延長高鉻模具鋼壽命的鍛造工藝研究

哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司 （黑龍江 150040） 王麗梅 康寶軍

模具制造業(yè)是使用各種合金工具鋼最多、最廣的領(lǐng)域。通常使用的有以下品種：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高中鉻模具鋼，相對于前兩種鋼而言，高鉻模具鋼具有更好的耐磨性和淬透性，且淬火變形微小，因此應(yīng)用廣泛。

長期以來，國產(chǎn)制造的模具壽命普遍偏低，與發(fā)達國家先進水平相比，相同制模材料或類似甚至完全相同的沖壓件模具，一般使用壽命只有發(fā)達國家的1/3～1/2。主要差距表現(xiàn)在制模材料成分、鍛坯質(zhì)量及制模工藝等方面。

1.沖模鍛坯質(zhì)量

通常沖模的失效形式主要是磨損，其次是變形、疲勞和斷裂。磨損是最常見而又普遍的失效形式。通過對大量失效報廢沖模的分析研究可知，無論哪種失效形式都與沖模的凸凹模材料性能及其內(nèi)在質(zhì)量有密切相關(guān)。

沖模失效有以下幾種情況：

（1）刃口過量磨損 這主要發(fā)生在沖裁模上，其凸凹模磨損與其制模材料性能和熱處理有關(guān)。因此，沖裁凸凹模鍛坯應(yīng)選用耐磨優(yōu)質(zhì)合金材料，采用改鍛工藝制坯；熱處理除需淬透外，對凸凹模還要作滲氮、軟氮化等表面強化處理。這樣模具硬度可達64HRC以上，沖模壽命提高2～3倍。

（2）凸模折斷 此形式尤其在非圓形沖孔（或落料）凸模上突出，這除與材料性能、熱處理有關(guān)外，與其橫斷面復(fù)雜也有重要關(guān)系。因此，為防止這類失效，不僅要提高模具鍛坯性能及強化表面，還應(yīng)在不影響沖壓件質(zhì)量的前提下，改善凸模橫斷面復(fù)雜形狀，消除如銳角、凹口、凸臺、齒形及細長懸臂等易造成應(yīng)力集中的因素。

（3）成形型腔磨損、局部壓塌、凸模鐓粗等失效 主要發(fā)生在壓印、壓花、拉深、彎曲、沖擠、打扁、聚積、擠凸、凸肚及縮徑等成形沖模工序。對這類失效除材料問題外，通過模腔表面強化處理、表面研磨拋光（Ra＝0.1μm），再配以有效潤滑，模具壽命將大幅提高。

2.高鉻模具鋼改鍛的意義

作為沖模常用材料的高鉻模具鋼，其力學(xué)性能的高低，與沖模的使用和壽命息息相關(guān)。在國外常通過改鍛來提高高合金工具鋼的力學(xué)性能，而國產(chǎn)高合金工具鋼，尤其是冷作模具用高合金工具鋼（如Cr12、Cr12MoV），其共晶碳化物極不均勻，若不改進，是不能滿足沖模需要的。因此，需采用先進鍛造工藝進行改鍛，以達到制模要求。

冷作模具高合金鋼的鍛造，不僅限于獲得理想的幾何形狀，消除冶金缺陷（如鍛焊內(nèi)部疏松、非氧化氣孔等），更重要的是通過合理的鍛造操作，大幅提高鋼的力學(xué)性能。

3.改鍛的基本工藝要素

高合金工具鋼軋（鍛）材的改鍛與一般自由鍛有別，各個環(huán)節(jié)都有具體的要求。欲將其改鍛成高質(zhì)量的凸凹模鍛坯，必須事先確定好以下一些基本要素。

（1）對原始毛坯的要求 模具制造大都是單件、小批量生產(chǎn)，模具鍛坯的原始毛坯下料主要采用鋸切割。要求兩端平整（傾角小于10°），其毛坯尺寸還應(yīng)考慮加工余量和火耗。為了滿足首次鐓粗鍛造比，便于擊碎材料組織中顆粒粗大的碳化物，推薦按下式確定毛坯長度尺寸：

式中，L為毛坯長度；d為圓毛坯直徑；A為方毛坯邊長。

（2）加熱規(guī)范 常用高合金工具鋼鍛造加熱規(guī)范如表1所示。

表1 鍛造加熱規(guī)范 （℃）

（3）鍛造設(shè)備噸位 高合金工具鋼在鍛造溫度下比普通碳鋼強度高、塑性差。為了更有利在接近終鍛溫度進行鍛造，便于打碎鋼中碳化物，從而改善鋼的內(nèi)部組織，在鍛造高合金工具鋼時，其鍛造設(shè)備噸位應(yīng)選得高一點。根據(jù)鍛件重量選擇設(shè)備噸位，參考表2。

表2 鍛錘噸位選用推薦 （kg）

模具形狀、尺寸及表面質(zhì)量符合要求，同時也要求改善其內(nèi)部質(zhì)量。迄今為止，后者仍然要靠鍛造的變形工步來達到。對于一般的碳鋼和低合金鋼，必須在始鍛溫度下，加大鍛造比，猛烈鍛打使其鍛透，改善其內(nèi)部質(zhì)量。而高合金工具鋼，特別是低塑性合金鋼，因塑性太低，不能用自由鍛造方法。但當(dāng)其處在全向不等值壓縮狀態(tài)下（即三向受壓應(yīng)力狀態(tài)），其塑性可得到提高。在擠壓筒中擠壓和閉式模腔中模鍛，屬于這種應(yīng)力狀態(tài)。

用自由鍛工藝鍛造高合金模具鋼時，若采用“方－扁方－方”拔長的鍛造工步，則鍛坯受力狀態(tài)可看作近似的三向壓應(yīng)力狀態(tài)，可更好地鍛透并挖掘材料的塑性潛力。

（4）高鉻模具鋼改鍛工步的選定 高合金工具鋼沖模鍛坯，要求其共晶碳化物顆粒應(yīng)細小而均勻分布，無宏觀、微觀偏析。未經(jīng)精煉的國產(chǎn)高合金工具鋼軋（鍛）材，需進行改鍛才能改變材料力學(xué)性能，滿足沖模鍛坯的要求。目前行之有效的改鍛方法有以下幾種：①順纖維方向鐓拔3次以上。沿原始毛坯的纖維方向（軸向），確保鍛造比大于2，在一火內(nèi)快速連續(xù)鐓拔3次以上。這種方式適合高速鋼及小尺寸高合金工具鋼鍛坯的改鍛。缺點是若鐓拔次數(shù)不足或鍛造比過小則鍛不透，從而導(dǎo)致碳化物分布有明顯方向性，操作不當(dāng)時，還易出現(xiàn)空心裂紋。②變向反復(fù)鐓拔3次以上。第一次順纖維鐓拔，第二次垂直于纖維方向拔長再鐓粗。按此順序可分為單十字、雙十字和多十字鐓拔。這種鐓拔工步要點：一火內(nèi)完成全部十字鐓拔；鍛造比大于2，鐓粗前后鍛坯高度相差一倍；為避免鐓粗凸肚裂紋，應(yīng)采用傾斜旋轉(zhuǎn)多次輕擊快打；拔長采用“方－扁方－方”走料。實踐證明，經(jīng)三種十字鐓拔，可以滿足多數(shù)800mm以下毛坯軋（鍛）材各種鍛坯改鍛的需要。

雖然采用相同的變形工步，同樣的生產(chǎn)條件，但由于鍛工操作技術(shù)水平不一，加之原始毛坯的內(nèi)在質(zhì)量差異，改鍛后效果有時仍然會有較大差別。

4.結(jié)語

經(jīng)改鍛后的Cr12鋼鍛坯，其共晶碳化物的不均勻度達到國標(biāo)2級以上，有的也能達到l級，使原始毛坯軋（鍛）材的碳化物不均勻度提高了4級以上。統(tǒng)計資料顯示，這種由改鍛高合金工具鋼制造的沖模，壽命均有大幅提高（達30%～50%）。