SGH20钢模具块的锻造工艺

2013-10-13王绚唐雪萍首钢贵钢金龙锻造厂

锻造与冲压 2013年3期

关键词：模具钢钢锭球化

文/王绚，唐雪萍·首钢贵钢金龙锻造厂

杨接明·首钢贵钢技术中心

叶炜·贵州省国有资产管理委员会

SGH20钢模具块的锻造工艺

文/王绚，唐雪萍·首钢贵钢金龙锻造厂

杨接明·首钢贵钢技术中心

叶炜·贵州省国有资产管理委员会

王绚，工程师，主要从事工模具钢的生产工艺，车轴EA4T生产及回火工艺对组织和性能的影响等方面的研究。

目前，模具钢市场需求的主要是扁钢等模具块，不再用原来的圆棒。因此，首钢贵钢金龙锻造厂为了迎合市场需求重新对产品进行了定位，把扁块模具块锻造工艺的研究作为企业研究的重点，本文将针对SGH20模具块的锻造工艺进行简单的介绍。

元素特性

模具钢SGH20与我国4Cr5MoSiV1、美国H13的化学成分见表1。

SGH20具有较高的热强度和硬度，较高的耐磨性和韧性，以及较好的耐热疲劳性能，广泛应用于各种锻模、热挤压模，少量用于轧辊模，以及铝、铜及其合金的压铸模，其化学成分的特点主要有以下5点：

⑴C元素的含量在0.38%～0.42%之间可以保证高硬度、高韧性和较高的热疲劳抗力。

⑵加入比较多的Mn元素（比H13多）是为了提高淬透性，具有良好的塑性，改变钢在凝固时所形成氧化物的性质和状态，避免S在晶界上形成低熔点的FeS，同时大量MnS的存在，可以消除S元素的不良影响，改善H13钢的热加工性能。

⑶加入Cr元素和少量的Si元素可以提高模具钢的回火稳定性。

⑷加入Mo、V元素可以防止第二类回火脆性，同时提高模具钢的回火稳定性。

⑸加入的Nb元素会融入到M6C和MC碳化物中，促使奥氏体晶粒细化，同时在回火过程中促使M6C和MC碳化物产生二次硬化。

Nb元素作为微合金元素，能保证在相对较高淬火温度下控制晶粒尺寸。同时Nb元素有很强的还原性，与O元素作用后生成的氧化物很稳定，从而使涂层的组织更加致密，使其抗疲劳寿命和红硬性均比H13有所改善，克服了H13模具疲劳寿命达不到而失效，抗高温性能不好等缺点。

■ 表1 钢的化学成分

锻造工艺

加热钢锭

为了保证钢锭能均匀加热而且烧透，钢锭装炉时，在靠近加热炉底面的垫铁应至少有250mm。根据SGH20钢的特点，钢锭应缓慢加热升温，使钢锭均匀透烧，为此采用多段加热曲线适当延长保温时间。钢锭在1250℃的高温下成分会均匀化，加热炉保温温度一般情况下控制在1190℃，根据炉温与钢锭温度修正加热保温温度为1220℃。根据实践经验最终确定，加热温度应控制在850～1190℃，加热范围及加热工艺曲线图如图1所示，图中显示800℃以前各段以小于50℃/h的加热速度升温，之后按70℃/h的加热速度升温到1220℃开始保温，保温时间根据钢锭有效直径按25mm/h计算。

图1 钢锭加热工艺曲线图

锻造过程

为了提高锻件的精度及表面质量，钢锭出加热炉上锤后，先用轻、快锤锻打四面，然后再重锤锻打，这样既可以清除附在钢锭表面的氧化铁皮，同时也可以减少对锻模及砧子的磨损，还可以改善产品的外观，减少机加工材料损耗，提高经济效益。为了保证变形比，模具块锻造时必须经过拔长→镦粗→成形等工序，在钢锭拔长阶段，要做到上铁量均匀和进铁量均匀（满砧的1/3）；在镦粗阶段，由于快锻机是靠静压，需要采用压下量小、送进量小的方法避免裂纹的产生；在最后成形阶段，先将坯料锻造成扁块，满砧子进料，进行轻倒棱，然后重锤锻打，再进行修正，这样生产的模具块裂纹少，机械性高。

热处理

为了消除网状碳化物和改善力学性能，采用锻造后正火处理，再做球化退火处理，具体方法为锻造后快速冷却到400～500℃，及时装炉进入退火炉球化退火。从400～500℃开始按50℃/h进行升温，保温时间由钢锭的横截面决定（25mm/h），热处理工艺曲线图如图2所示。

图2 热处理工艺曲线图

用户要求

交货时，锻件应处于退火状态，硬度小于等于220HB；模具钢的变形比即锻造比不小于6；不能有网状碳化物；产品规格满足（120～400）mm×（810～1020）mm；锻件采用超声波探伤合格。当缺陷为小于等于φ2mm的平底孔时，对低倍组织结构进行评级，一般疏松、中心疏松、偏析不得大于2级。图3、4给出了退火组织和低倍组织的检测图。

从图3中可看出，球化退火组织大多为细小弥散碳化物所组成，且组织较均匀，网状结构基本消除。退火硬度符合要求，边缘处为197HB，1/2处为207HB，心部为212HB。从图4中可看出，一般疏松和中心疏松为0.5，偏析为1.0，各项指标均达标。

图3 球化退火组织

图4 低倍组织

将图5中崩裂的掉块切取试块并进行物理清洗后，进行如图6所示的金相组织分析，可以看出，材料中存在较粗大的、呈密集分布的点粒状非金属夹杂物，有的区域非金属夹杂物呈堆集状。按JK标准评级图，评定材料中非金属夹杂物的粗细等级为2.0～2.5级。

图5 失效模具

图6 非金属夹杂

将清洗好的试样置于扫描电镜下进行断口微观观察。其中，图7为低放大倍率下模具型腔表面处断口微观外形，具有由表层和次表层起始有瞬间解离、准解离脆性撕裂的特征。模具型腔经氮化处理，硬化层厚度约为0.2mm。经扫描电镜的局部放大可以看出，固有夹杂物的微观形状及其有关的细小二次微裂纹和坑孔，可能是黑色夹杂物瞬间解离和准解离脆性撕裂。从上面分析可以得出，产生崩裂与SGH20模具块的锻造生产工艺无关，影响后期模具使用寿命的因素可能与用户企业模具设计等因素有关。