Cr12高合金工具鋼的鍛造工藝技術(shù)

文/方京，王秋玲，韋志慧·河北燕興機(jī)械有限公司

張策·包頭北方創(chuàng)業(yè)有限責(zé)任公司

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，國(guó)防、水電、航空等領(lǐng)域?qū)τ诖笮脱b備的需求越來(lái)越多。Cr12系高碳高鉻優(yōu)質(zhì)合金工具鋼具有較高的淬透性、淬硬性、強(qiáng)韌性、耐磨性和淬火體積變形小等特點(diǎn)，被廣泛用于制作各種設(shè)備。其主要元素為碳和鉻，碳含量為1.45%～2.3%，鉻含量為12%左右。但是，該鋼種中碳化物含量約占2O%，鑄態(tài)共晶碳化物呈樹(shù)枝狀分布于鋼基體，偏析嚴(yán)重，即使經(jīng)過(guò)軋制，碳化物的偏析仍得不到改善，一般呈帶狀分布，偏析程度隨鋼材直徑增大而變得嚴(yán)重，進(jìn)行熱處理時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。

因此，鍛造時(shí)需要注意控制碳化物的分布，改善其內(nèi)部組織，Cr12坯料在鍛造過(guò)程中由于大量合金碳化物的存在，使得該種鋼的導(dǎo)熱性較差，容易出現(xiàn)鍛造開(kāi)裂現(xiàn)象，故對(duì)鍛造工藝提出了嚴(yán)格的要求。

本文針對(duì)φ150mm的Cr12鋼的鍛造特點(diǎn)，通過(guò)試驗(yàn)確定了合理的加熱規(guī)范、鍛造方法和冷卻規(guī)范，獲得了優(yōu)質(zhì)的鍛件，為大型鍛件的實(shí)際生產(chǎn)提供了重要的借鑒價(jià)值。

試鍛工藝

鍛造加熱規(guī)范及鍛造方法

首先采取以下鍛造加熱規(guī)范(圖1)，80O～900℃裝爐預(yù)熱150分鐘后升溫，用時(shí)75分鐘逐漸加熱至1110℃，然后保溫30分鐘出爐鍛造；坯料在爐內(nèi)相距不小于坯料半徑，加熱過(guò)程中每隔20分鐘翻轉(zhuǎn)90°；二火裝爐溫度應(yīng)在600～700℃之間完成，且加熱溫度為950～980℃。1000～1060℃時(shí)輕打，900～1000℃時(shí)加大錘擊力，850～900℃時(shí)輕打，低于850℃時(shí)停止鍛打。

圖1 試鍛加熱工藝曲線圖

開(kāi)裂原因分析

采用此方法鍛造，發(fā)現(xiàn)坯料從心部往外裂開(kāi)，裂口粗糙?？紤]由兩方面原因造成，一方面由于大型鍛件的供貨料是大型鑄錠，其內(nèi)部容易存在疏松、雜質(zhì)、偏析等鑄造缺陷，隨著尺寸的增加，相應(yīng)缺陷也增多，降低了材料的塑性，成為了裂紋源。另一方面，鍛造前預(yù)熱溫度過(guò)高，產(chǎn)生過(guò)熱，過(guò)燒情況，其內(nèi)部的晶粒組織粗化，甚至部分雜質(zhì)將沿著晶界出現(xiàn)偏聚，降低其塑性，造成裂紋。

最終工藝的制定

鍛造加熱規(guī)范

根據(jù)初鍛出現(xiàn)的問(wèn)題，調(diào)整加熱規(guī)范，確定終鍛工藝(圖2)。首先在50O～550℃時(shí)裝爐預(yù)熱150分鐘后，在不低于120分鐘的時(shí)間內(nèi)逐漸加熱到850～900℃，隨后在900℃保溫90分鐘，然后在75分鐘內(nèi)加熱到1080℃，保溫90分鐘后出爐鍛造；坯料在爐內(nèi)相距不小于坯料半徑，加熱過(guò)程中每隔30分鐘翻轉(zhuǎn)90°；當(dāng)坯料降至終鍛溫度時(shí)，必須回爐，溫度控制在1020℃，回爐時(shí)間不得低于30分鐘。

圖2 最終鍛造加熱工藝曲線圖

鍛造方法

鍛造所使用工具及上、下砧子等預(yù)熱至350℃，砧子棱邊圓角過(guò)渡；送進(jìn)量、壓下量、鉗口轉(zhuǎn)動(dòng)速度均勻，每次送進(jìn)量不超過(guò)砧寬的2/3，在同一部位連續(xù)錘擊不超過(guò)2次，見(jiàn)方倒棱，倒棱時(shí)輕擊，棱角倒掉后逐漸加重錘擊力量；1000～1060℃時(shí)輕打，900～1000℃時(shí)加大鍾擊力，850～900℃時(shí)輕打，低于850℃時(shí)停止鍛打。此次鍛造加熱經(jīng)過(guò)三火次，獲得理想形狀鍛件。

冷卻規(guī)范

鍛后將鍛件放入低溫爐膛隨爐冷卻。冷卻后，測(cè)量鍛件力學(xué)性能，均符合工藝要求，鍛造獲得成功。

鍛造工藝分析

工藝規(guī)范

⑴加熱溫度和時(shí)間。Cr12鋼具有導(dǎo)熱性差的特點(diǎn)，為了減小鍛造過(guò)程中的溫差應(yīng)力，需要充分預(yù)熱，對(duì)于鍛件升溫的速度，也需要嚴(yán)格控制。采用低溫裝爐，緩慢加熱，二級(jí)預(yù)熱(一級(jí)預(yù)熱溫度500～550℃用時(shí)150分鐘，二級(jí)預(yù)熱溫度比一級(jí)預(yù)熱溫度升高300～400℃，達(dá)到800～950℃，保溫時(shí)間控制到1.5小時(shí)。)，然后持續(xù)加熱(時(shí)間控制在75分鐘)，升溫至加熱溫度，繼續(xù)保溫1.5小時(shí)。

鍛造坯料在加熱過(guò)程中，由低溫區(qū)逐漸向高溫區(qū)推進(jìn)，為了保證整個(gè)鍛件受熱均勻，必須多翻動(dòng)，多掉頭，還要采取保溫的手段，讓鍛件均勻受熱，消除鍛件內(nèi)外溫差。避免出現(xiàn)內(nèi)外受熱不勻，外熟里生、里熟外生等加熱缺陷。但保溫時(shí)間不可過(guò)長(zhǎng)，防止坯料表面氧化脫碳加劇和晶粒長(zhǎng)大導(dǎo)致鍛造時(shí)開(kāi)裂，所以必須嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)熱、加熱溫度和時(shí)間。

⑵嚴(yán)格控制終、始鍛溫度。鍛造溫度，尤其是終鍛溫度的控制非常重要，如果終鍛溫度設(shè)定過(guò)低，則其內(nèi)部容易存在過(guò)大的拉應(yīng)力，造成斷裂情況，如果終鍛溫度設(shè)定過(guò)高，則鍛件在高溫區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)引起晶粒過(guò)于粗大。因此，終鍛溫度應(yīng)控制在840～880℃。鍛坯在高溫下停留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，始鍛溫度也應(yīng)嚴(yán)格控制，不宜過(guò)高，一定要控制在1040～1080℃，避免造成晶粒粗大，晶粒氧化，導(dǎo)致鍛坯塑性急劇下降，脆性增加。

⑶鍛后處理。為了使Cr12鋼的溫差應(yīng)力和組織應(yīng)力盡可能小，防止鍛后開(kāi)裂，需要將鍛后的工件埋到石灰粉中進(jìn)行緩冷。因此，控制鍛后的冷卻速度就顯得很有必要。

錘擊過(guò)程

⑴防止鍛造變形，保證晶粒均勻。鐓粗時(shí)可以采取以軸線為中心旋轉(zhuǎn)錘擊方式，防止表面裂紋或中心開(kāi)裂，也可以采取端部鉚鍛的方式，避免鍛坯兩側(cè)起鼓、變形量不均勻。拔長(zhǎng)工序安排在鐓粗之后，需要注意夾持位置盡可能靠近坯料上端，采用合適的送進(jìn)量，一般控制在坯料高度的60%～90%。如果送進(jìn)量過(guò)小，鍛造時(shí)的變形量不夠，就會(huì)產(chǎn)生裂紋，如果送進(jìn)量過(guò)大，還會(huì)產(chǎn)生十字裂紋。

壓下量應(yīng)均勻一致，砧子棱邊采用圓角過(guò)渡，注意不要在同一位置連續(xù)錘擊，以防止產(chǎn)生壓痕。需要不斷的翻轉(zhuǎn)坯料，一方面可以減少變形產(chǎn)生的熱能，避免造成金屬局部升溫，過(guò)熱、引起開(kāi)裂。另一方面，可以保證整個(gè)坯料中的晶粒得到細(xì)化，組織成分均勻化，防止出現(xiàn)裂紋。

⑵預(yù)熱鍛造所使用的工具。為防止坯料因熱量傳遞而降溫過(guò)快，鍛造所使用工具及錘頭、上、下砧子等需要采取預(yù)熱手段。在鍛造過(guò)程中，下砧的導(dǎo)熱條件優(yōu)于上砧，坯料與上砧接觸的一側(cè)散熱較慢，與下砧接觸一側(cè)則散熱較快，這種情況會(huì)造成鍛件受熱不均勻，因此，為保證溫度均勻，需要適當(dāng)提高下砧的溫度。鍛造結(jié)束后，需要將上、下砧子之間用薄壁筒隔開(kāi)。

⑶打擊方式的選擇。始鍛重?fù)魰r(shí)，鍛件心部的溫度會(huì)急劇上升，甚至導(dǎo)致過(guò)熱，造成裂紋。為避免出現(xiàn)這種情況，需要向鍛件內(nèi)部逐漸輸入熱量，在鍛打時(shí)，嚴(yán)格控制錘擊力，控制擊打次數(shù)，調(diào)整擊打位置，防止變形。當(dāng)鍛打溫度達(dá)到中間溫度時(shí)，坯料此時(shí)塑性最佳，不易開(kāi)裂，需要重錘快打，可以細(xì)化共晶碳化物，有利于金屬流動(dòng)，防止偏析，可以獲得良好的組織性能，獲得合適的變形量。當(dāng)接近終鍛時(shí)，因?yàn)闇囟认陆?，坯料的力學(xué)性能發(fā)生變化，其塑性下降，不易變形，需要降低錘擊力度，防止發(fā)生內(nèi)裂紋。

結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)試驗(yàn)研究了關(guān)于Cr12高合金工具鋼材料的鍛造工藝，確定了合理的鍛造加熱規(guī)范、鍛造方法和冷卻規(guī)范，并對(duì)鍛造工藝進(jìn)行了分析討論。采用該工藝技術(shù)完成的鍛件合格率超過(guò)99%，為大型鍛件的實(shí)際生產(chǎn)提供了重要的借鑒價(jià)值。