合金工具钢锻造工艺的研讨

　　1 前言

　　模具制造业是使用各种合金工具钢最多最广的领域。通常使用的有以下品种：碳素工具钢、低合金工具钢、基体钢和中碳低合金钢。

　　长期以来，国产模具寿命普遍偏低，与先进水平相比，相同制模材料、类似甚至完全相同的冲压件，模具寿命只有发达国家的ｌ／3～1／2。主要差距表现在制摸材料、锻坯质量和制模工艺等方面。

　　2 冲模锻坯质量

　　通常冲模的失效形式主要是磨损，其次是变形、疲劳和断裂。磨损是最常见而又普遍的失效形式。通过对大量失效报废冲模的分析研究可知，无论哪种失效形式都与冲模的凸模、凹模材料性能及其内在质量密切相关。冲摸失效有以下了几种情况：

　　（1）刃口过量磨损。这主要发生在冲裁模上，其凸、凹模磨损与其制模材料性能和热处理有关。因此，冲裁凸模、凹模锻坯应选用耐磨优质合金材料，采用改锻工艺制坯；热处理除需淬透外，对凸、凹模还要作氮化、软氮化等表面强化处理。这样模具硬度可达ＨRＣ６4以上，冲模寿命提高2—3倍。

　　（2）凸模折断。这种形式尤其在非圆形冲孔（或落料）凸模上突出，这除与材料性能、热处理有关外，与它们的横断面复杂也有重要关系。因此，要防止这类失效，不仅要提高模具锻坯性能、强化表面，还应在不影响冲件质量的前提下，改善凸模横断面复杂形状，消除诸如锐角、凹口、凸台、齿形、细长悬臂等易造成应力集中的因素。

　　（3）成形型腔磨损、局部压塌、凸模镦粗。这类失效主要发生在压印、压花、拉深、弯曲、压波、冲挤、打扁、聚积、挤凸、凸肚和缩径等成形冲模上。对这类失效除材料问题外，通过模腔表面强化处理、表面研磨抛光（Ｒａ＝０.1μｍ），再配以有效润滑，就可以得到有效防止，模具寿命将会大幅提高。

　　3 高合金工具钢改锻的意义

　　作为冲模常用材料的高合金工具钢，其所有的力学性能的高低，与冲模的使用和寿命息息相关。在国外常常通过改锻来提高高合金工具钢的力学性能，而国产高合金工具钢，尤其是冷作模具用高合金工具钢（如Ｃｒｌ2，Ｃｒｌ2ＭｏＶ），其共晶碳化物极不均匀，若不经改造，是不能满足冲模需要的。因此，需采用先进锻造工艺进行改锻，以达到制模要求。

　　冷作模具高合金钢的锻造，不限于获得理想的几何形状、消除冶金缺陷（如锻焊内部疏松、非氧化气孔、细化晶粒、紧密组织等），更重要的是通过合理的锻造操作，大幅度提高钢的力学性能。

　　4 改锻的基本工艺要素

　　高合金工具钢轧（锻）材的改锻与一般自由锻有别，各个环节都有具体的要求。欲将其改锻成高质量的冲凸模、凹模锻坯，必须事先确定好以下一些基本要素。

　　4.1 对原始毛坯的要求

　　模具制造大都是单件、小批量生产，模具锻坯的原始毛坯下料主要采用锯切割。要求两端平整（倾角小于1０°），其毛坯尺寸还应考虑加工余量和火耗。为了满足首次镦粗锻造比，便于击碎材料组织颗粒粗大的碳化物，推荐按下式确定毛坯长度尺寸：

　　2ｄ＜Ｌ＜3ｄ（圆坯料）

　　2Ａ＜Ｌ＜3Ａ（方坯料）式中：Ｌ——毛坯长度；

　　ｄ——圆毛坯直径；

　　Ａ——方毛坯边长。

　　4.2 锻造设备吨位

　　高合金工具钢在锻造温度下比普通碳钢强度高、塑性差。为了更有利在接近终锻温度进行锻造，便于打碎钢中碳化物，从而改善钢的内部组织，在锻造高合金工具钢时，其锻造设备吨位应选得高一点。

　　形状、尺寸以及表面质量符合要求，也要求改善其内部质量。迄今为止，后者仍然要靠锻造的变形工步来达到。对于一般的碳钢和低合金钢，必须在始锻温度下，加大锻造比，猛烈锻打，使其锻透，这就足以改善其内部质量。而高合金工具钢，特别是低塑性合金钢，因塑性太低，不能用自由锻造方法锻造。但当它们处在全向不等值压缩状态下（即三向受压应力状态），其塑性可得到提高。在挤压筒中挤压和闭式模腔中模锻，属于这种应力状态。

　　用自由锻工艺锻造高合金工具钢时，若采用方一扁方一方拔长的锻造工步，则锻坯受力状态可看作近似的三向压力状态，可更好锻透并挖掘材料塑性潜力。

　　4.3 高合金工具钢改锻工步的选定

　　高合金工具钢冲模锻坯，要求其共晶碳化物颗粒应细小而匀称并均匀分布，无宏观、微观偏析。未经精炼的国产高合金工具钢轧（锻）材，需进行改锻才能改变材料力学性能，满足冲模锻坯的要求。目前行之有效的改缎方法有以下几种：

　　（1）顺纤维方向镦拔3次以上。沿原始毛坏的纤维方向（轴向），确保锻造比＞2，在一火内快速连续镦拔3次以上。这种方式适合高速钢及小尺寸高合金工具钢锻坯的改锻。缺点是若镦拔次数不足或锻造比过小则锻不透，从而导致碳化物分布有明显方向性：操作不当时，还易出现空心裂纹。

　　（2）变向反复镦拔3次以上。第一次顺纤维镦拔，第二次垂直于纤维方向拔长再镦粗。按此顺序可分为单十字、双十字和多十字镦拔。这种镦拔工步要点：一火内完成全部十字镦拔；锻造比＞2，镦粗前后锻坯高度相差一倍；为避免镦粗凸肚裂纹，应采用倾斜旋转多次轻击快打；拔长采用方一扁方一方走料。生产实践证明，经三种十字镦拔，可以满足多数８０ｍｍ以下毛坯轧（锻）材各种锻坯改锻的需要。

　　虽然采用相同的变形工步，同样的生产条件，但由于锻工操作技术水平不一，加之原始毛坯的内在质量差异，改锻后的效果，有时仍然会有较大差别。结束语：经改锻后的Ｇｒ12ＭｏＶ钢锻坯，其共晶碳化物的不均匀度达到国标2级以上，有的也能达到ｌ级，使原始毛坯轧（锻）材的碳化物不均匀度提高了4级以上。以统计资料显示，这种由改锻高合金工具钢制造的冲模，其寿命均有大幅度提高（达3０％—５０％）。