減少工具鋼自由鍛造的中心缺陷

金井智則，中崎盛彥，高須一郎，石橋直彌，宮本俊輔 于 紅（譯）

（東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心，遼寧大連 116105）

1 引言

本公司目前使用3,000t和5,000t鍛造油壓機，在諸多鍛造產品中，SKD11為代表的冷作模具鋼的中心缺陷時常發生。分析原因考慮到主要是由于鋼錠凝固收縮時引起的中心疏松，在鍛造加工時加工比不足，在鋼錠中心部分形成的成分偏析在液相態下鍛造加工時產生過熱形成，特別是冷作模具鋼SKD11加工難度大，加工溫度范圍窄，屬于易產生微觀組織缺陷的鋼種。

究其原因，一方面，關于未焊合的問題，多方實驗室取樣分組實驗，又分組進行了CAE方法解析[1]，筆者借鑒以前提到的關于空隙加工參數Gm+、良好的空隙焊合的可能性評價的相關資料，再通過相關過熱、變形-溫度聯合解析、鋼材溫度的精確預測的可行性分析等研究成果，作以精確分析研究。以上作為研究背景，運用CEA解析，對于在鍛造過程中發生的中心缺陷進行系統、深入、細致的解析。

本文著重討論工具鋼SKD11熱鍛過程，對鋼錠的加熱過程及自由鍛造的CEA定量解析，對心部未焊合及過熱產生的真正原因進行分析。同時，根據加熱過程及自由鍛造過程的工藝改進進行效果檢驗，提出有效地降低高合工中心缺陷行之有效的方法。

2 關于鍛造制品的缺陷

2.1 制造過程

SKD11鍛件的制造過程如圖1所示。鋼錠經步進式加熱爐加熱后，進行自由鍛造。之后反復進行再加熱、鍛造，多火加工后，鍛制成圓鋼。

圖1 工具鋼SKD11制造過程示意圖

2.2 未焊合與過熱縮孔

SKD11產生中心缺陷的主要原因分析從未焊合和過熱縮孔兩個方面進行分析。對此的措施：未焊合的情況下使用心部應力滲透和變形增加的方法。例如：加熱溫度的升高和每道次的加工量之間的關系。一方面關于過熱縮孔的產生，采取盡量使中心溫度降低的方法，例如加熱溫度每降低1℃與每道次等效加工量間的關系。另一方面SKD11鋼與其他鋼種比有效加工溫度非常窄，難以準確控制。所以精確控制加工溫度，采取適宜的鍛造加工方式至關重要。

微觀組織四周是否存在偏析帶、缺陷的大小及形狀等歷來被人們認為分析缺陷產生的主要切入點。顯微組織如圖2所示，圖2a為中心缺陷周圍無偏析帶，中心缺陷較大，未焊合，圖2b為偏析內部存在的中心缺陷，形態細長，典型的過熱縮孔，圖2c為偏析內部的比較大的缺陷，屬于綜合性缺陷，需進一步分析，不能簡單判斷。

圖2 中心缺陷顯微組織

運用CAE解析方法進行了詳細的討論，過熱縮孔的主要原因有加熱溫度、空隙焊合的程度。通過數理解析等定量討論，找出主要原因。

3 試驗及解析

3.1 CAE解析條件

以產生中心缺陷的SKD11鋼為例，對鋼錠的加熱溫度、鍛造過程進行CAE解析，鋼錠加熱過程的CAE解析條件如表1所示。加熱溫度是加熱爐的設定溫度（Tsv），從入爐到出爐的鋼錠中心溫度和表面溫度的推定用MSC、MAR設定。對鋼塊的橫截斷面進行二元解析。經鍛造加工后的鋼材，熱送入加熱爐，均溫透燒后出爐空冷，鋼塊表面和內部溫度分布符合試驗要求，加熱爐裝爐前，用溫度計測定表面溫度作為加熱開始溫度，如表1所示。

表1 工具鋼SKD11加熱計算條件

經過多火次鍛造。在這里，加熱-鍛造一個循環稱為一火。此次鍛造鋼塊從寬500×高500mm（以下稱500方）共經3火次鍛造成材。本次鍛造加工按表2中CAE解析條件，鋼錠（坯）的初期溫度、加熱爐設定溫度一定，推斷鋼錠（坯）的中心溫度，對變形-溫度進行聯合解析。一火鍛造加工致中間坯設定尺寸，經加熱二火鍛造加工，再經加熱三火鍛造加工至500方成品。從第一火次的加熱開始，對每火進行數理解析。

3.2 未焊合與過熱縮孔的評價方法與界限值

為了找出中心缺陷的主要原因，有必要闡明未焊合與過熱縮孔的各種評價方法及界限值。

關于未焊合的評價方法，相關文獻[4]對空隙焊合用解析式Gm＋表示。Gm＋的表達式如下：

式中σm——靜水壓應力

σeq——相當應力

ε——相當變形量

連續鍛造加工過程Gm＋值用各個道次的累計值。在這里，由鋼錠鍛造加工至500方，鋼材心部的Gm＋累計計算值。

相關文獻[4]的解析試驗及鍛造加工試驗結果表明，空隙焊合極限值為0.25。

一方面，作為過熱縮孔的評價方法，對鋼錠（坯）從加熱到鍛造結束的溫度進行解析，對鋼錠（坯）中心最高溫度進行解析。鋼種的不同過熱溫度極限值具有較大差異，對熱加工過程數據進行充分的積累，以避免加工裂紋的產生。如圖3所示，SKD11鋼鍛造加工過程中中心缺陷發生，在心部及邊部進行取片分析，加工成φ8×L12mm的試樣，加工過程如表3所示。加工溫度分別取加熱爐設定溫度+25℃、+50℃、+75℃的3種加熱制度。選擇盡可能低的加工速率，壓下率為72%的條件下，對過熱縮孔發生情況進行數理解析。

圖3 試驗取樣示意圖

表3 SKD11鍛造的實驗條件

4 試驗及解析結果

4.1 未焊合的解析結果

如圖4所示，SKD11鋼由500方鍛造各個火次空隙焊合的解析分布情況。Gm＋表示長度方向的解析值分布，一火次的∑Gm＋在0.22～0.91，二火次∑Gm＋在0.05～0.17，三火次∑Gm＋在0.24～0.47。推斷全過程∑Gm＋合計值在0.65～1.54。如3.2節所述，空隙焊合極限值為0.25，鍛造全程累加值高于0.25，經3火次鍛造加工成成品后，鋼錠凝固過程造成的中心缺陷可以完全焊合，可以得出結論：SKD11鍛造中心缺陷并非由于未焊合而引起的。

圖4 各個鍛造火次靜水壓應力積分轉換，∑Gm＋.（錠→500mm方）

4.2 加工方式的實驗結果

表4所示是不同加熱參數下的實驗結果。試料分別在加熱爐設定溫度+25℃、+50℃、+75℃條件下進行加熱，從心部切取試片，觀察加熱溫度與心部缺陷的關系。忽略變形速率產生的心部升溫，表面溫度低于心部溫度，從心部切取的試片，C等元素濃度偏高，導致固相線溫度降低。可以推斷，SKD11鋼的心部過熱溫度發生在加熱爐溫度設定溫度+25℃。

表4 鍛造試驗結果

4.3 加熱條件及加工過程升溫的推斷

4.3.1 鋼錠加熱過程的溫度解析結果

圖5所示鋼錠在加熱過程中內部溫度解析結果。隨著加熱溫度的升高，約10h后爐內達到加熱爐設定溫度-5℃。而溫度一旦降低，心部溫度的下降較表面溫度下降延遲3h開始，鋼錠在加熱爐內經歷大約10h后，錠心部溫度仍低于加熱爐設定溫度15℃，從加熱爐調取數據表明，經過一段時間加熱后，料溫仍低于加熱爐溫4℃。所以，在鍛造加工前，料溫與爐溫存在4℃的溫差。

圖5 SKD11鋼錠加熱溫度示意圖

4.3.2 鋼錠鍛造過程的升溫測定

鍛造過程中實測溫度與理論解析結果如圖6所示。數理解析結果和表實測面溫度基本保持一致。運用CAE解析各火次鍛造結束后溫度分布如表5所示。在這里，溫度分布與加工方式和解析推斷的過熱溫度略有差異。CAE解析結果表明心部溫度：一火過熱溫度+10℃，二火過熱溫度-21℃，三火過熱溫度-16℃。一火過熱溫度高是由于鋼錠截面大，鍛造時力度較大，產生較大的變形熱效應。鍛造加工前，鋼錠心部溫度低于爐溫4℃，鍛造后心部過熱溫度+6℃，從加工方式試驗推斷已超過心部過熱溫度。

圖6 鍛造過程中理論和測量的表面溫度比較

表5 鍛造過程中SKD11鋼的溫度分布（1/4處）

由以上可以得出結論，SKD11的心部缺陷并非由于加工比不足，未焊合造成的，心部缺陷是過熱縮孔引起的，而且是在第一火鍛造時產生的過熱縮孔。

5 中心缺陷的防止與實際應用

5.1 加熱時間與中心溫度的關系

如前所述，心部缺陷主要是過熱縮孔，以下對防止過熱縮孔的方法進行詳細討論，防止過熱縮孔首先要使鍛造后的鍛件心部溫度降低，加熱后溫度降低，最大限度的降低變形產生的熱量。

加熱后降低心部溫度的方法，可以考慮降低加熱溫度，縮短加熱時間，降低加熱溫度給SKD11鍛造加工帶來的主要問題之一就是表面質量惡化。以下討論加熱時間的長短對表面和心部質量的影響。

在加熱溫度一定的條件下，如圖5所示加熱時間分別縮短至12h、10h、8h的3種情況下進行試驗。結果如表6所示。表面缺陷發生對應C工藝，心部缺陷的發生對應采取12h加熱制度的A工藝。以上分析結果可以得出結論，為了防止表面缺陷和心部缺陷最適合的加熱時間為B，既在設定溫度下加熱10h。

表6 加熱試驗條件及結果

5.2 鍛造鐵砧子的影響

作為鍛造加工時減少發熱量的方法，加工速度減少，道次變形量減少，在這里，相對來講窄砧子每火次的加工量小，窄砧子可以使內部變形量減少，應力降低，從而抑制發熱量，前期的解析結果表明過熱縮孔主要是在第一火鍛造時產生的，試驗用的砧子寬度是傳統砧子寬度的2/3，解析結果如表7所示。推薦使用窄砧子，鍛造后心部溫度由產生過熱縮孔的最大溫度+10℃，降低為產生過熱縮孔的最大溫度-6℃，可以抑制16℃的發熱量。使用窄砧子對空隙的焊合的影響，其影響作用已深入解析，使用窄砧子鍛造對空隙焊合的解析如圖7所示。可以看出，∑Gm＋的值達到0.27～0.40才能保證長度方向的全部焊合，要高于寬砧子∑Gm＋值的0.25。所以鍛造砧子的寬度減少難以成為一個有效的心部缺陷防止的好方法。

表7 窄砧鍛造對溫度分布的影響（1/4處）（鍛造過程：第一火）

圖7 各個鍛造火次靜水壓應力積分轉換，ΣGm＋,窄砧（鍛造過程：錠→500mm方）

5.3 試驗結果

解析以上實驗結果，以實驗結果為基礎，進行了縮短加熱時間及鍛造砧子實驗。其結果如圖8所示。縱軸表示中心缺陷發生率，改善前中心缺陷發生率設定為1的話，改善后中心缺陷的發生率僅僅為0.1，是改善前的十分之一，中心缺陷的發生率有很大幅度的下降。

圖8 鍛造中心缺陷分布情況（1/4處）

6 結束語

（1）SKD11鍛件的中心缺陷成因，運用CAE進行解析結果表明：未焊合的可能性極低，推斷是由于過熱縮孔的原因造成。

（2）防止產生過熱縮孔產生的有效方法：縮短加熱時間，窄砧鍛造。結果表明，中心缺陷的發生率大幅度降低。