鋁型材擠壓機(jī)用鋼H13鍛材的研制

時(shí)間：2024-06-06 23:23:15 材料畢業(yè)論文我要投稿

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　　摘要： 東北特殊鋼大連基地利用本身設(shè)備及技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)出一系列生產(chǎn)工藝，試制出滿足北美壓鑄協(xié)會NADCA207優(yōu)質(zhì)鋼標(biāo)準(zhǔn)要求的ф140-800mm鍛造棒材，經(jīng)過用戶鑒定滿足使用要求，特別是Ф600-800mm直徑的棒材半徑二分之一處的球化組織也完全滿足該標(biāo)準(zhǔn)的要求，為技術(shù)上的一大突破。

　　關(guān)鍵詞： H13;鋁擠壓用鋼;顯微組織

　　引言

　　由于擠壓鋁材時(shí)溫度在450-480℃左右，擠壓壓力高達(dá)2000MPa以上，因此對使用的模具材料要求十分苛刻。特別是近年來隨著鋁擠壓制品異型化、大型化以及大型擠壓機(jī)的(2.5萬噸)的投產(chǎn)，對模具材料的質(zhì)量要求越來越高，規(guī)格也越來越大。為降低成本、滿足一腔多模的要求，一些鋁擠壓模具廠將直接用于制作模具的規(guī)格增大，并提出棒材退火組織達(dá)到NADCA207-2003中AS1-AS3，BS1-BS2的質(zhì)量水平。

　　1、國內(nèi)試制現(xiàn)狀

　　以往國內(nèi)生產(chǎn)的高質(zhì)量H13棒材極限規(guī)格為650mm，大規(guī)格模具均采用進(jìn)口或小規(guī)格鍛質(zhì)棒材鐓粗鍛造而成，增加了生產(chǎn)成本和周期。東北特殊鋼集團(tuán)大連基地在利用本身設(shè)備優(yōu)勢，經(jīng)過近一年的工藝開發(fā)及研究，試制出最大直徑為800mm的高檔次模具用鍛造H13棒材，經(jīng)過用戶檢驗(yàn)完全滿足使用要求。特別是600-800mm直徑的棒材球化組織也完全達(dá)到NADCA207標(biāo)準(zhǔn)AS1-AS3，BS1-BS2水平，為技術(shù)上的一大突破。

　　2、試制工藝

　　2.1 試制工藝路線轉(zhuǎn)爐+精煉+連鑄+電渣+鍛造+超細(xì)化處理+球化處理。

　　2.2 化學(xué)成分的控制根據(jù)各元素對鋼材性能的影響，控制C在中限、Si、Mn在中上限、S≤0.003%，改善縱橫向性能比，P≤0.015%，Mo、Cr在中上限，改善沖擊和抗疲勞性能，V中下限，控制鋼的韌性和偏析水平。特別是有意將影響模具壽命的Cu元素控制在0.020%以下。

　　2.3 連鑄坯冶煉控制冶煉時(shí)采用轉(zhuǎn)爐鐵水，去除有害元素P、Cu含量，加強(qiáng)控制鋼中的脫氧，脫硫，并經(jīng)過真空處理，去除鋼的氣體N含量，降低鋼中夾雜物水平。完成了連鑄上臺溫度、連鑄的拉速、二冷水，電磁攪拌和輕壓下工藝的最優(yōu)配合，減少連鑄坯的偏析。

　　2.4 電渣分析了不同規(guī)格連鑄坯質(zhì)量，選取了小規(guī)格連鑄坯作為電極坯料，減少了電極坯料的偏析程度，控制合適的充填比、渣系、渣量和溶化速度。東特大連的電渣采用恒溶速，一只電極坯料對一只電渣錠，不存在交換電極問題，因此電渣錠的質(zhì)量穩(wěn)定，組織偏析微小，為后期加熱擴(kuò)散控制奠定基礎(chǔ)。

　　2.5 鍛造

　　2.5.1 高溫?cái)U(kuò)散技術(shù)的應(yīng)用電渣時(shí)鋼錠的選分結(jié)晶結(jié)果導(dǎo)致鋼材存在帶狀和一次碳化物，容易造成應(yīng)力集中，引起模具的早期開裂。采用高溫?cái)U(kuò)散技術(shù)能使碳化物分解熔入周圍基體中，并減輕帶狀偏析程度。椐資料介紹[1]，H13鋼經(jīng)高溫均勻化，其沖擊功均較未擴(kuò)散處理的試樣高1倍以上。生產(chǎn)中我們經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)研究，確定了該鋼種的高溫?cái)U(kuò)散工藝，達(dá)到了良好效果。

　　2.5.2 鍛造方法的研究進(jìn)行了拔長、一次鐓拔、多次多向鐓拔試驗(yàn)和不同壓下變形率配合試驗(yàn)等鍛造方法研究，最終確定了鐓拔+變形率相結(jié)合的生產(chǎn)工藝。鋼材經(jīng)過高溫?cái)U(kuò)散+鐓拔滲透變形得鍛造工藝，可保證最終組織均勻一致。尤其大于450mm-800mm直徑的棒材由于采用東特大連獨(dú)有的80MN壓機(jī)進(jìn)行大壓下的鐓拔，變形充分，對組織的破碎十分有效。

　　2.6 超細(xì)化及球化處理在細(xì)化處理時(shí)根據(jù)鋼種的特點(diǎn)，結(jié)合相圖進(jìn)行控制，既消除網(wǎng)狀，細(xì)化組織，又防止裂紋。經(jīng)過精心計(jì)算，確定合適加熱溫度，使碳化物部分溶解，這樣保有部分未溶碳化物，利于球化處理[2]。其次對冷卻環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格控制，使內(nèi)部溫度盡快返到外部，保持內(nèi)部溫度快速降低。經(jīng)過各規(guī)格的生產(chǎn)試制取得了良好的組織細(xì)化效果。關(guān)于球化處理，有資料介紹[2]，當(dāng)原始組織為馬氏體或貝氏體時(shí)，這樣更有利于球狀碳化物的形成。對于大規(guī)格600-800mm的棒材生產(chǎn)確定了一套特殊的超細(xì)化及球化工藝，保證了球化質(zhì)量。

　　3、試制結(jié)果

　　3.1 化學(xué)成分鋼的化學(xué)成分見表1。值得注意的是，東北特殊鋼采用轉(zhuǎn)爐鐵水煉鋼，因此鋼中的N含量、Cu含量都很低，Cu含量達(dá)到最小0.09%，最高0.12%，平均為0.10%，這降低了模具鋼的室溫脆性;而采用轉(zhuǎn)爐鐵水煉鋼可保證低的氮含量范圍在80-130ppm，氧含量≤15ppm，明顯降度鋼中的B類和D類夾雜物。從成分看，鋼的P、S水平都達(dá)到了國內(nèi)先近水平，但與瑞典8407還有一定差距。

　　3.2 冶金質(zhì)量水平

　　低倍組織、夾雜物水平見表2，可見，鋼的低倍組織均勻一致，夾雜物水平基本在0-0.5級左右。對成品半徑二分之一處退火組織進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖1所示，由500X顯微組織來看，800mm材料整體的珠光體球化效果都達(dá)到了北美壓鑄協(xié)會優(yōu)質(zhì)鋼的標(biāo)準(zhǔn)NADCA207-2003熱作模具鋼退火組織的合格標(biāo)準(zhǔn)，見圖1所示。與瑞典8407的珠光體碳化物顆粒的均勻性相當(dāng)。國內(nèi)其他廠家優(yōu)質(zhì)H13部分區(qū)域受組織遺傳性的影響，粒狀珠光體呈區(qū)域性的針葉狀。因此，大連基地生產(chǎn)的800mm直徑棒材組織已經(jīng)完全達(dá)到了國外先進(jìn)水平300mm直徑的棒材組織，這是東特大連獨(dú)特之處。

　　3.3 鋼材的橫向性能對棒材通過鋼材半徑二分之一處切取7mm×10mm的無缺口試樣(每批取3個(gè)試樣)進(jìn)行橫向沖擊檢驗(yàn)，在保護(hù)性介質(zhì)中調(diào)質(zhì)使試樣硬度在45±2HRC，然后再WE-100萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著棒材直徑的增大沖擊功下降，在300mm以下棒材沖擊功大于250-300J，但大規(guī)格的棒材沖擊值不斷降低，在620mm直徑時(shí)，沖擊值為147J，這也較國內(nèi)其他優(yōu)質(zhì)鋼高出20J。

　　3.4 批量生產(chǎn)及用戶使用的反饋情況采用以上高純度、低偏析的冶金質(zhì)量控制、高溫?cái)U(kuò)散技術(shù)應(yīng)用、鍛后組織細(xì)化處理及球化工藝控制，大連基地生產(chǎn)了幾百批次，規(guī)格以300-800mm直徑為主，產(chǎn)出材2000余噸，目前均已經(jīng)交付用戶使用，據(jù)用戶反饋鋼材完全可以滿足使用要求。

　　4、討論及未來改進(jìn)方向

　　從表1可知，目前大連生產(chǎn)的H13鋁擠壓棒材化學(xué)成分控制得當(dāng)[3]，雜質(zhì)含量低，S、P均可達(dá)到國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鋼的水平，與瑞典8407的水平接近，Cu、N元素目前在國內(nèi)也屬于領(lǐng)先水平。從表2可見，鋼中低倍質(zhì)量良好，夾雜物的含量基本與瑞典8407的水平相當(dāng)，這都為優(yōu)質(zhì)模具提供了基礎(chǔ)保證。

　　對于鋁擠壓機(jī)用鋼H13來說主要用于制作擠壓機(jī)的導(dǎo)流模、模芯、支撐模，不同部位對材料有不同的要求，以往大規(guī)格棒材被直接使用的情況不多，常常被改鍛后制造模具，但目前對大規(guī)格棒材直接作模具的情況越來越多。而鋼材的調(diào)質(zhì)后的組織如何直接關(guān)系到鋼材的使用壽命。我們經(jīng)過電鏡分析，發(fā)現(xiàn)通常調(diào)質(zhì)后高壽命的8407表現(xiàn)為較小的解理斷口[3]，國內(nèi)鋼材的解理斷口略粗。那如何才能形成較小的解理斷口呢?認(rèn)為主要是需要碳化物曾現(xiàn)均勻而且顆粒成球。要想達(dá)到如此的球化效果，需要采用以上提到各種工藝的優(yōu)良配合。

　　在瑞典8407中一般很少能看到夾雜物，而影響模具壽命的第二原因就是鋼中的夾雜物[4]，目前就國內(nèi)鋼材來說，夾雜物普遍達(dá)不到8407水平，大連基地的夾雜物也略高于8407。電鏡還發(fā)現(xiàn)鋼中夾雜含有Al、Si、Ca等元素，而且夾雜物顆粒十分細(xì)小，在檢驗(yàn)中難以發(fā)現(xiàn)，卻成為斷口沖擊值低下的原因，因此如何提高國內(nèi)超純凈鋼是提高國內(nèi)高檔次模具鋼的關(guān)鍵。另外，鋼中的存在的共晶碳化物(主要是V的碳化物)是損害模具壽命的另一大危害。如果這些碳化物在高溫?cái)U(kuò)散階段沒有擴(kuò)散溶解，那么在后期的調(diào)質(zhì)加熱時(shí)因?yàn)槠涫チ伺cCr共同擴(kuò)散的機(jī)會，單獨(dú)很難完成擴(kuò)散[1]，這種碳化物的作用相當(dāng)于夾雜物，嚴(yán)重降低鋼的沖擊任性，損害模具壽命。因此目前生產(chǎn)采用的高溫?cái)U(kuò)散是十分必要的。

　　因此對于國內(nèi)優(yōu)質(zhì)鋁擠壓模具的發(fā)展方向是如何降低鋼中夾雜物含量、消除一次碳化物和做好球化組織的精細(xì)化工藝研究。

　　5、結(jié)論

　　5.1 東北特殊鋼大連基地采用電渣+高溫?cái)U(kuò)散+多面鍛造+超細(xì)化處理與球化工藝相結(jié)合生產(chǎn)的H13大規(guī)格棒材工藝穩(wěn)定，可以批量供貨。經(jīng)過用戶使用完全滿足用戶使用要求。

　　5.2 東北特殊鋼大連基地生產(chǎn)的直徑?準(zhǔn)140-800mm的H13棒材，質(zhì)量達(dá)到了國內(nèi)先進(jìn)水平和國際水平。尤其600-800mm在半徑二分之一處的組織也完全滿足該標(biāo)準(zhǔn)要求，為技術(shù)上一大突破。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李彥初，趙英亮，陳輝等.美標(biāo)H13熱作模具鋼的鍛造工藝優(yōu)化[J].山東冶金，2011，33(5)：59-61.

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　　[3]潘曉華，朱祖昌.H13熱作模具鋼的化學(xué)成分及其改進(jìn)和發(fā)展的研究[J].模具制造，2006(4)：78-85.

　　[4]陽燕，劉建華，包燕平.熱作模具鋼H13的非金屬夾雜物研究[J].鋼鐵，2011，46(9).

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