[发明专利]提高工模具钢组织均匀性的超高温交叉大变形锻造方法

说明书

技术领域

本发明涉及工模具钢的锻造领域，具体地来说是一种提高模铸工模具钢(钢坯)组织均匀性的超高温带液芯交叉大变形锻造方法。

背景技术

模具工业是先行工业，是其他工业发展的基础，被誉为“工业之母”，是衡量一个国家和地区工业水平的重要标志。提高工模具钢的内在质量，保证其运行过程中的安全性和可靠性具有十分重要的意义。

工模具钢一般分为热作、冷作、注塑用模具钢三大类，使用环境虽然有所差别，但一般都比较恶劣，模具需要承受高温、高压、腐蚀、磨损等外界因素影响，因此对材料的综合力学性能要求较高，既要有较高的硬度，保障模具整体的刚度，同时也要有较好的韧性，使模具发生轻微变形时不至于开裂。此外，还要有较好的高温性能和耐腐蚀性能。为了达到这一目标，绝大多数工模具钢中均不同程度添加了Si、Cr、Ni、Mo、V等合金元素。以最常见的热作模具钢H13(4Cr5MoSiV1)为例，0.4％的碳和5％的铬是为了提高材料的室温强度，1％的钼是为了提高材料的高温强度，1％的硅是为了提升材料的耐高温腐蚀能力。这些元素虽然使材料的性能获得提升，但增大了凝固区间，使钢锭的铸态组织非常发达，树枝晶尺寸大，液析碳化物数量多，中心缩孔疏松严重。这些冶金缺陷必须通过后续的锻造予以消除或减轻，否则将严重影响模具钢组织均匀性和力学性能的稳定性。

为了改善工模具钢的致密性和均质性，大批科研人员长期致力于开发消除钢锭心部显微孔洞和改善显微偏析的“中心压实”工艺，目前已获得工业应用的如WHF法(宽砧强压法)、FM法(心部消拉应力法)、JTS法(硬壳锻造法)等。这些工艺手段改善了锻件心部应力、应变状态，促进了孔洞类缺陷的愈合，通过再结晶破碎了铸态组织，使锻件均质性和致密性得到一定程度的提升。然而，由于材料成分和钢锭规格的多样性和复杂性，造成中心缺陷的大小和分布难以用统一的标准定量衡量，同样的锭型不同的材质，应用相同的锻造工艺进行锻造，有些能够通过探伤有些则不能。例如，采用高径比为2的15吨锭型生产42CrMo和H13钢锭，同样应用WHF法锻造，42CrMo材质的锻件能够通过探伤，而H13却不能通过，这主要是因为H13凝固区间宽，缩孔疏松缺陷更为严重。这种现状说明，当前中心压实工艺尚不足以消除一些钢锭中心比较严重的缺陷。因此，开发更为强力有效的锻造方法，彻底消除工模具钢锭中心缺陷势在必行。

近年来，在连铸坯制造领域发展出一种轻压下技术，这种技术是通过在连铸方/板坯液芯末端附近施加压力产生一定的压下量来补偿铸坯的凝固收缩量。一方面可以消除或减少铸坯收缩形成的内部空隙，防止晶间富集溶质元素的钢液向铸坯中心横向流动；另一方面，轻压下所产生的挤压作用还可以促进液芯中心富集的溶质元素钢液沿拉坯方向反向流动，使溶质元素在钢液中重新分配，从而使铸坯的凝固组织更加均匀致密，起到改善中心偏析和减少中心疏松的作用。轻压下技术对压下位置的选取非常重要，压下过早，中心金属尚未凝固，疏松缺陷在压下后还会形成；压下过晚，金属处于固相分数较高的两相区，流动性较差，小变形下容易产生密集性裂纹。一般认为中心固相分数达到0.3～0.7时压下会发挥较好作用。同时，压下量的选择也比较重要，根据设备能力，一般压下率为1～3％。连铸坯的轻压下技术能够在一定程度上改善普碳钢和低合金钢坯的中心质量，但对于必须采用模铸方式生产的工模具钢却无能为力。事实上，合金钢的凝固区间往往较宽，中心缩孔疏松、枝晶偏析等缺陷更为严重，更需要结合凝固和变形手段，消除或减轻钢坯的中心缺陷。

发明内容

针对当前工业生产中工模具钢锭的中心缺陷和内在质量问题，本发明的目的在于提供一种提高工模具钢组织均匀性的超高温交叉大变形锻造方法，可有效消除钢锭的缩孔疏松、减轻枝晶偏析等冶金缺陷，细化组织，提升锻件冶金质量和力学性能。

本发明的技术方案为：

一种提高工模具钢组织均匀性的超高温交叉大变形锻造方法，首先将浇注后的钢锭带液芯超高温脱模；然后放置于保温车中均温并运送到锻压机，将钢锭带液芯实施三向交叉大变形锻造，使凝固末端树枝晶充分破碎，形成大量等轴晶组织，消除缩孔疏松，减轻枝晶偏析；最后，进行镦粗、拔长等常规锻造成形；具体步骤如下：

第一步，将钢锭带液芯超高温脱模，锭身表面温度不低于1100℃，中心保持在1300～1450℃；

第二步，采用喷淋或鼓风装置，持续作用于钢锭冒口，使冒口顶部完全凝固；

第三步，将钢锭放置于保温车中，运送至锻压机，均温0～2小时；