤1級。

        1.6 非金屬夾雜物

        鋼材應(yīng)檢驗非金屬夾雜物,按GB/T10561的A法檢驗非金屬夾雜物,合格級別見表2。

        表2 非金屬夾雜物合格級別

        1.7 顯微組織

        鋼材應(yīng)在金相顯微鏡放大500倍條件下檢驗,顯微組織(珠光體)按NADCA(H13退火組織圖)級別圖評定:A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2為合格級別的圖片。

        1.8 超聲波探傷

        按GB/T6402執(zhí)行,鋼材應(yīng)逐支進行超聲波探傷。不允許存在裂紋、白點、縮孔類型的缺陷,合格標準為單點缺陷不大于Φ3mm當(dāng)量,連續(xù)缺陷不大于Φ2 mm當(dāng)量。

        1.9 表面質(zhì)量

        鋼材表面肉眼可見的裂紋、折疊、結(jié)疤和夾雜需要清除,清理深度不得超過負差。

        2 確定工藝流程

        根據(jù)熱作模具鋼H13R鋼的技術(shù)條件及使用要求,需要對冶煉及電渣重熔過程的鋼水純凈度、鋼錠的高溫均質(zhì)化、鍛造溫度、鍛造變形過程、變形量及終鍛溫度進行重點控制。為保證產(chǎn)品的各項性能指標,保證鋼水的純凈度,冶煉方式采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空處理+電渣重熔冶煉。確定工藝流程為:電爐冶煉+LF+VD→澆注電極坯料→坯料退火→電渣重熔→電渣錠熱送→鋼錠加熱、鍛造→鍛后熱處理→粗加→探傷→檢驗→上交。

        3 生產(chǎn)試制

        3.1 電爐冶煉及電渣重熔

        電爐冶煉工序的重點是提高鋼水的純凈度,充分去除鋼中氣體和夾雜。為滿足鋼錠成品嚴格的氣體含量和有害元素含量要求,在配料時要求每爐都要配入30%以上的生鐵或鐵水,同時要求鐵合金及造渣材料充分烘烤和干燥,精煉時采用鋁脫氧,并對白渣操作時間、真空度、真空保持時間、破真空后軟吹氬時間都做出了明確規(guī)定并貫徹執(zhí)行。澆注時控制澆注溫度和澆注速度,電極坯料及時退火;坯料退火后進行了清理,必須滿足符合電極坯料使用標準。

        冶煉過程中,通過加強原輔材料的干燥烘烤、控制合適的鋼液真空精煉的溫度及有效真空時間、選擇合適的出鋼溫度、保證澆注系統(tǒng)的清潔干燥、采用氬氣保護澆注等手段,去除鋼中夾雜物,提高鋼水純凈度。

        電渣重熔的原理為強大的電流在熔渣中放出電阻熱,渣池達到1 700~1 800℃的高溫過熱狀態(tài),使進入渣池內(nèi)的自耗電極熔化、細小的金屬熔滴與高溫渣相發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)后,滴落于金屬熔池內(nèi),由于四周水冷結(jié)晶器的強制冷卻,鋼液逐漸凝固成型。電渣重熔時,重點控制重熔過程的穩(wěn)定性,保證熔化速率均衡穩(wěn)定,確保熔池淺平,盡可能地減小化學(xué)成分偏析,并同時保證鋼錠的表面質(zhì)量,電渣錠脫模后及時熱送。

        3.2 鋼錠加熱、鍛造及鍛后熱處理

        鋼錠熱送至鍛鋼公司,必須保證加熱爐爐溫的均勻性。鋼錠升溫至鍛造溫度,進行高溫均質(zhì)化擴散。熱加工過程中常采用高溫均質(zhì)化來減少或消除枝晶偏析。其基本原理是通過高溫狀態(tài)下合金元素原子由高濃度區(qū)向低濃度區(qū)遷移,來提高合金元素分布的均勻程度[2]。即將鋼錠加熱至略低于固相線的溫度下長時間保溫,然后緩慢冷卻以消除化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象的熱處理工藝。其目的是消除鋼錠在凝固過程中產(chǎn)生的枝晶偏析及區(qū)域偏析,使成分和組織均勻化。對于模具鋼這種合金成分較高的鋼種來說,高溫均質(zhì)化是一道不可或缺的工序。在鋼錠透燒后,鋼錠的內(nèi)外變形程度也更加均勻一致。

        鍛造時采用兩鐓兩拔鍛造工藝,并采用十字鍛造法成型。十字鍛造法是坯料沿軸向鐓粗后,在橫截面中兩個互相垂直方向進行反復(fù)鐓拔,其成型過程如圖1所示。具體為:鋼錠一次鐓粗后沿直徑方向拔長,二次鐓粗時與一次鐓粗的方向垂直,沿一次拔長的垂直方向進行鐓粗,然后再沿二次鐓粗的方向拔長后成型。

        鍛造過程鍛比必須滿足技術(shù)條件要求,并需要及時清理砧子上的氧化鐵皮,保證表面質(zhì)量及尺寸。為避免退火不及時產(chǎn)生白點缺陷,鍛后必須及時裝入退火爐。該鋼種鍛造順利,塑性很好,在鍛造時能夠?qū)崿F(xiàn)大變形量生產(chǎn),鍛坯表面良好。

        十字鍛造法的難度之一在于鋼錠頭尾的切除,由于鋼錠較大,實現(xiàn)熱切且保證端面平整避免在后續(xù)鍛造過程中產(chǎn)生折疊比較困難,在后續(xù)生產(chǎn)中對兩支鋼錠進行了帶鋸冷切后鍛造試驗,切頭尾的難度得以解決。另外一個難度就是鍛造火次較多,且沿鋼錠高度方向拔長較為困難,需要多次翻轉(zhuǎn)鍛坯。

        在鍛后熱處理過程中,采用了一次正火,一次過冷加擴散去氫退火工藝。通過正火達到均勻組織、細化晶粒的目的。過冷是為了使奧氏體充分分解,然后長時間保溫進行擴散去氫處理。

        3.3 H13R扁鋼粗加、探傷

        H13R鍛件鍛后退火后粗加,隨后進行超聲波探傷,探傷全部合格。

        圖1 十字鍛造法成型方式

        4 產(chǎn)品檢驗

        在鍛件上取樣進行檢驗,H13R扁鋼各項檢驗結(jié)果如下:

        4.1 化學(xué)成分

        鋼錠的成品化學(xué)成分檢驗結(jié)果及錠的成品成分及氣體含量檢驗結(jié)果如表3、表4所示。

        表3 鋼錠的成品化學(xué)成分(%)

        表4 鋼錠的成品氣體含量(ppm)

        4.2 高倍檢驗

        鋼材非金屬夾雜物檢驗結(jié)果如表5所示。

        表5 非金屬夾雜物(級)

        4.3 低倍檢驗及硬度

        鋼材超聲探傷合格,其低倍組織及成品硬度檢驗結(jié)果如表6所示。

        表6 低倍組織及成品硬度檢驗結(jié)果

        5 結(jié)論

        鋼錠采用電爐冶煉+鋼包精煉+真空處理+電渣重熔冶煉+十字鍛造的生產(chǎn)方式能滿足H13R產(chǎn)品的非金屬夾雜物、顯微組織、晶粒度、超聲波探傷等要求。

        通過十字鍛造法生產(chǎn)該產(chǎn)品,掌握了十字鍛造法在模具鋼生產(chǎn)中的應(yīng)用,十字鍛造法能保證模具鋼的等向性;在鍛造過程中,重點是控制兩鐓兩拔時的方向性,保證鋼錠變形過程為十字方向。

        各種檢驗數(shù)據(jù)也表明,我公司H13R鍛制扁鋼試制成功,并通過數(shù)據(jù)摸索,積累了一些基本數(shù)據(jù),為今后生產(chǎn)同類鋼種積累了經(jīng)驗,也為公司生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品做了有益的嘗試。

        [1]張志文.鍛造工藝學(xué)[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990, 85.

        [2]彭坤,金曼,張洪奎,等.高溫均質(zhì)化對高碳Cr合金鋼錠組織和元素分布的影響[J].上海金屬,2010.32(1):15-18.

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