采用連鑄坯鍛造5CrNiMo模具的自由鍛生產(chǎn)工藝

張世培·遼寧忠大鋁業(yè)有限公司

5CrNiMo鋼具有良好的韌性、強(qiáng)度和高耐磨性。它在500℃時(shí)仍能保持300HBW左右的硬度，主要用于各種大、中型熱鍛模及熱擠壓模具。5CrNiMo模具鍛造原料主要為鋼錠，隨著連鑄坯冶煉技術(shù)及質(zhì)量的提高，一部分5CrNiMo模具考慮其經(jīng)濟(jì)性，也使用連鑄坯進(jìn)行鍛造。連鑄坯與鋼錠相比，其成材率高達(dá)90%～95%，而鋼錠成材率僅為75%～80%，連鑄坯的高利用率大大降低了生產(chǎn)成本。但相對(duì)于鋼錠比較，連鑄坯冶煉質(zhì)量較差，內(nèi)部縮孔、疏松及裂紋情況嚴(yán)重。連鑄坯在整個(gè)澆鑄過程中造成鋼水污染的因素較模鑄鋼錠復(fù)雜得多。非金屬夾雜物特別是大型夾雜物成了危害連鑄坯質(zhì)量的重要缺陷之一。

要解決上述問題，除了提高連鑄坯的冶煉技術(shù)及質(zhì)量，更要通過科學(xué)合理的鍛造工藝來消除連鑄坯的冶煉缺陷，提高模具的綜合機(jī)械性能，制造出滿足客戶需要的合格模具。我公司對(duì)總計(jì)970t的5CrNiMo模具采用連鑄坯鍛造，通過增加預(yù)制坯等工藝，采用高溫、寬砧、強(qiáng)壓的鍛造方法，成功解決了這一難題，希望對(duì)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)能夠起到借鑒作用。

技術(shù)要求

5CrNiMo的化學(xué)成分

表1為5CrNiMo的化學(xué)成分。

5CrNiMo的相變臨界點(diǎn)參數(shù)

表2為5CrNiMo的相變臨界點(diǎn)參數(shù)。

技術(shù)要求

模具工作環(huán)境溫度：500℃。

表1 5CrNiMo化學(xué)成分

表2 5CrNiMo的相變臨界點(diǎn)參數(shù)

表3 產(chǎn)品分組

超聲波探傷：按GB/T 1299-2014標(biāo)準(zhǔn)，所有規(guī)格模具均應(yīng)達(dá)到D/d級(jí)，即單點(diǎn)缺陷≤φ5mm，連續(xù)缺陷≤φ3mm。

交貨狀態(tài)：退火、粗車狀態(tài)交貨。退火硬度≤240HBW。

原料技術(shù)要求

冶煉方法：轉(zhuǎn)爐/電爐+LF精煉+真空脫氣

非金屬夾雜物：A、B、C、D類夾雜物。細(xì)系≤2.5級(jí)，粗系≤2.0級(jí)。

生產(chǎn)前期準(zhǔn)備工作

生產(chǎn)流程

其流程為：鋸切下料—加熱—鍛造—毛坯熱檢—空冷到350℃—鍛后退火—毛坯檢查—粗加工—尺寸檢查、超聲波探傷。

產(chǎn)品分組

毛坯共計(jì)970t，700件，31個(gè)規(guī)格。為了便于統(tǒng)計(jì)，將模具按外圓尺寸分為四種規(guī)格，表3為產(chǎn)品分組情況。

切口端面外觀檢查及處理

所有坯料均采用鋸床鋸切下料，針對(duì)切口端面外觀逐一人工肉眼檢查坯料縮孔、疏松、裂紋情況。經(jīng)檢查，坯料φ600mm規(guī)格縮孔率達(dá)85%以上，φ450mm規(guī)格縮孔率達(dá)50%，縮孔尺寸約φ1～φ4mm，縮孔沿坯料心部縱向軸線方向間斷分布。部分切口端面心部發(fā)現(xiàn)肉眼可見夾渣及裂紋，φ450mm規(guī)格坯料切口端面外觀質(zhì)量明顯好于φ600mm規(guī)格，坯料切口端面縮孔及裂紋如圖1至圖6所示。

對(duì)于切口端面有縮孔及輕微裂紋的坯料未做處理。對(duì)于肉眼可見夾渣及裂紋較嚴(yán)重的坯料進(jìn)行打磨處理，缺陷清理干凈的坯料正常使用，清理后缺陷仍較為嚴(yán)重的坯料作報(bào)廢處理。

圖1 縮孔（尺寸較?。?

圖2 縮孔（尺寸較大）

圖3 夾渣及裂紋

圖4 裂紋

圖5 縮孔及裂紋

圖6 夾渣裂紋

工藝制定及實(shí)施

鍛造工藝制定

使用連鑄坯鍛造，既要考慮坯料心部縮孔、疏松、裂紋的焊合以及夾雜物的擊碎、打散問題，又要兼顧提高模具的綜合機(jī)械性能，具體鍛造工藝如下：

第一火：預(yù)制坯料，采用寬砧、大壓下量方法鍛造，能有效焊合縮孔、疏松、裂紋等缺陷，初步擊碎夾雜等缺陷。

對(duì)于坯料高徑比小于1.2的采用拔長(zhǎng)、鐓粗工藝；

對(duì)于坯料高徑比大于1.2的采用鐓粗、拔長(zhǎng)、鐓粗工藝。

第二火：進(jìn)一步焊合縮孔、疏松、裂紋等缺陷，有效擊碎夾雜等缺陷，同時(shí)提高模具的綜合機(jī)械性能。具體工藝為高溫拔長(zhǎng)、鐓粗、修整成形。

總鍛造比：拔長(zhǎng)比≥5.0，鐓粗比≥6.0。

鍛造工藝實(shí)施

按以上鍛造工藝方案，每種規(guī)格模具各先生產(chǎn)10件，表4為退火、粗車后超聲波檢查結(jié)果。

由檢查結(jié)果可以看出,此鍛造工藝完全能夠滿足客戶的質(zhì)量要求。剩余模具全部按此工藝生產(chǎn)，全部模具經(jīng)退火、粗車后，硬度檢查全部合格，表5為超聲波檢查結(jié)果。

表4 檢查結(jié)果

表5 超聲波檢查結(jié)果

由表5可以計(jì)算出此批模具采用連鑄坯鍛造的不合格品率約為2.3%。近幾年公司對(duì)同類模具采用鋼錠鍛造統(tǒng)計(jì)的不合格品率約為1.5%。由此數(shù)據(jù)可以分析出:綜合考慮生產(chǎn)成本，采用連鑄坯鍛造此類模具與鋼錠鍛造相比每噸可以節(jié)省近千元。

對(duì)不合格品的理化檢查

取此批鍛造模具中超聲波探傷缺陷較為嚴(yán)重一件，規(guī)格為φ1250mm×340mm，缺陷位置如圖7所示。

圖7 缺陷位置

其中A點(diǎn)距圓心O點(diǎn)55mm，深度170mm，缺陷呈點(diǎn)狀，當(dāng)量為φ3.5mm，缺陷不超標(biāo)。B點(diǎn)距圓心O點(diǎn)110mm，深度170mm，缺陷呈條狀，當(dāng)量φ5.1mm，長(zhǎng)度35mm，缺陷當(dāng)量及長(zhǎng)度均超標(biāo)。B點(diǎn)沿缺陷部位橫向切割后經(jīng)著色可見明顯線狀（疑似裂紋）及孔狀缺陷，圖8為缺陷形貌。在缺陷部位截取試樣低倍酸浸檢測(cè)結(jié)果（圖9），圖10為樣品進(jìn)一步截取后的形貌，圖11為缺陷部位微區(qū)形貌的檢測(cè)結(jié)果。其中中心孔洞缺陷為縮孔，由縮孔向外延伸的疑似裂紋為閉合狀缺陷。對(duì)閉合狀缺陷進(jìn)行能譜定性分析，其結(jié)果顯示成分為氧化產(chǎn)物或夾渣，以上缺陷均為坯料原始缺陷。

圖8 缺陷形貌

圖9 缺陷低倍組織（局部）

圖10 進(jìn)一步截取后形貌

圖11 缺陷二次電子像

結(jié)束語(yǔ)

模具工業(yè)是我國(guó)的基礎(chǔ)工業(yè)，降低生產(chǎn)成本、提高模具質(zhì)量是整個(gè)行業(yè)亟待解決的問題。鍛造作為模具行業(yè)的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)不同模具的服役條件、使用壽命、生產(chǎn)率及模具制造工藝難易程度來綜合考慮制造成本，選擇合適的材料，制定合理的鍛造工藝來滿足模具的不同要求。