随着模具在机械制造业中的应用日益增强,模具性能和使用寿命成为衡量模具制造水平的重要标志。在影响模具质量的众多制造因素中,材料的冶金质量和模具热处理水平的影响最为重要。对于冶金行业而言,提高材料纯净度和碳化物的均匀性是高质量模具钢的发展方向。作为通用型冷作模具钢,2钢具有良好的淬透性和淬硬性、较高的耐磨性以及热处理变形小等特点,广泛应用于形状复杂的冲孔凹模、冷挤压模、滚丝轮、搓丝板、冷剪切刀和精密量具。通过对模具失效原因的分析发现钢材的共晶碳化物不均匀度和氧含量(包括氧化物类夹杂物)是影响模具寿命的最主要材料质量原因。本文对影响D2钢共晶碳化物不均匀度和氧含量的冶金工艺参数进行了探索性研究,确定了符合企业技术装备特点和能力的工艺参数。

为了保证试验结果具有系统性和可比性,本文研究的D2钢化学成分按照ASTM A681标准执行,标准成分和内控成分如表1所示。钢材的共晶碳化物不均匀度按照GB 1299中的方法和规定进行检验和评定,氧含量采用RD—600型定氧仪进行测定。除了进行工艺试验的丁艺参数外,其他工艺参数(精炼钢浇注工艺、电渣重熔工艺、快锻机拔长工艺和退火工艺)全部按照相关技术规程和工艺规定执行。

影响共晶碳化物不均匀度的工艺因素

D2钢中的Cr 、 Mo、V 等合金元素在凝固和共析转变过程中会形成大量碳化物,尽管经轧制或锻造等热变形工序能够破碎鱼骨状共晶碳化物,但由于受到轧制或锻造方向影响,钢中的碳化物分布仍然是不均匀的。当钢中存在大颗粒碳化物或碳化物分布不均时会降低钢的机械性能并导致模具在热处理过程中出现变形、开裂等问题,因此共晶碳化物不均匀度是衡量D2钢实物质量水平的重要技术指标。

锻比的影响

本文选用币1 100 mm电渣锭进行锻比对钢材共晶碳化物不均匀度影响试验,试验锻比的选择范围为2~8。从图1中的曲线变化可以看出,随着锻比由2逐渐增大到8 ,钢材的共晶碳化物不均匀度得到了改善,评级由6.0级降低到4.0级。当锻比等于4时,共晶碳化物不均匀度的级别为5.0级,能够满足用户的要求。一般来说,锻比只能概略地说明锻压效果,不能准确地反映微观组织和性能的变化[3]。因此实际生产中在保证一定锻比的前提下,必须在拔长工序中有大压下量道次,保证碳化物充分破碎。

影响氧含量的工艺因素

对于模具材料而言,随着氧含量的增加,氧化物的颗粒和数量都随之增长,钢的疲劳性能降低，在模具热处理和使用过程中容易产生热裂纹"l。因此降低氧含量成为高质量模具钢的发展趋势。隆继的D2钢一般采用EAF+LF + VD和EAF +LF+ VD +ESR两种冶炼工艺进行生产,本文分别对上述两种冶炼工艺中的LF＋+VD炉精炼和 ESR二次精炼进行了控制氧含量工艺试验。

LF+ VD工艺的影响

对于LF+VD精炼过程而言,加强LF炉还原期脱氧及保证VD炉真空脱气效果是降低氧含量的主要工艺措施。试验中在LF炉采用联合脱氧,控制白渣碱度≥4及VD炉真空度≥67Pa。表3中的结果显示,与正常生产的平均氧含量32.57×10-“相比，工艺试验D2钢中的[О]仅为16x10-,降低幅度达到50.88% ,控制D2钢氧含量试验达到预期效果。

一般来说,电渣钢重熔过程中结品器内的微正压可以在一定程度上避免钢中氧含量增加。本文研究了采用330 mm电极重熔成610 mm电渣锭时,不同电极表面状态-车光(见图3)和黑皮对电渣钢氧含量的影响。表4中的检验结果显示采用不同表面状态电极生产的电渣钢中氧含量与电极相比分别增加了12.5%和 37.5%。试验结果表明电极表面状态对电渣钢氧含量影响较大,与车光电极相比,采用黑皮电极生产的电渣钢氧含量多增加了25% 。

( 1〉)随着锻比的增加,D2钢的共晶碳化物不均匀度明显改善。对于1 100 mm电渣锭而言,当锻比由2增大到8时,共晶碳化物不均匀度得到了改善,评级从6.О级降低到4.0级。

(2〉在相同锻比条件下,D2钢的共晶碳化物不均匀度级别随着锭型尺寸的增加而增大。当锻比相近时(2.9 ~3.1 ) ,平均直径为970 mm的十二角锭和平均直径为820 mm的八角锭锻制成材后,前者的共晶碳化物不均匀度评级要比后者高1级。

(3）采用LF+VD工艺进行精炼, D2钢的氧含量可以控制在16× 10°ppm以下。

(4）重熔电极表面状态对D2电渣钢氧含量有较大影响,与车光电极相比,采用黑皮电极生产的电渣钢氧含量多增加了25%。