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近年來，隨著全球制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)升級換代，航空航天、汽車、火電、家電、石油化工等行業(yè)對鋼材的品質(zhì)要求越來越高。模具鋼作為工業(yè)制造的基石，其性能和應(yīng)用直接關(guān)系到制造業(yè)的發(fā)展水平和產(chǎn)品質(zhì)量，其發(fā)展程度已經(jīng)成為衡量國家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志。SKD6熱作模具鋼具有高淬透性、優(yōu)異的耐磨性以及良好的抗熱疲勞性能，是近年來使用較為廣泛和最具代表性的熱作模具鋼之一。SKD6屬于空淬硬化熱作模具鋼，適用于作鋁、鎂合金的壓鑄模具和熱擠壓模具，鋼管穿孔頂頭與軋制用芯棒，各種壓力機鍛造模具，也被用作耐熱溫度低于400～500℃ 工作溫度的結(jié)構(gòu)零件 。然而，SKD6熱作模具鋼白點敏感性強，在鋼中氫含量較高的部位，在氫析壓力和鍛件內(nèi)應(yīng)力的聯(lián)合作用下，當(dāng)應(yīng)力總和超過金屬的斷裂抗力時就會使亞顯微裂口不斷擴大以致破裂，產(chǎn)生極細內(nèi)部裂紋，即白點缺陷。鍛件中的白點不但降低其力學(xué)性能，而且在淬火冷卻過程中組織應(yīng)力與溫度應(yīng)力的疊加作用下導(dǎo)致白點裂紋擴展，嚴(yán)重時導(dǎo)致鍛件整體開裂。白點裂紋缺陷已嚴(yán)重影響模具鋼產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量及效益，采取有效措施預(yù)防減少甚至徹底解決白點裂紋的產(chǎn)生對模具鋼行業(yè)向高端、質(zhì)量穩(wěn)定方向發(fā)展有著重要的意義。

 

本文研究的SKD6模具鋼鍛件在初檢過程中發(fā)現(xiàn)鍛件存在內(nèi)部缺陷，為了清楚缺陷屬性，對帶有缺陷的鍛件進行了檢驗和分析研究。主要采用宏觀、微觀檢測方法，結(jié)合生產(chǎn)實際與超聲檢測結(jié)果，明確白點分布位置，分析判斷白點缺陷產(chǎn)生的原因。同時對帶有白點缺陷的產(chǎn)品采取特殊的加熱、鍛造和熱處理工藝，以消除鍛件內(nèi)部的白點缺陷，得到合格的鍛件。這些工作為避免或減少白點缺陷的產(chǎn)生和挽救帶白點缺陷的產(chǎn)品有著十分重要的意義。

 

PART 1缺陷定位與取樣檢測

SKD6模具鋼化學(xué)成分見表1，其具體生產(chǎn)工藝為：電爐冶煉→精煉→真空脫氣→鑄錠→電渣重熔→高溫擴散→加熱→鍛造→常規(guī)球化退火（含去氫）→初檢→精加工→終檢→包裝入庫。

 

表 1 SKD6 模具鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）
Table 1 Chemical composition of SKD die steel (mass fraction, %)

 

C	Si	Mn	P	S	Cr	Mo	V
0.32~0.42	0.8~1.20	≤0.50	≤0.030	≤0.020	4.5~5.50	1~1.50	0.3~0.50

 

SKD6模具鋼鍛件采用原料為同一爐號的16ｔ電渣錠2支，鍛件成品1、鍛件成品2（簡稱鍛件1、鍛件2），規(guī)格均為540mm×940mm×3650mm，經(jīng)兩次鐓粗和常規(guī)平砧拔長，鍛造比為6.5。

鍛件經(jīng)過熱處理和精加工后進行超聲檢測，其反射波分布范圍較大，且高度隨著探頭的移動，回波此起彼伏，大部分集中在鍛件中間部位。缺陷位置分布示意圖如圖1所示，其中陰影部分代表缺陷群范圍，鍛件1缺陷范圍是從冒口端起，長度方向0～1930mm，沿寬度和厚度方向大約600mm ×230mm的矩形范圍內(nèi)；鍛件2缺陷范圍是從冒口端起，長度方向180～2360mm，沿寬度和厚度方向大約560mm×215mm的矩形范圍內(nèi)。

超聲檢測不合格波形如圖2所示。根據(jù)超聲檢測情況，選取鍛件1上具有代表性缺陷區(qū)域各取低倍、金相和沖擊試樣進行缺陷分析。

 

PART 2缺陷檢驗

2.1 低倍檢驗　

對鍛件1缺陷部位進行低倍試樣取試，并對其進行粗銑、精銑、研磨、酸浸、酸洗、清水清洗并吹干，所得缺陷處酸洗低倍宏觀形貌見圖3。在低倍宏觀形貌中，可明顯看出存在一條鋸齒形細長裂紋，長度約為1.5mm。經(jīng)驗證，其缺陷位置和長度與超聲檢測結(jié)果基本對應(yīng)。結(jié)合GB/T 1979-2001《結(jié)構(gòu)鋼低倍組織缺陷評級圖》規(guī)定和圖片顯示缺陷形態(tài)來看，可能是白點缺陷或其他類型裂紋。

2.2 高倍檢驗

取缺陷部分制備高倍試樣，經(jīng)高倍檢驗發(fā)現(xiàn)，裂紋長度分別約為1.5mm，裂紋穿過鐵素體＋球狀珠光體組織，呈鋸齒狀，裂紋邊緣沒有氧化脫碳現(xiàn)象，可以確定裂紋是在熱處理冷卻后組織轉(zhuǎn)變完成后產(chǎn)生，有氫致裂紋特征。

選取中心缺陷處制備沖擊試樣，試樣尺寸為200mm×200mm×45mm，沖擊斷面宏觀形貌見圖5。斷口試樣斷口發(fā)現(xiàn)存在橢圓形銀白色斑點，如圖5（ａ）（ｂ）所示，進一步放大觀察，橢圓形缺陷區(qū)位于沖擊試樣開槽口根部，斷裂擴展路徑逆指方向正好位于該區(qū)域，為斷口的起始斷裂源，最大直徑約1.9mm，區(qū)域內(nèi)具有放射狀特征，如圖5（ｃ）（ｄ）所示。起始源為圓形缺陷區(qū)的中心點，其上部因開槽加工已被破壞。

對缺陷及基體區(qū)域進行高倍數(shù)放大觀察，具體微觀形貌見圖6。缺陷中心區(qū)域高倍數(shù)放大觀察，表面呈“浮云狀”形貌，具有自由表面特征，原始棱角已圓滑化，相對平整區(qū)域具有呈平行線的沖刷或劃刻特征，如圖6（ａ）（ｂ）所示。擴展區(qū)存在明顯的放射狀形貌，具有“河流花樣”形態(tài)，但原始撕裂棱已發(fā)生圓滑化，如圖6（ｃ）所示?；w斷裂微觀形貌為準(zhǔn)解理＋ 解理，屬于脆性特征，如圖6（ｄ）所示。

根據(jù)分析結(jié)果可知，缺陷具有放射狀特征形貌，其缺陷區(qū)性質(zhì)為裂紋，在斷口開裂前已在材料內(nèi)部形成，結(jié)合其微觀形態(tài)呈“浮云狀” 特征分析，屬于氫致白點裂紋。當(dāng)工件內(nèi)部氫含量過高或熱處理擴氫不當(dāng)時，在微孔隙類缺陷區(qū)聚集形成氫分子，封閉區(qū)域內(nèi)氫氣會產(chǎn)生很高的壓力，微觀形貌棱角圓滑化以及劃刻特征即為氫壓力作用的結(jié)果，當(dāng)壓力超過材料的斷裂強度時，便以裂紋的形式釋放。

 

PART 3白點缺陷成因討論與預(yù)防措施

3.1 白點缺陷成因

白點缺陷在縱向端口所呈現(xiàn)的特征是近似圓形或橢圓形的銀白色斑點，實際上是存在于鋼中的片狀裂紋群。通常認為，白點缺陷的形成，明顯的組織應(yīng)力是必要條件，如果在白點裂紋處不易發(fā)現(xiàn)夾雜，則夾雜等對白點的形成沒有明顯貢獻。

有關(guān)白點的成因目前尚無一致的理論，存在著許多種假說。大多數(shù)觀點都認為鋼中白點產(chǎn)生主要是兩個方面的共同作用，即氫氣壓力和組織應(yīng)力。目前相對被廣泛認可的理論是氫-應(yīng)力理論，即在冶煉和澆鑄的過程中，由于冶煉原輔料與環(huán)境氣候的影響，導(dǎo)致氫氣進入熔融態(tài)的鋼水中。由于鑄造狀態(tài)下，鑄鋼或鋼錠內(nèi)部特別是心部存在相對嚴(yán)重的疏松、縮孔甚至裂紋等缺陷，這就使得有足夠的空間容納其中的氫氣，也很難產(chǎn)生較高的氫壓，這就是鑄鋼和鋼錠內(nèi)部很少出現(xiàn)白點缺陷的原因。但是，經(jīng)過鍛造、軋制或者擠壓等熱壓力加工后，金屬內(nèi)部的空隙等缺陷得到焊合從而變得致密，這就為形成局部的高氫壓提供了必要條件。在隨后的冷卻過程中，鋼的組織由面心立方結(jié)構(gòu)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方結(jié)構(gòu)鐵素體或珠光體等組織，可容納氫的能力也隨之減弱。當(dāng)局部氫壓超過材料的強度極限時，就會使基體形成微裂紋。

3.2 白點缺陷預(yù)防措施

根據(jù)白點的形成原因?qū)膬蓚€方面解決問題：一是對煉鋼、澆鑄生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)的原輔材料進行干燥，減少氫的帶入，對于雨季等潮濕天氣，更是要加強去除鋼水中過飽和的氫；二是在工藝允許條件下，盡可能地提高鍛造前高溫擴散退火溫度，延長高溫退火時間，盡可能地去除鋼中的部分氫；三是優(yōu)化球化退火溫度，增加去氫退火工藝，或者將球化退火溫度與去氫退火溫度相結(jié)合，以保證氫原子在合適的溫度區(qū)間有足夠的擴散時間，盡可能地去除鋼中的氫。

 

PART 4白點鍛件鍛造工藝改進 

綜合鍛件內(nèi)部白點缺陷情況以及上述白點成因和預(yù)防措施，結(jié)合生產(chǎn)現(xiàn)場實際情況，對鍛件2進行改鍛，工藝如下：加熱→第一次WHF法拔長→高溫擴散保溫加熱→第二次WHF法拔長→起伏等溫退火工藝（含去氫）。

4.1 改鍛工藝思路

由超聲檢測結(jié)果可知，鍛件2缺陷范圍是從冒口端起，長度方向180mm ～2360mm，沿寬度和厚度方向大約560mm×215mm的矩形范圍內(nèi)。

所以針對白點缺陷均集中在心部范圍內(nèi)的情況，采用寬砧高溫強壓法（WHF法）鍛造，此法鍛造時鍛件縱向心部受靜水壓力的作用，處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，在高溫條件下，特別有利于鍛合、壓實坯料心部的孔隙缺陷，也增大了鍛件均勻化程度，減輕了偏析，也降低了白點的敏感性。

鍛件經(jīng)第一次鍛造后，鍛件心部白點裂紋得到一定程度愈合，氫氣以過飽和狀態(tài)固溶在鍛件中，所以在兩次鍛造火次之間采取高溫長時間保溫的工藝，有利于氫氣的擴散逸出。因為氫在奧氏體中的溶解度遠大于在鐵素體中的溶解度，所以當(dāng)奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w、索氏體及貝氏體時，由于氫溶解度急劇減小，非常有利于氫向外擴散。

利用奧氏體在轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體時，氫的溶解度迅速下降的特點，將原來普通去氫退火工藝改為起伏等溫退火工藝，氫擴散保溫時間延長至原工藝的1.5倍，以便有充足時間保證氫的外逸。

4.2 改鍛變形過程

（1）第一次WHF法拔長

鍛件2投料規(guī)格為：525mm×930mm×2600mm（水口端起1050mm已切除），鍛造時將原寬度方向作為成品的厚度方向，在高溫狀態(tài)下進行快速拔扁方鍛造，鍛后規(guī)格為：650mm ×510mm×3650mm。第一次WHF法拔長具體鍛造工藝參數(shù)見表2。

 

表 2 第一次 WHF 法拔長鍛造工藝參數(shù)
Table 2 The first WHF drawing forging process parameters

 

 

采用WHF法順趟拔長，兩砧之間的搭接量約為料寬的10％。沿長度方向鍛打一道次后，翻轉(zhuǎn)90°再沿長度方向鍛打下一道次，每次翻轉(zhuǎn)后盡量保證鍛砧寬度中心線位置在上一道次兩砧搭接位置附近，以彌補上一道次搭接位置心部鍛造不實的不足。

(2)高溫擴散保溫加熱

將鍛件返回加熱爐進行保溫，保溫時間按照厚度尺寸6ｈ∕100mm執(zhí)行。

(3)第二次WHF法拔長

具體操作方法同第一次WHF法拔長，鍛后規(guī)格為720mm×220mm× 7100mm。第二次WHF法拔長鍛造工藝參數(shù)見表3。

 

表 3 第二次 WHF 法拔長鍛造工藝參數(shù)
Table 3 The second WHF drawing forging process parameters

 

 

(4)鍛后起伏等溫退火工藝（含去氫）

鍛后起伏等溫退火工藝如圖7所示。

4.3 結(jié)果驗證

采用上述改進工藝后，擴氫退火后粗加工表面，經(jīng)超聲檢測單個缺陷小于Φ2mm，內(nèi)部白點缺陷消失。

 

PART 5結(jié)論

（1）根據(jù)斷口缺陷區(qū)宏觀形貌及微觀形貌特征判斷，缺陷性質(zhì)為白點，為鋼中局部氫含量過高以及內(nèi)應(yīng)力過大形成的內(nèi)部裂紋。

（2）根據(jù)金相組織可以判斷，裂紋是在熱處理冷卻后組織轉(zhuǎn)變完成后產(chǎn)生。斷口試樣斷口區(qū)域的橢圓形銀白色斑點位于沖擊試樣開槽口根部，為斷口的起始斷裂源，區(qū)域內(nèi)具有放射狀特征。

（3）對有白點缺陷的產(chǎn)品進行改鍛，采用WHF法一次鍛造、鍛中高溫擴散加熱、WHF法二次鍛造以及改鍛后起伏擴氫退火的聯(lián)合工藝，可以消除內(nèi)部白點缺陷，得到合格產(chǎn)品。