高速钢改锻工艺技术

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摘要：本文重点介绍高速钢锻造预热、加热、锻造方法、冷却等工艺技术，并分析锻造裂纹产生的原因，内容丰富，实用性强。

关键词：高速钢  锻造  镦粗  拔长  裂纹

高速钢属莱氏体钢，存在着严重的碳化物偏析等先天性毛病，常采用改锻措施，锻打成我们所需要各种刀具、模具毛坯。所以高速钢改锻目的主要有两点：降低碳化物不均匀度级别，使碳化物分布更加均匀，以满足热处理工艺需要；使材料的纤维方向合理分布以提高工具使用寿命。以下简介国内一些工具厂成熟的改锻工艺技术。

1、锻前准备工作

除了熟悉高速钢产品的锻造工艺规程和相关要求外，操作者应按工艺规定对照坯料的牌号和下料尺寸并核对数量；炉前工按图纸和操作要求准备好工夹具，并将砧面预热到250℃左右。

2、锻坯的预热

由于高速钢含有较多的合金元素，导热性比较差，实践证明，预热是防止锻裂的重要手段之一，应引起足够的重视。

预热可以在加热炉炉门口进行，循序渐进，预热时间按坯料的外径估算：≤60mm者0.4~0.7/mm，也有些单位不预热，直接进高温区快速加热；＞φ60~80min者0.5~1.0min/mm；＞φ80mm者0.6~1.2min/mm。预热温度一般为800~900℃。预热过程中应经常将坯料翻身和调换位置，以保证预热均匀。

3、锻造加热

压力加工最适宜的加热温度，是要求在这个温度下高速钢有最佳的塑性，这个温度范围可根据热扭转试验来寻找确定。工具厂积累了多年的实践经验，视不同工况确定的加热温度和加热时间如表1和表2所示。

表1  高速钢锻坯加热温度

表2  高速钢锻坯的加热时间

注：1、对于直接成形的锻件可不经预热，直接加热，加热速度应缓慢；

2、加热时间系第一火而言，后几火加热时间可缩短1/3~1/2。

       应用表1、表2的工艺参数，操作时必须将预热后的坯料依次送入高温区，要勤翻动、勤调头和及时地将其调整到最佳温度区域；并要保证坯料间有足够的间距，不可堆积加热。这样的操作方法能使每一件锻坯的实际加热时间相对接近，既不消费能源和金属烧损，又保证了加热质量。

煤气反射炉加热的坯料，操作时不可烧急火，不使火焰直接喷射到被加热的坯料上，经常用光学高温度或其他现代化的仪器校核被加热的坯料温度，以及使炉气略带还原性气氛，尽力减少氧化脱碳。

4、锻造

（1）镦粗  无论是反复镦拔的镦粗还是直接成形的镦粗，均应关注：

1）镦粗时切忌镦歪  如发现镦斜时，应置上下两角于中心线位置（中心线垂直于砧面），倒角借正，否则由于镦歪将导致端面中心外移，致使碳化物不均匀性不合格，达不到改锻的目的。

2）镦粗不当而弯曲时，应立马敲平校直后再镦粗，因弯曲产生的折印会形成横向裂纹。

3）镦粗裂纹  业已查明反复镦拔的镦粗工序，是导致端部中心附近锻裂的主要原因。如果加热温度过低、加热时间不足以及停锻温度过低，就会产生比较整齐和光洁的裂纹。通常这种裂纹大多是在第一次镦粗后的拔长开始时产生。

4）在镦粗操作中，实施“铆镦”是减少镦粗应力、降低锻裂的重要手段，其操作方法如图1所示。对于直接成形的刀具，如果镦粗后高度小于直径，在镦粗过程中无法实行铆镦，为了减少其镦粗应力，可采用旋转锻件局部镦粗的方法。

（2）拔长  为了保证在一定生产量的前提进行高速钢反复镦拔的安全生产，建议采用大的下砧面。

1）为了保证在反复镦拔的拔长工序中的锻件质量，砧面的圆角要适当增大（R≥10mm），因为小圆周在拔长时易产生锻印，扩大后有可能形成横向裂纹。

2）每一次拔长面第一锤的进给量可略大一些（过小易飞溅伤人），但不得超过第二锤进给量的二倍。

3）第一拔长面进给量，要求相对均匀一致。

4）每拔长一面后，应顺着逆时针方向翻转90°，严禁无规则乱翻。

5）拔长不当而歪斜时，可参照镦歪方法校正。

6）如拔长达不到工序尺寸时，应将拔长的锤印敲击并敲平，方向进入镦粗工序。

（1）原材料 （2）铆锻后 （3）镦粗后

图3  铆锻操作方法

（3）直接拔长成形的刀片，如割刀、键槽拉刀等，出坯时不要将宽度锻得过阔，防止在收阔时局部产生变形的叠印，导致纵向锻裂。

（4）反复镦拔的终锻温度  各种高速钢反复镦拔的终锻温度大约在950℃左右，最后一火的平整温度可适当低些。

（5）反复镦拔中执行“二轻一重”的原则

1）始锻要轻击  因为锤击过重，打击能量在锻件内部因金属摩擦而转换成的热能，将使已经较高温度的坯料温度继续上升，从而导致锻件的过热甚至过烧。

2）终锻亦应轻击，否则在重击下锻裂在所难免。

3）中锻应重击  在反复的镦拔过程中，较适宜的重击温度区域，对W18钢为1050~950℃，对M2钢为1030~930℃。在实际操作中，当锻件温度下降到重击温度区时，及时施以重击；当锻件温度形变而上升时，再予以轻击。这样交替迫使温度逐渐下降，直到这一火完成镦拔次数并达到规定的反复终锻温度为止。这就是巧打猛击相结合、二轻一重的锻造原则。

5、锻后冷却

（1）利用锻件余热进行等温退火  形变热处理节能高效，值得推广，不过它要求具备一定的批量和配套的井式电阻炉。

（2）将锻件趁热置于600~650℃炉中保温，待改锻完毕后再随炉冷至200℃出炉空冷[1]，再装箱保护退火，它适用于在锻工车间内无退火工序的场合。

（3）直接置于不通风的热砂或热灰（≥200℃）内冷却，它适用于缺乏退火实施的少量生产的工厂。

（4）直接置于干燥箱内堆冷  它适用于缺乏必要实施而具有一定产量的工厂。干燥箱可制成流动式，内铺硅酸铝保温材料并附有保温盖。由于在较短的时间内装满一箱锻件，依靠锻件余热起到缓冷的作用，然后再装箱完全退火。

6、锻造裂纹及其他缺陷

高速钢锻造常见的缺陷是裂纹，现就种种裂纹现象作解析。

（1）“十字”开裂（对角线裂纹）[2] 裂纹常规出现在矩形截面上，裂纹沿两条对角线呈十字形分布（有时也仅在一条对角线上出现）。这种裂纹是在拔长过程中最典型的缺陷。产生的原因主要有5点。

1）由原材料的裂纹、中心疏松、碳化物剥落等缺陷的聚集扩展而发展而产生，这种裂纹的裂口比较粗糙。

2）碎裂  加热温度过高或在高温下停留时间过长，致使强度下降。此原因造成锻裂工件的裂口比较粗糙。

3）锻件温度低或加热时间不足，使材料的塑性降低，这种原因产生的裂纹的裂口比较光洁。

4）拔长操作送量过大引起锻件横向展宽变形过度。

5）拔长操作失误，出现“大角”，此裂纹多沿长对角产生。

（2）碎裂  裂纹宽、深，位于坯料的端面，裂纹粗糙，周边有小裂纹或孔坑，甚至有熔化现象，一般在锻造刚开始即现。产生的主要原因有3点：

1）原材料有内部裂纹、缩孔残余，碳化物颗粒粗大或严重堆积等缺陷。

2）加热温度过高或在高温阶段停留时间过长，产生严重过热甚至过烧。

3）锤击不当。

（3）纵向表面裂纹  键槽拉刀等矩形工件拔长时，在宽度侧面表面上常现纵向裂纹，这种裂纹细、浅、长度不一。产生的原因主要有4点：

1）原材料表面裂纹的拉长或扩展。

2）矩形截面的长、宽比过大或拔长时产生横向弯曲。

3）终锻温度过低，锤击力过大。

4）锻后未有缓冷或锻后至退火之间放置时间过长。

（4）横向表面裂纹  矩形锻件拔长常见侧面有微裂，方向与轴呈垂直分布，多起源于锻件降温最快的区域（棱角），产生的原因主要有3点：

1）原材料表面缺陷（折叠、凹坑、结疤、气孔等）引起。

2）锤砧边缘圆角半径过小，拔长时在侧表面形成清角锤痕，当两侧面的锤印在棱角处相重合时，很容易在该处产生横向裂纹。

3）拔长送进量过小且压下量过大，锻件表面形成折叠。

（5）矩形截面锻件内部横向裂纹  这种裂纹产生的主要原因是拔长操作时拉送量过小（送进长度与锻件厚度之比小于0.5），使变形区内产生与细长杆件镦粗时相似的中间锻不透现象。

（6）端面微小裂纹  此种裂纹位于锻件端面，裂纹短、细，一般出现于镦粗过程中的铆锻（倒角镦粗）或拔长工序。产生的主要原因有3点：

1）原材料有中心疏松、碳化物剥落、碳化物颗粒粗大。

2）镦拔过程中由于热效应引起锻件局部温度骤升，降低钢的强度。

3）锻件的某一端面接触下砧时间过长，造成表面温度过低，降低了材料的塑性。

（7）圆截面锻件中心裂纹  这种裂纹裂口宽、深并平行纵轴分布。有的裂纹从端面可见，有的从外面上看不见。前者在滚圆过程中发现，后者可在机加工序车削内孔时发现。产生的主要原因有4点：

1）原材料有中心裂纹、疏松、碳化物颗粒粗大等缺陷。

2）滚圆过程中产生较大的横向拉力。

3）滚圆时扩大了方截面拔长或倒棱时形成的初生裂纹。

4）始锻温度过高或终锻温度过低。

（8）圆截面锻件表面纵向裂纹  此裂纹的特征是在圆截面的侧表面上，裂纹走向略平行于纵轴，裂纹较宽，深浅不一，一般是在镦粗时发现，修磨后可继续锻造。产生的原因有3点：

1）原材料表面裂纹的扩大或发展。

2）加热温度低或保温时间不足。

3）锻造时侧表面胀鼓变形过大。

（9）圆截面锻件表面横向裂纹  这种裂纹在锻件侧表面上呈横向分布，裂纹宽、深、长。往往是在锻件退火后发现。产生的原因主要有4点：

1）坯料表面有折叠、斑疤或较深窄的横向磨裂。

2）坯料在拔长时于侧表面形成明显的锤痕或折叠，镦粗时成为裂纹源。

3）铆锻过渡，镦粗时形成横向汇流折波。

4）锻件冷却过急或没能及时退火。

（10）盘形刀片内孔碳化物剥落  这种缺陷多发现在车内孔或淬火后，碳化物剥落在内孔壁上发生，位置居中，方向与水平略呈倾斜（与原材料碳化物带的镦粗走向一致）。这种缺陷虽不能称之为裂纹，但也破坏了金属的连续性。与一般锻裂相比，缺口较宽、尾部变钝，多产生于外形尺寸较大的圆饼锻件，如剃齿刀、盘形插齿刀等锻件。

原材料心部有明显的碳化物带，在镦粗过程中被压缩、聚集、折叠，在车内孔或淬火时脱落。

（11）冲孔周边裂纹  此裂纹的特征是：裂纹位于冲孔后的周边棱角上，呈放射状“径向”分布，有的冲孔时当即呈现，有的在冲孔后发现并扩展，产生的原因主要有3点

1）冲孔时锻件表面温度过低，塑性下降。

2）冲头或锤砧没有预热。

3）扩孔冲子锥度过大。

（12）萘断口  在热处理淬火时常发现车刀一头组织正常，而另一头有萘断口；大直径铣刀某一个边缘有萘断口，而不经锻造制作的刀具均无萘断口，说明萘断口是由于锻造不良所致。一般认为锻造产生的萘断口有两个原因[3]：

1）锻造比太小，变形甚微（10%~15%），而且终锻温度很高（如在1100~1050℃）。

2）返修品不经中间退火或退火不良有可能产生萘断口。

（13）表面严重脱碳  这是由于在加热时，在高温下停留时间过长，表面的碳量过分烧损所致。特别是W-Mo系钢脱碳的趋向越严重。因此，要严重控制在高温下的停留时间。在能够使钢均热的前提，其停留时间应尽量短时，如在保护气氛下加热更佳。

7、锻件质量检验

总的来讲，锻件质量应符合  JB/T4290-2011《高速工具钢技术条件》，具体检查项目如下

（1）锻件的形状和尺寸应符合锻件图样及工艺文件的要求。

（2）外观检查  表面存在的凹坑、折叠、发裂等宏观缺陷，其深度不得超过单边加工任意一实际值的1/2。

（3）碳化物不均匀度  按标准要求取样，通过改锻，应有所改善，按产品类别的尺寸大小，应达到相应的级别要求。

（4）脱碳层检验应符合GB/T224的规定。

（5）断口检验应符合GB/T1814的规定，不得有萘断口。

（6）锻件内部裂纹等缺陷的超声波检验应符合JB/T4009的规定。

（7）锻件退火后的硬度检验  根据多数工厂的经验，HSS、HSS-L钢≤255HBW，HSS-E类钢≤269HBW。

参考文献

[1]中国机械工程学会塑性工程学会·锻压手册（锻造）[M]·北京：机械工业出版社，2008：212~213

[2]王德拥·简明锻工手册[M]·北京：机械工业出版社，2004：309~312

[3]喻世禄·高速钢和高速钢锻造[M]·北京：国防工业出版社，1989：176

钢管于江锻圆

很好的资料，学习一下

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高速钢属莱氏体钢，存在着严重的碳化物偏析等先天性毛病，常采用改锻措施，锻打成我们所需要各种刀具、模具毛坯。所以高速钢改锻目的主要有两点：降低碳化物不均匀度级别，使碳化物分布更加均匀，以满足热处理工艺需要；使材料的纤维方向合理分布以提高工具使用寿命。以下简介国内一些工具厂成熟的改锻工艺技术。