Cr12高合金工具钢的锻造工艺技术

2021-09-24方京王秋玲韦志慧河北燕兴机械有限公司

锻造与冲压 2021年17期

文/方京，王秋玲，韦志慧·河北燕兴机械有限公司

张策·包头北方创业有限责任公司

随着社会经济的发展，国防、水电、航空等领域对于大型装备的需求越来越多。Cr12系高碳高铬优质合金工具钢具有较高的淬透性、淬硬性、强韧性、耐磨性和淬火体积变形小等特点，被广泛用于制作各种设备。其主要元素为碳和铬，碳含量为1.45%～2.3%，铬含量为12%左右。但是，该钢种中碳化物含量约占2O%，铸态共晶碳化物呈树枝状分布于钢基体，偏析严重，即使经过轧制，碳化物的偏析仍得不到改善，一般呈带状分布，偏析程度随钢材直径增大而变得严重，进行热处理时，会导致变形，严重时会出现开裂现象。

因此，锻造时需要注意控制碳化物的分布，改善其内部组织，Cr12坯料在锻造过程中由于大量合金碳化物的存在，使得该种钢的导热性较差，容易出现锻造开裂现象，故对锻造工艺提出了严格的要求。

本文针对φ150mm的Cr12钢的锻造特点，通过试验确定了合理的加热规范、锻造方法和冷却规范，获得了优质的锻件，为大型锻件的实际生产提供了重要的借鉴价值。

试锻工艺

锻造加热规范及锻造方法

首先采取以下锻造加热规范(图1)，80O～900℃装炉预热150分钟后升温，用时75分钟逐渐加热至1110℃，然后保温30分钟出炉锻造；坯料在炉内相距不小于坯料半径，加热过程中每隔20分钟翻转90°；二火装炉温度应在600～700℃之间完成，且加热温度为950～980℃。1000～1060℃时轻打，900～1000℃时加大锤击力，850～900℃时轻打，低于850℃时停止锻打。

图1 试锻加热工艺曲线图

开裂原因分析

采用此方法锻造，发现坯料从心部往外裂开，裂口粗糙。考虑由两方面原因造成，一方面由于大型锻件的供货料是大型铸锭，其内部容易存在疏松、杂质、偏析等铸造缺陷，随着尺寸的增加，相应缺陷也增多，降低了材料的塑性，成为了裂纹源。另一方面，锻造前预热温度过高，产生过热，过烧情况，其内部的晶粒组织粗化，甚至部分杂质将沿着晶界出现偏聚，降低其塑性，造成裂纹。

最终工艺的制定

锻造加热规范

根据初锻出现的问题，调整加热规范，确定终锻工艺(图2)。首先在50O～550℃时装炉预热150分钟后，在不低于120分钟的时间内逐渐加热到850～900℃，随后在900℃保温90分钟，然后在75分钟内加热到1080℃，保温90分钟后出炉锻造；坯料在炉内相距不小于坯料半径，加热过程中每隔30分钟翻转90°；当坯料降至终锻温度时，必须回炉，温度控制在1020℃，回炉时间不得低于30分钟。

图2 最终锻造加热工艺曲线图

锻造方法

锻造所使用工具及上、下砧子等预热至350℃，砧子棱边圆角过渡；送进量、压下量、钳口转动速度均匀，每次送进量不超过砧宽的2/3，在同一部位连续锤击不超过2次，见方倒棱，倒棱时轻击，棱角倒掉后逐渐加重锤击力量；1000～1060℃时轻打，900～1000℃时加大锺击力，850～900℃时轻打，低于850℃时停止锻打。此次锻造加热经过三火次，获得理想形状锻件。

冷却规范

锻后将锻件放入低温炉膛随炉冷却。冷却后，测量锻件力学性能，均符合工艺要求，锻造获得成功。

锻造工艺分析

工艺规范

⑴加热温度和时间。Cr12钢具有导热性差的特点，为了减小锻造过程中的温差应力，需要充分预热，对于锻件升温的速度，也需要严格控制。采用低温装炉，缓慢加热，二级预热(一级预热温度500～550℃用时150分钟，二级预热温度比一级预热温度升高300～400℃，达到800～950℃，保温时间控制到1.5小时。)，然后持续加热(时间控制在75分钟)，升温至加热温度，继续保温1.5小时。

锻造坯料在加热过程中，由低温区逐渐向高温区推进，为了保证整个锻件受热均匀，必须多翻动，多掉头，还要采取保温的手段，让锻件均匀受热，消除锻件内外温差。避免出现内外受热不匀，外熟里生、里熟外生等加热缺陷。但保温时间不可过长，防止坯料表面氧化脱碳加剧和晶粒长大导致锻造时开裂，所以必须严格执行预热、加热温度和时间。

⑵严格控制终、始锻温度。锻造温度，尤其是终锻温度的控制非常重要，如果终锻温度设定过低，则其内部容易存在过大的拉应力，造成断裂情况，如果终锻温度设定过高，则锻件在高温区停留时间过长，会引起晶粒过于粗大。因此，终锻温度应控制在840～880℃。锻坯在高温下停留时间不宜过长，始锻温度也应严格控制，不宜过高，一定要控制在1040～1080℃，避免造成晶粒粗大，晶粒氧化，导致锻坯塑性急剧下降，脆性增加。

⑶锻后处理。为了使Cr12钢的温差应力和组织应力尽可能小，防止锻后开裂，需要将锻后的工件埋到石灰粉中进行缓冷。因此，控制锻后的冷却速度就显得很有必要。

锤击过程

⑴防止锻造变形，保证晶粒均匀。镦粗时可以采取以轴线为中心旋转锤击方式，防止表面裂纹或中心开裂，也可以采取端部铆锻的方式，避免锻坯两侧起鼓、变形量不均匀。拔长工序安排在镦粗之后，需要注意夹持位置尽可能靠近坯料上端，采用合适的送进量，一般控制在坯料高度的60%～90%。如果送进量过小，锻造时的变形量不够，就会产生裂纹，如果送进量过大，还会产生十字裂纹。

压下量应均匀一致，砧子棱边采用圆角过渡，注意不要在同一位置连续锤击，以防止产生压痕。需要不断的翻转坯料，一方面可以减少变形产生的热能，避免造成金属局部升温，过热、引起开裂。另一方面，可以保证整个坯料中的晶粒得到细化，组织成分均匀化，防止出现裂纹。

⑵预热锻造所使用的工具。为防止坯料因热量传递而降温过快，锻造所使用工具及锤头、上、下砧子等需要采取预热手段。在锻造过程中，下砧的导热条件优于上砧，坯料与上砧接触的一侧散热较慢，与下砧接触一侧则散热较快，这种情况会造成锻件受热不均匀，因此，为保证温度均匀，需要适当提高下砧的温度。锻造结束后，需要将上、下砧子之间用薄壁筒隔开。

⑶打击方式的选择。始锻重击时，锻件心部的温度会急剧上升，甚至导致过热，造成裂纹。为避免出现这种情况，需要向锻件内部逐渐输入热量，在锻打时，严格控制锤击力，控制击打次数，调整击打位置，防止变形。当锻打温度达到中间温度时，坯料此时塑性最佳，不易开裂，需要重锤快打，可以细化共晶碳化物，有利于金属流动，防止偏析，可以获得良好的组织性能，获得合适的变形量。当接近终锻时，因为温度下降，坯料的力学性能发生变化，其塑性下降，不易变形，需要降低锤击力度，防止发生内裂纹。