一種提高H13鋁合金熱擠壓模具壽命新方法的研究

文/于爽，董紹國，張強·遼寧金鋼重型鍛造有限公司白云鵬，李鵬偉·遼寧忠旺集團

一種提高H13鋁合金熱擠壓模具壽命新方法的研究

文/于爽，董紹國，張強·遼寧金鋼重型鍛造有限公司白云鵬，李鵬偉·遼寧忠旺集團

H13是美國牌號中碳高鉻型熱作模具鋼，其中溫性能好，應用十分廣泛。由于H13原材料價格昂貴，模具加工周期長，對使用性能要求高。因此，延長H13模具使用壽命，成為H13模具生產制造企業(yè)及使用企業(yè)的重要研究課題。遼寧金鋼重型鍛造有限公司與遼寧忠旺集團的技術人員經(jīng)過兩年多的合作與研究，對H13鋁合金熱擠壓模具進行了有益探索，通過采用橫向鍛造方法，改變其纖維方向，并采用新的熱處理工藝，延長其使用壽命1～1.5倍。

熱擠壓模具的生產制造質量對實現(xiàn)擠壓過程，提高產品質量及延長模具的服役壽命，降低成本等有重要影響。在模具的生產制造流程中，鍛造是獲得要求的模具形狀的重要步驟。通過鍛造，并采用鍛后正回火及球化退火，可有效地改善金屬內部的組織結構及碳化物的分布和成分偏析等冶煉缺陷，為后續(xù)的生產制造夯實必要的技術基礎。同時，鍛造過程中的參數(shù)易于操作和控制，所以，模具的毛坯鍛造及鍛后熱處理在整個模具生產制造過程中尤為重要。

變形方法及鍛造比的設計

拔長與鐓粗是該模具的主要變形方法。毛坯鍛件通過拔長，可有效地改善碳化物的分布；通過鐓粗，可有效地減小纖維方向性，增加鍛件橫向機械性能。鍛造時的變形程度（鍛造比），直接影響鍛件內部碳化物的細化程度及分布情況。

隨著鐓拔次數(shù)的增加，碳化物的不均勻度級別逐漸降低。但當碳化物不均勻度級別降到一定程度時，繼續(xù)增加鐓拔次數(shù)對其影響就很小了。綜合H13鋁合金熱擠壓模具的工作情況及鍛造毛坯所選用的原材料情況，合理設計變形方法及變形程度，就可以滿足模具的使用要求，延長其服役壽命。

模具毛坯鍛件在設計鍛造變形方法及變形程度時，應綜合考慮以下條件：

⑴模具的尺寸及形狀復雜程度。

⑵模具的工作部位（鍛件的表層部分或中心部分）。

⑶模具的工作性能要求。

⑷所選擇的原材料、冶煉方法及交貨狀態(tài)。

試驗前工藝

遼寧金鋼重型鍛造公司所采用的H13原料冶煉方式為電渣重熔鋼錠，原料的交貨狀態(tài)為鍛制圓坯、退火。

⑴變形設計。采用坯料軸向鐓拔方法，具體工序流程為：坯料軸向鐓粗→軸向拔長→軸向鐓粗→鍛件修整成形。

⑵鍛造比設計。鐓粗鍛造比、二次鐓粗鍛造比均不小于2，拔長鍛造比達2.0～2.5。采用軸向鐓拔鍛造工藝后模具正火+回火+球化退火處理后金相組織如圖1a、b、c所示，檢驗標準NADCA207，取樣部位為模具芯部，腐蝕后500X。

圖1 不同規(guī)格模具采用軸向鍛造工藝后的金相組織

試驗后工藝

⑴變形設計。采用橫向鍛造方法，具體工序流程為：坯料軸向鐓粗→改變纖維方向，橫向拔長→坯料軸向鐓粗→鍛件修整成形。

⑵鍛造比設計。第一次鐓粗比不小于2；第二次鐓粗比不小于2.5，拔長鍛造比在2.5～3.5之間。

⑶采用橫向鍛造工藝與軸向鐓拔工藝的機械性能對比，具體見表1。

表1 采取兩種不同工藝的機械性能對比

⑷采用橫向鍛造工藝后，模具正火+回火+球化退火處理后金相組織見圖2，取樣部位為模具芯部，檢驗標準NADCA207，腐蝕后500X。

圖2 不同規(guī)格模具采用橫向鍛造工藝后的金相組織

工藝對比

經(jīng)過試驗對比，小規(guī)格H13鋁合金熱擠壓模具，采用橫向鍛造工藝與軸向鍛造工藝，球化退火后的金相組織無明顯差別。軸向鐓拔鍛造工藝同樣能夠細化毛坯內部碳化物，使其分布均勻，模具綜合機械性能良好，滿足其工作要求。而且鍛造時不需改變坯料纖維方向，易于操作，節(jié)省能源。但對于大規(guī)格模具，由于其零件尺寸大，形狀及工作受力復雜，其缺陷較多等情況，軸向鐓拔鍛造工藝不能更好地滿足其工作要求。

采用橫向鍛造工藝，有利于擊碎坯料中心部分碳化物，使碳化物細小、分布均勻，有效地改善鍛件芯部的組織結構及成分偏析，適合于大規(guī)格的利用中心部位工作的H13鋁合金熱擠壓模具。由于改變纖維方向鍛造，消除了金屬方向性，提高了模具的縱橫性能的均勻性，鍛件內部纖維流線分布符合鋁合金熱擠壓模具工作時的受力情況要求。

經(jīng)用戶反饋，使用兩年來，12500t擠壓機上的071規(guī)格模具，主要用于生產航空零件，采用橫向鍛造工藝后，服役壽命至少延長1～1.5倍。

目前，我們正在對日本以及國內幾大鋼廠的H13材質的化學成分、淬回火后的金相組織、高溫力學性能及對模具服役壽命的影響進行對比試驗，H13原材料化學成分對比見表2，模具鍛后正回火+球化退火后、淬回火后的顯微組織對比如圖3所示，淬火組織和晶粒度見表3，高溫力學性能及模具服役壽命正在試驗中。試驗的模具毛坯規(guī)格為φ800mm，厚度240mm，鍛造工藝為橫向鍛造，取樣部位為模具芯部。

從原材料對比看，日本H13的化學成分與國內H13略有差別，原材料的純凈度比國內要高，但通過橫向鍛造工藝，從坯料的顯微組織結構來看，沒有太大差別。制定合適的鍛造工藝及鍛造比，并進行合理的熱處理工藝，就可以在一定程度上彌補冶煉技術工藝的不足。

圖3 采用橫向鍛造工藝后的金相組織

橫向鍛造注意事項

⑴在橫鍛過程中改變纖維方向拔長時，坯料中心金屬外流，如外流金屬不能受到均勻的大變形，模具毛坯1/2半徑處容易出現(xiàn)環(huán)形碳化物級別不均勻現(xiàn)象。所以在第二次鐓粗（最后一次變形工序）時，必須有足夠的鍛造比。綜合考慮坯料的高徑比及模具的工作要求，第二次鐓粗比在3.0左右較為適合。

⑵鍛造前，應先將上砧及下砧（或錘頭及下砧）預熱，防止第一次鐓粗時，坯料因棱角處冷卻速度過快而出現(xiàn)裂紋。

⑶如果采用電渣重熔鋼錠鍛造時，需加大鍛造比，并且至少需要兩次在垂直方向（即十字方向）改變纖維方向橫向鍛造，才能有效擊碎坯料芯部碳化物。

⑷在改變纖維方向橫向拔長工序及最后一火鐓粗工序中，必須嚴格控制鍛件的終鍛溫度，坯料的每次壓下量、變形量及變形速度。否則，在鍛件端面圓周棱角處及外圓表面極易出現(xiàn)裂紋。

C Si Mn Cr Mo V P S標準成分GB/T1299 0.32～0.45 0.80～1.20 0.20～0.50 4.75～5.50 1.10～1.75 0.80～1.20≤0.030 ≤0.030日本鋼KDA1M 0.41 0.41 0.42 5.15 1.52 0.60 0.006 0.002齊鋼H13 0.43 0.95 0.37 5.33 1.42 1.09 0.006 0.007寶鋼H13 0.41 0.82 0.36 5.36 1.29 0.93 0.010 0.006

表3 不同原材料的淬火組織和晶粒度

結束語

模具成形技術所具有的高效率、高一致性是其他成形工藝無法比擬的，高質量、高壽命模具是模具成形技術的基礎保證。目前，我國模具的制造水平和使用壽命與發(fā)達國家相比還有很大差距。總結主要原因有以下因素：

⑴冶煉過程中有害元素的控制。

⑵鍛造過程中細節(jié)的控制。

⑶鍛后的預備熱處理及最終熱處理的控制。

⑷模具服役過程中操作與維護的控制。

我們要逐漸縮小與發(fā)達國家差距，科學有效的方法是模具的生產制造企業(yè)與使用企業(yè)應打破企業(yè)之間、行業(yè)之間局限性，通過相互聯(lián)合，詳細記錄、跟蹤模具的生產制造及使用的各種數(shù)據(jù)并加以分析總結；通過相互交流，不斷積累經(jīng)驗。模具生產制造企業(yè)應根據(jù)實際使用情況，不斷調整改進生產制造工藝；模具使用企業(yè)，要注意模具日常使用中的保養(yǎng)與維護，特別是模具定期進行內應力消除等保護性措施，以滿足模具工作要求，延長模具服役壽命，實現(xiàn)模具高精度，長期工作的目標，逐漸縮短模具生產技術與發(fā)達國家技術之間的差距。

大型系列報道