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        模具鋼H13高溫變形行為及軋制工藝

        2022-01-08 05:26:44供稿李濤王德勇齊銳王健LITaoWANGDeyongQIRuiWANGJian
        金屬世界 2022年1期
        關(guān)鍵詞:模具鋼鋼錠抗力

        供稿|李濤,王德勇,齊銳,王健 / LI Tao, WANG De-yong, QI Rui, WANG Jian

        作者單位:本鋼板材股份有限公司技術(shù)研究院,遼寧 本溪 117017

        內(nèi)容導(dǎo)讀H13是國(guó)內(nèi)外應(yīng)用廣泛的空冷硬化熱作模具鋼種。在熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)上對(duì)H13模具鋼進(jìn)行單道次壓縮實(shí)驗(yàn),變形速率設(shè)定為1.0 s?1,在950~1150 ℃范圍內(nèi),討論變形溫度及變形量對(duì)H13鋼變形抗力的影響規(guī)律。通過(guò)研究H13鋼高溫變形過(guò)程行為機(jī)制,制定合理的軋制溫度和軋制規(guī)程,促進(jìn)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化機(jī)制的發(fā)生,從而降低變形抗力,順利實(shí)現(xiàn)H13鋼錠一火軋制產(chǎn)材。

        H13是一種典型的空冷硬化熱作模具鋼,抗熱裂能力良好,適合工作溫度低于600 ℃。其工藝性能優(yōu)良,是目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用最廣泛的熱作模具鋼種之一[1-3]。通常用于制造鋁鑄件用的熱擠壓模、壓鑄模、熱鍛模的熱沖孔模具、熱切邊模等,還廣泛應(yīng)用于銅及其合金的壓鑄模具[4-5]。H13鋼中合金元素含量高達(dá)9%,奧氏體在高溫變形過(guò)程所發(fā)生的組織結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜,通過(guò)研究H13鋼高溫變形行為,確定合理的軋制參數(shù),保證工業(yè)化生產(chǎn)順利進(jìn)行。

        實(shí)驗(yàn)材料及方法

        實(shí)驗(yàn)材料

        實(shí)驗(yàn)所用材料為某廠熱作模具鋼H13,化學(xué)成分如表1所示。使用線切割對(duì)試樣進(jìn)行加工,樣品尺寸為?8 mm×15 mm圓柱體。

        表1 H13鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)

        實(shí)驗(yàn)方法

        在Gleeble-2000熱模擬機(jī)上進(jìn)行高溫壓縮實(shí)驗(yàn),模擬鋼材軋制過(guò)程變形行為。變形速率設(shè)定為1.0 s?1,變 形溫度 分 別 設(shè)定為950、1000、1050、1100和1150 ℃。首先樣品按照5 ℃/s的加熱速率升溫至1200 ℃,保溫5 min,然后以20 ℃/s冷卻至變形溫度,保溫30 s后開始?jí)嚎s變形,變形后立即淬火冷卻。其熱處理工藝如圖1所示。

        圖1 試樣熱處理工藝

        實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

        應(yīng)力-應(yīng)變曲線

        實(shí)驗(yàn)測(cè)得H13鋼在不同變形溫度條件下的高溫真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線如圖2所示。

        圖2 H13鋼真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線

        從曲線可以看出,在變形初始階段,應(yīng)力急劇增加,超過(guò)某一極值后,應(yīng)力呈先下降而后趨于恒定值。在相同變形速率和變形程度的條件下,變形抗力隨著變形溫度的升高而降低。

        金屬高溫變形行為機(jī)制

        變形溫度在再結(jié)晶溫度以上稱為熱加工,金屬在熱變形過(guò)程中發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、應(yīng)變誘發(fā)沉淀相的動(dòng)態(tài)析出。變形溫度、變形速率和變形程度是影響鋼高溫變形行為的主要外因[6]。鋼在高溫變形過(guò)程中,變形抗力受加工硬化和組織軟化兩方面影響。鋼在塑性變形過(guò)程中是按位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的,隨著變形程度的增大,位錯(cuò)密度不斷增大,導(dǎo)致加工硬化不斷增大。鋼的組織軟化有2種機(jī)制:(1)動(dòng)態(tài)回復(fù)。動(dòng)態(tài)回復(fù)的實(shí)質(zhì)是部分位錯(cuò)的重排和消失。當(dāng)位錯(cuò)密度增大到一定程度后,通過(guò)滑移等運(yùn)動(dòng)方式,使部分位錯(cuò)重新排列或消失,發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)。當(dāng)變形量增大到一定程度時(shí),應(yīng)力將逐漸低于線性增長(zhǎng)規(guī)律,這是由熱變形過(guò)程中的動(dòng)態(tài)回復(fù)造成的。(2)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。變形程度繼續(xù)增大,動(dòng)態(tài)回復(fù)不足以抵消新位錯(cuò),當(dāng)位錯(cuò)密度增大到某一極值時(shí),聚集的能量將驅(qū)使奧氏體發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,新的晶粒開始形核并長(zhǎng)大。加工硬化存在于高溫變形整個(gè)過(guò)程,同時(shí)動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶也隨變形而不斷的發(fā)展,當(dāng)加工硬化和動(dòng)態(tài)回復(fù)、動(dòng)態(tài)再結(jié)晶引起的軟化達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),變形抗力將趨于某一恒定值[7]。

        結(jié)合圖2真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線進(jìn)一步分析,變形開始階段發(fā)生加工硬化,變形抗力陡增。隨著變形的繼續(xù),將發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)軟化,導(dǎo)致變形抗力增速減緩。繼續(xù)變形將發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化,變形抗力略有降低。隨著變形的繼續(xù),在硬化和軟化機(jī)制共同作用下,應(yīng)力-應(yīng)變曲線接近于水平狀態(tài)。隨著變形溫度升高,金屬原子的熱振動(dòng)加劇,原子擴(kuò)散能力增強(qiáng),滑移阻力降低,位錯(cuò)通過(guò)滑移等方式運(yùn)動(dòng)更容易,奧氏體的形核速度、長(zhǎng)大速度均提高,有利于動(dòng)態(tài)回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶軟化過(guò)程的發(fā)生,造成變形抗力降低。

        軋制工藝研究

        影響H13鋼高溫變形抗力的外因主要有軋制溫度、軋制速度、壓下量等。實(shí)驗(yàn)研究表明,選擇較高的軋制溫度,可以減小變形抗力。高溫變形過(guò)程產(chǎn)生的奧氏體組織結(jié)構(gòu)將影響后續(xù)冷卻過(guò)程的組織轉(zhuǎn)變。在工業(yè)生產(chǎn)中,同時(shí)考慮軋機(jī)負(fù)荷,能源消耗、初始奧氏體晶粒尺寸等因素,選擇合適的工藝參數(shù),優(yōu)化動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程,使產(chǎn)品獲得優(yōu)良的組織和性能。

        工藝路徑

        本次熱作模具鋼H13采用電爐模鑄錠一火軋制工藝生產(chǎn),具體生產(chǎn)工藝流程為:高爐鐵水→50 t電爐冶煉→LF精煉→VD真空脫氣→3.16 t模鑄錠→均熱爐加熱→1150粗軋機(jī)組軋制→連軋機(jī)組軋制→保溫坑緩冷→退火→精整→檢驗(yàn)→包裝入庫(kù)。鋼錠規(guī)格尺寸見(jiàn)表2。

        表2 H13鋼錠規(guī)格

        加熱

        采用溫裝工藝,模鑄錠脫模后裝爐,要求鋼錠溫度≥400 ℃,采用上部四角燒嘴換熱式均熱爐進(jìn)行加熱,爐子供熱是由位于靠近爐坑上部四個(gè)角安裝的套筒燒嘴噴入煤氣,與熱風(fēng)道上來(lái)的熱空氣混合后進(jìn)行燃燒而獲得。裝爐時(shí)鋼錠大頭向上,鋼錠不準(zhǔn)靠放在燒嘴圍墻上。鋼錠各部位要均勻透燒,定期進(jìn)行翻面。加熱工藝曲線如圖3所示。

        圖3 H13鋼錠加熱曲線

        軋制及保溫

        模鑄錠經(jīng)過(guò)粗軋機(jī)11道次開坯后,進(jìn)入連軋機(jī)組軋制,產(chǎn)材規(guī)格?100 mm,粗軋軋程見(jiàn)表3。軋制前關(guān)閉高壓水除鱗系統(tǒng),調(diào)整好軋機(jī)冷卻水強(qiáng)度,避免軋制過(guò)程中鋼材局部冷卻過(guò)快導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。保證開軋溫度≥1100 ℃,終軋溫度≥900 ℃。軋后鋼材快速下線入保溫坑保溫,保溫坑里使用紅鋼墊底,要求入保溫坑溫度≥550 ℃,出保溫坑溫度≤200 ℃,保溫時(shí)間大于48 h。

        表3 H13鋼粗軋軋程

        結(jié)束語(yǔ)

        (1)在變形速率和變形程度一定的條件下,變形溫度在950~1150 ℃范圍內(nèi),H13鋼變形抗力隨溫度的升高而降低。

        (2)在變形速率和變形溫度一定的條件下,H13鋼變形抗力隨變形量的增大先急劇增加,而后增速減緩,最后應(yīng)力-應(yīng)變曲線趨于水平。

        (3)通過(guò)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的加熱制度、軋鋼溫度、軋制規(guī)程等工藝參數(shù)合理的設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)H13鋼錠一火軋制產(chǎn)材,節(jié)省能耗,降低生產(chǎn)成本。

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