4Cr13塑料模具鋼鍛造工藝研究

蘇繼偉 曲遠東(中冶京誠(營口)裝備技術有限公司，遼寧115004)

塑料模具鋼是非金屬成形模中用量最大的一種模具，除要求有一定強度、韌性、硬度外，還對鋼的冷加工性能、熱處理工藝性能、鏡面性能、光潔度、蝕刻性能、耐磨性能、抗磨損性能等有特殊的要求。

1 試驗材料

4Cr13屬于馬氏體類型不銹鋼，經(jīng)熱處理后，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、拋光性能、較高的強度和耐磨性，適宜制造承受高負荷、高耐磨及在腐蝕介質(zhì)作用下的塑料模具、透明塑料制品模具。

4Cr13塑料模具鋼的化學成分如表1所示。

實際生產(chǎn)中要盡可能降低P、S含量，降低鋼中H、O、N含量，一般要求H含量≤2×10-6。要采用有效的工藝措施，提高鋼水純凈度和表面質(zhì)量，減少鋼錠的偏析、縮孔和疏松。

表1 4Cr13塑料模具鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of 4Cr13 plastic mold steels (mass fraction,%)

表2 非金屬夾雜物Table 2 The nonmetallic inclusions

2 技術要求

(1)非金屬夾雜物合格級別見表2。檢驗標準按GB/T10561—2005執(zhí)行。

(2)鍛件表面質(zhì)量及超聲檢測要求：(a)不允許有目視可見的裂紋、縮孔、折疊等缺陷；(b)單個?2 mm～?3 mm缺陷的個數(shù)不得超過3個，?3 mm～?4 mm缺陷的個數(shù)不得超過1個；(c)長條或密集形點狀不連續(xù)的當量平底孔直徑≤?2 mm。

3 工藝流程

4Cr13模塊的規(guī)格范圍為：寬度：800 mm～1 000 mm，厚度：160 mm～500 mm。采用5 t～11 t鎮(zhèn)靜鋼錠制造。工藝流程：鋼錠熱送→入爐加熱→鍛造→熱處理→鍛件檢驗→入庫。

3.1 鍛造加熱

鍛造加熱過程的主要參數(shù)是加熱溫度和保溫時間。

鋼錠的加熱溫度和保溫時間是根據(jù)鋼錠的材質(zhì)和斷面尺寸等因素進行選取的[1]。為了防止因低溫性能差而出現(xiàn)過大的組織應力，要求在低溫下緩慢加熱。因此，鋼錠加熱時采用650～700℃保溫，然后緩慢升溫到800～850℃，升溫速度≤50℃/h。

圖1 鍛造加熱曲線Figure 1 Heating curve of forging

圖2 改進的加熱曲線Figure 2 The improved heating curve

由于850℃以上鋼錠的導熱性能很好，為了防止晶粒過分長大，影響鍛造性能，所以在850℃以后快速加熱到始鍛溫度。鍛造加熱曲線如圖1所示。

對首次生產(chǎn)的4Cr13塑料模具鋼模塊進行超聲檢測，在整個工件中心部位均發(fā)現(xiàn)?2 mm以上的密集型缺陷，進而對缺陷部位進行高倍檢查，發(fā)現(xiàn)顆粒狀碳化物條帶。由于4Cr13塑料模具鋼在生產(chǎn)過程中屬于高碳鋼，而且合金含量比較高，極易出現(xiàn)微觀偏析的現(xiàn)象，在鋼錠加熱過程中通過提高始鍛溫度和增加保溫時間，進行高溫擴散，可有效降低偏析程度，實現(xiàn)化學成分均勻化，保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量。改進的加熱工藝如圖2所示。

3.2 鍛造工藝

根據(jù)公司設備及工裝輔具情況，鍛造過程采用兩鐓兩拔，并對鐓粗過程進行數(shù)值模擬，以確定最優(yōu)鐓粗高度。

圖3 鐓粗工藝幾何模型Figure 3 Geometrical model of upsetting process

鐓粗采用上鐓粗板和下漏盤，采用模擬軟件deform-3d對鐓粗過程進行模擬。模擬鐓粗工藝建立的幾何模型如圖3所示。不同壓下量情況下鍛件的等效應變情況如圖4所示。

鋼錠在凝固過程中不可避免地存在疏松、縮孔、非金屬夾雜物等冶金缺陷。為了破碎鋼錠的鑄態(tài)組織，鍛合鋼錠內(nèi)部的疏松、孔洞等缺陷，應有足夠的變形量，缺陷周圍為負的靜水壓力，合適的鍛造溫度和保溫時間；孔隙表面未被氧化，不存在非金屬夾雜物。圖4中給出了不同壓下量的情況下坯料等效應變的分布情況。從圖4可以看出，在鐓粗過程中，除與上鐓粗板和下漏盤接觸處外，坯料心部先開始變形；并且隨著壓下量的不斷增大，心部等效應變逐漸增大，而且最大等效應變發(fā)生在坯料心部，等效應變最小區(qū)域發(fā)生在上下接觸面部分。當坯料壓下量在50%時，坯料大部分區(qū)域等效應變達到0.625以上，心部等效應變達到1，而上下與工輔具接觸處等效應變小于0.25[2]，可以通過后續(xù)拔長過程進行進一步壓實，以保證心部質(zhì)量。

大鋼錠中心部位雜質(zhì)較多，疏松、殘余縮孔較嚴重，不易完全被鍛合，主要是由于鍛不透所致。因此，在拔長過程中，必須保證足夠的壓下量和合理的砧寬等因素，使鍛件端部呈現(xiàn)凸出的現(xiàn)象，在鍛件心部產(chǎn)生足夠的變形，鍛合心部缺陷。

4 理化檢驗結果

非金屬夾雜物檢驗結果如表4所示。

表4 非金屬夾雜物檢驗結果Table 4 The test results of nonmetallic inclusions

鍛件表面及超聲檢測結果滿足技術要求。

5 結論

(1)從理化檢驗結果可知，所選用的鍛造工藝是合理可行的。

(2)在設計4Cr13塑料模具鋼鍛造工藝時，應根據(jù)工廠設備情況考慮采用高溫擴散和兩鐓兩拔工藝，這對于解決鋼錠偏析問題和孔隙鍛合問題有一定的作用。

[1] 李劍，蘇會德，姜豐達．生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)大截面模塊的鍛造工藝．山東冶金，2000，22(2)：22-23．

[2] 蘇繼偉，許燕燕. 船用螺旋槳軸鍛造工藝研究. 大型鑄鍛件，2011, 140(2)：22-24.