十字锻造法在热作模具钢上的生产实践

徐咏梅， 刘向军

(东特集团北满特钢技术中心， 黑龙江 齐齐哈尔 161041)

H13R是我公司近年来首次生产的模具钢，其非金属夹杂物、显微组织、晶粒度、超声波探伤等要求都很严格，且用户要求采用十字锻造法生产来保证模具钢的等向性。十字锻造法生产有利于破碎坯料中心部分的碳化物，而且由于坯料与锤头和下砧的接触面经常改变，不致造成局部温度降低过多，端面产生裂纹的危险性因此减小[1]。但是，由于中心部分的金属外到毛坯的表面，因而在圆周表面上可能出现碳化物分布不均匀。因此需要对钢水的纯净度、钢锭的高温均质化、锻造变形过程等进行重点控制。

1 主要技术要求

1.1 牌号及化学成分

牌号及化学成分应符合表1的规定

表1 钢的牌号及化学成分(质量百分数)

1.2 冶炼方法

钢应采用电炉冶炼+钢包精炼+真空处理+电渣重熔冶炼。

1.3 交货状态

钢材以粗加探伤状态交货，球化退火硬度要求≤230HB，交货状态应在合同中注明。

1.4 锻比要求

采用十字锻造法，两镦两拔，锻比≥6。

1.5 低倍组织

钢材应检验酸浸低倍组织。横截面上不得有目视可见的缩孔、夹杂、分层、裂纹、气泡和白点。

按GB/T 1299第三级别图评定，中心疏松≤1级，锭型偏析≤1级。

按GB/T1979评定，一般疏松≤1级。

1.6 非金属夹杂物

钢材应检验非金属夹杂物，按GB/T10561的A法检验非金属夹杂物，合格级别见表2。

表2 非金属夹杂物合格级别

1.7 显微组织

钢材应在金相显微镜放大500倍条件下检验，显微组织(珠光体)按NADCA(H13退火组织图)级别图评定：A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、C1、C2为合格级别的图片。

1.8 超声波探伤

按GB/T6402执行，钢材应逐支进行超声波探伤。不允许存在裂纹、白点、缩孔类型的缺陷，合格标准为单点缺陷不大于Φ3mm当量，连续缺陷不大于Φ2 mm当量。

1.9 表面质量

钢材表面肉眼可见的裂纹、折叠、结疤和夹杂需要清除，清理深度不得超过负差。

2 确定工艺流程

根据热作模具钢H13R钢的技术条件及使用要求，需要对冶炼及电渣重熔过程的钢水纯净度、钢锭的高温均质化、锻造温度、锻造变形过程、变形量及终锻温度进行重点控制。为保证产品的各项性能指标，保证钢水的纯净度，冶炼方式采用电炉冶炼+钢包精炼+真空处理+电渣重熔冶炼。确定工艺流程为：电炉冶炼+LF+VD→浇注电极坯料→坯料退火→电渣重熔→电渣锭热送→钢锭加热、锻造→锻后热处理→粗加→探伤→检验→上交。

3 生产试制

3.1 电炉冶炼及电渣重熔

电炉冶炼工序的重点是提高钢水的纯净度，充分去除钢中气体和夹杂。为满足钢锭成品严格的气体含量和有害元素含量要求，在配料时要求每炉都要配入30%以上的生铁或铁水，同时要求铁合金及造渣材料充分烘烤和干燥，精炼时采用铝脱氧，并对白渣操作时间、真空度、真空保持时间、破真空后软吹氩时间都做出了明确规定并贯彻执行。浇注时控制浇注温度和浇注速度，电极坯料及时退火；坯料退火后进行了清理，必须满足符合电极坯料使用标准。

冶炼过程中，通过加强原辅材料的干燥烘烤、控制合适的钢液真空精炼的温度及有效真空时间、选择合适的出钢温度、保证浇注系统的清洁干燥、采用氩气保护浇注等手段，去除钢中夹杂物，提高钢水纯净度。

电渣重熔的原理为强大的电流在熔渣中放出电阻热，渣池达到1 700～1 800℃的高温过热状态，使进入渣池内的自耗电极熔化、细小的金属熔滴与高温渣相发生一系列物理化学反应后，滴落于金属熔池内，由于四周水冷结晶器的强制冷却，钢液逐渐凝固成型。电渣重熔时，重点控制重熔过程的稳定性，保证熔化速率均衡稳定，确保熔池浅平，尽可能地减小化学成分偏析，并同时保证钢锭的表面质量，电渣锭脱模后及时热送。

3.2 钢锭加热、锻造及锻后热处理

钢锭热送至锻钢公司，必须保证加热炉炉温的均匀性。钢锭升温至锻造温度，进行高温均质化扩散。热加工过程中常采用高温均质化来减少或消除枝晶偏析。其基本原理是通过高温状态下合金元素原子由高浓度区向低浓度区迁移，来提高合金元素分布的均匀程度[2]。即将钢锭加热至略低于固相线的温度下长时间保温，然后缓慢冷却以消除化学成分不均匀现象的热处理工艺。其目的是消除钢锭在凝固过程中产生的枝晶偏析及区域偏析，使成分和组织均匀化。对于模具钢这种合金成分较高的钢种来说，高温均质化是一道不可或缺的工序。在钢锭透烧后，钢锭的内外变形程度也更加均匀一致。

锻造时采用两镦两拔锻造工艺，并采用十字锻造法成型。十字锻造法是坯料沿轴向镦粗后，在横截面中两个互相垂直方向进行反复镦拔，其成型过程如图1所示。具体为：钢锭一次镦粗后沿直径方向拔长，二次镦粗时与一次镦粗的方向垂直，沿一次拔长的垂直方向进行镦粗，然后再沿二次镦粗的方向拔长后成型。

锻造过程锻比必须满足技术条件要求，并需要及时清理砧子上的氧化铁皮，保证表面质量及尺寸。为避免退火不及时产生白点缺陷，锻后必须及时装入退火炉。该钢种锻造顺利，塑性很好，在锻造时能够实现大变形量生产，锻坯表面良好。

十字锻造法的难度之一在于钢锭头尾的切除，由于钢锭较大，实现热切且保证端面平整避免在后续锻造过程中产生折叠比较困难，在后续生产中对两支钢锭进行了带锯冷切后锻造试验，切头尾的难度得以解决。另外一个难度就是锻造火次较多，且沿钢锭高度方向拔长较为困难，需要多次翻转锻坯。

在锻后热处理过程中，采用了一次正火，一次过冷加扩散去氢退火工艺。通过正火达到均匀组织、细化晶粒的目的。过冷是为了使奥氏体充分分解，然后长时间保温进行扩散去氢处理。

3.3 H13R扁钢粗加、探伤

H13R锻件锻后退火后粗加，随后进行超声波探伤，探伤全部合格。

图1 十字锻造法成型方式

4 产品检验

在锻件上取样进行检验，H13R扁钢各项检验结果如下：

4.1 化学成分

钢锭的成品化学成分检验结果及锭的成品成分及气体含量检验结果如表3、表4所示。

表3 钢锭的成品化学成分(%)

表4 钢锭的成品气体含量(ppm)

4.2 高倍检验

钢材非金属夹杂物检验结果如表5所示。

表5 非金属夹杂物(级)

4.3 低倍检验及硬度

钢材超声探伤合格，其低倍组织及成品硬度检验结果如表6所示。

表6 低倍组织及成品硬度检验结果

5 结论

钢锭采用电炉冶炼+钢包精炼+真空处理+电渣重熔冶炼+十字锻造的生产方式能满足H13R产品的非金属夹杂物、显微组织、晶粒度、超声波探伤等要求。

通过十字锻造法生产该产品，掌握了十字锻造法在模具钢生产中的应用，十字锻造法能保证模具钢的等向性；在锻造过程中，重点是控制两镦两拔时的方向性，保证钢锭变形过程为十字方向。

各种检验数据也表明，我公司H13R锻制扁钢试制成功，并通过数据摸索，积累了一些基本数据，为今后生产同类钢种积累了经验，也为公司生产高附加值产品做了有益的尝试。

[1]张志文.锻造工艺学[M].北京：机械工业出版社，1990, 85.

[2]彭坤，金曼，张洪奎，等.高温均质化对高碳Cr合金钢锭组织和元素分布的影响[J].上海金属,2010.32(1)：15-18.