如何正确制定模具钢的锻造工艺?

     模具制造业中是使用各种合金工具钢最多最广的钢种。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。虽然采用相同的变形工艺,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。

⒈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:
⑴、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。
⑵、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。
⑶、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。

⒉ 高合金模具钢改锻的意义
作为冲模常用材料的高合金模具钢,其力学性能的高低,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模具钢的力学性能,而国产高合金模具钢,尤其是冷作模具用高合金模具钢(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。
冷作模具用高合金模具钢的锻造,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。

⒊改锻的基本工艺要素
高合金模具钢轧(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。

⑴、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
2A<L
式中:L--毛坯长度;
d--圆毛坯直径;
A--方毛坯边长。{page}

⑵、加热规范
常用高合金模具钢锻造加热规范见表1。
表1  常用高合金模具钢锻造加热规范
钢号 加热温度/℃ 锻造温度/℃
  始 锻 终 锻
Cr12 1100-1150 1050-1100 850-900
Cr12Mo 1150-1180 1070-1120 840-880
Cr12MoV 1050-1100 1000-1050 840-880
Cr12V 1080-1100 1020-1050 800-850
Cr6WV 1100-1150 1050-1100 800-850
CrWMn 1100-1150 1050-1100 800-850

⑶、锻造设备吨位
高合金模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,在锻造高合金模具钢时,其锻造设备吨位应选得高一点。根据锻件重量设备参见表2。
表2 锻锤吨位选用推荐表
锻造重量/kg <1 <2 <3 <4 <6 <10 <15 <20
锻锤吨位/kg 65 150 200 250  500 750 1000
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。

⑷、高合金模具钢改锻工艺的选定
高合金模具钢冲模锻坯,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模具钢轧(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。

    研究表明,经改锻后的高合金模具钢锻坯,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,这种由改锻高合金模具钢制造的冲模,其寿命均有大幅度提高(达30%-50%)。

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