CN110257704A

CN110257704A - 高寿命抗龟裂变形的管模及其制造方法

Info

Publication number: CN110257704A
Application number: CN201910577989.5A
Authority: CN
Inventors: 李智; 尚俊帅; 任卫忠; 程文领; 靳玉生; 孙丽丽; 王建五; 邓克敏; 王登科; 崔文艺
Original assignee: Henan Zhongyuan Special Steel Equipment Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Henan Zhongyuan Special Steel Equipment Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2019-09-20
Anticipated expiration: 2039-06-28
Also published as: CN110257704B

Abstract

本发明涉及一种通过优化管模材料成分、提高热处理性能、改进精加工工艺路线、优化加工参数等方法，达到提高模具使用寿命的高寿命抗龟裂变形的管模及其制造方法；具体生产流程为：电炉冶炼+真空精炼→加热→5000吨油压机镦粗、拔长、锻造成型→锻后正火+回火→校直→表面检验、下料、理化检测（低倍、非金属夹杂、超声波探伤）→粗加工→调质热处理→理化检测（晶粒度、金相检测、力学性能（两拉三两）、超声波探伤）、检验、下料→精加至成品尺寸→磁粉检测、尺寸检验→交货，通过改进管模材料的成分配比，提高管模的硬度和机械性能指标，通过改进锻造、热处理工艺，优化深孔精镗孔、精车管身的加工工艺和加工方法，以达到提高管模使用寿命的目的，最终达到延长管模使用寿命，提高管模性价比的目的。

Description

高寿命抗龟裂变形的管模及其制造方法

技术领域

本发明属于工业用模具材料制造及机械加工技术领域，具体涉及一种通过优化管模材料成分、提高热处理性能、改进精加工工艺路线、优化加工参数等方法，达到提高模具使用寿命的高寿命抗龟裂变形的管模及其制造方法；可以延缓模具热疲劳产生的热裂纹，提高模具的使用寿命。

背景技术

传统管模材质是21CrMo10，此种材质管模工作原理是内壁离心浇铸高温铁水后急剧水冷，此种材质管模受到冷热交变应力的作用，极易产生热裂纹，而管模抗热裂性能是决定管模使用寿命的重要因素，这要求管模材料具有高温强度，良好的抗热疲劳性和较高的韧性，而现有技术中常用的高寿命抗龟裂变形的管模及其制造方法很难满足这种要求，很容易产生热裂纹，从而降低管模使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种通过在21CrMo10材料成分中按照重量百分比加入如下成份的原料：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Al，同时控制五害元素，提高管模热处理硬度、抗拉强度、屈服强度等指标，优化工艺参数和切削参数，选择合适刀具，使加工变形量达到最小，从而最大限度降低加工应力，进而改善管模提前龟裂和变形问题的高寿命抗龟裂变形的管模及其制造方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种高寿命抗龟裂变形的管模，所述管模以21CrMo10材料为主要成份，其特征在于：在21CrMo10材料中按照重量百分比控制如下成份：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Al；

其中，提高C含量至0.23%-0.4%，用于增加管模的硬度，进而提高强度，减少管模使用变形及延长管模使用寿命；提高Cr含量至2.4%-2.9%，用于增加钢的热强性，同时提高钢的终极使用寿命；提高Mn含量至0.7%-1%，用于提高该材料的韧性、强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，其余成份控制在Si 0.20～0.30%，Mn 0.60～0.90%，Mo 0.3～0.4%,V≤0.25%,Al≤0.02%；

钢水镇静时间≥10分钟，开始浇铸，浇铸过程中注意做好铸流保护，钢锭需热送时，要空冷到钢锭中部温度450～500℃后再送走。

一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，其特征在于，是按照如下步骤实现的：

步骤1）、首先以21CrMo10材料为主要成份制作管模，在21CrMo10材料成份中按照重量百分比加入C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Al原料；其中提高C含量至0.23%-0.4%，能增加管模的硬度，进而提高强度，减少管模使用变形及延长管模使用寿命；提高Cr含量至2.4%-2.9%，能增加钢的热强性，同时提高钢的终极使用寿命；提高Mn含量至0.7%-1%，提高该材料的韧性，强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能；其余成分控制在Si0.20～0.30%，Mn0.60～0.90%，Mo0.3～0.4%,V≤0.25%,Al≤0.02%，钢水镇静时间≥10分钟，开始浇铸，浇铸过程中注意做好铸流保护，钢锭需热送时，要空冷到钢锭中部温度450～500℃后再送走，热送时关闭门窗，组织好钢坯热送，避免产生表面裂纹；

步骤2）、将步骤1）获得的管模坯料在5000吨油压机下进行镦粗、拔长、锻造成型，镦粗过程中计算合理的镦粗速度，防止由于镦粗速度过快导致钢锭心部温升，产生成分偏析，进而导致组织不均匀，所以将镦粗速度降为20-26mm/s，整个镦粗过程中间停顿1～2次，每次停顿时间为10～15秒，通过镦粗提高锻造比增加管模的变形量，改善原材料纵向与横向性能差异，提升终极性能；

步骤3）、对步骤2）获得的管模进行调质热处理，热处理工序为正火——淬火—— 一次回火——检测硬度——二次回火——力学性能检测、金相检测；

步骤4）、对深孔精镗孔、精车管模管身工序进行优化精加工工艺流程优化控制，具体如下：

a）深孔精镗内孔加工工艺：粗镗内孔--半精镗内孔--锁刀浮动修镗内孔--浮动镗至成品内孔；

b）精车管模管身加工工艺：选用合适刀具，减少切削应力，具体精车管模管身加工方案是第一步检测直线度及壁厚差，第二步采用锤击法粗校直线度，第三步粗车管身外圆留量6mm，第四步半精车管身外圆留量3mm，第五步锤击法精校直线度，第六步精车管身尺寸；

步骤5）、根据材料的硬度及强度情况，选用合适的卡盘转速和刀具进给，使切削均匀，铁屑折断宽度合理，便于排屑。

在步骤3）中，在该调质热处理工序中，为提高强度及硬度指标，同时延伸率控制在设计范围内，具体调质热处理技术指标要求为硬度HB≥300，Rm≥900MPa，Rp0.2≥750MPa；其中一次回火温度比正常管模回火温度降低30-50摄氏度，二次回火温度随一次回火温度相应降低，具体是调质处理一次回火温度降低为590°C-620°C，二次回火温度随降低为540°C-580°C。

在步骤4）中，深孔精镗内孔加工工艺具体采用如下步骤：采用YT5材质焊接刀片粗镗内孔，粗镗内孔的切削量为4mm，内孔余量由10mm镗至6m；半精镗内孔的切削量为3.5mm，内孔余量由6mm镗至2.5m，采用机加刀加工，刀片型号1704；采用浮动锁刀修镗内孔，锁刀浮动修镗内孔的吃刀量1.7mm，内孔余量由2.5mm镗至0.8mm，采用合金刀片YT15；浮动镗至成品内孔的吃刀量0.8-1mm，采用合金刀片YT15；内孔稍度0.5mm，采用分段镗孔，共分六段，每段1000mm。

在步骤4）中所述锤击法粗校直线度是这样实现的：标注出管模壁厚厚点和薄点位置，根据壁厚方向位置，锤击壁厚厚点方向；在体积不变的情况下，锤击点凹陷，导致此方向成跳动高点，达到校正直线度的目的，校正数值测量，通过在车床旋转，百分表指针变化检测校正数值。

在步骤5）中，此毛坯调质后硬度高，需要严格控制切削余量、机床转速和进给速度，以减少刀具磨损后，增大切削阻力，造成内孔直线度差的问题，具体参数是粗镗内孔转速45-60r/min，进给速度8-10mm/min，浮动内孔转速100-120r/min，进给速度16mm/min。

本发明具有如下有益效果：本发明通过改进管模材料的成分配比，提高管模的硬度和机械性能指标，通过改进锻造、热处理工艺，优化深孔精镗孔、精车管身的加工工艺和加工方法，以达到提高管模使用寿命的目的，最终达到延长管模使用寿命，提高管模性价比的目的。

附图说明

图1 本发明锻造示意图（2倍尺）。

图2 本发明的锤击校正示意图。

具体实施方式

实施例：一种高寿命抗龟裂变形的管模，所述管模以21CrMo10材料为主要成份，其特征在于：在21CrMo10材料中按照重量百分比控制如下成份：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Al；

一种高寿命抗龟裂变形的管模的具体生产流程为：电炉冶炼+真空精炼→加热→5000吨油压机镦粗、拔长、锻造成型→锻后正火+回火→校直→表面检验、下料、理化检测（低倍、非金属夹杂、超声波探伤）→粗加工→调质热处理→理化检测（晶粒度、金相检测、力学性能（两拉三两）、超声波探伤）、检验、下料→精加至成品尺寸→磁粉检测、尺寸检验→交货。通过改进管模材料的成分配比，提高管模的硬度和机械性能指标，以达到提高管模使用寿命的目的；在管模精加工中，通过改进深孔精镗孔、精车管身等工序的加工工艺和加工方法，克服了此种管模由于材料硬、耐磨性高等特性造成的加工困难，减少加工中的切削应力；通过以上措施，最终生产出满足高质量要求的管模产品。

本发明技术方案是改进管模材料的成分配比，提高管模的硬度和机械性能指标，通过改进锻造、热处理工艺，优化深孔精镗孔、精车管身的加工工艺和加工方法，以达到提高管模使用寿命的目的，最终达到延长管模使用寿命，提高管模性价比的目的。

一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，将上述获得的坯料在5000吨油压机下进行镦粗、拔长、锻造成型，镦粗过程中计算合理的镦粗速度，防止由于镦粗速度过快导致钢锭心部温升，产生成分偏析，进而导致组织不均匀，将镦粗速度降为20-26mm/s，整个镦粗过程中间停顿1～2次，每次停顿时间为10～15秒，通过镦粗提高锻造比增加管模的变形量，改善原材料纵向与横向性能差异，提升终极性能；锻造后进行正火和回火，并对管模进行校直、表面检验、下料、按照低倍、非金属夹杂、超声波探伤三种检测种类进行理化检测。

一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，具体步骤如下：

步骤1），管模以21CrMo10材料为主要成份，在21CrMo10材料成分中按照重量百分比还加入如下成份的原料：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Al；其中提高C含量至0.23%-0.4%，能增加管模的硬度，进而提高强度，减少管模使用变形及延长管模使用寿命；提高Cr含量至2.4%-2.9%，能增加钢的热强性，同时提高钢的终极使用寿命；提高Mn含量至0.7%-1%，提高该材料的韧性，强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，其余成分Si0.20～0.30%，Mn0.60～0.90%，Mo0.3～0.4%,V≤0.25%,Al≤0.02%。

钢水镇静时间≥10分钟，开始浇铸，浇铸过程中注意做好铸流保护。钢锭需热送时，要空冷到钢锭中部温度450～500℃后再送走。热送时关闭门窗，组织好钢坯热送，避免产生表面裂纹。

步骤2）、将步骤1）获得的坯料在5000吨油压机下进行镦粗、拔长、锻造成型，镦粗过程中计算合理的镦粗速度，防止由于镦粗速度过快导致钢锭心部温升，产生成分偏析，进而导致组织不均匀，将镦粗速度降为20-26mm/s，整个镦粗过程中间停顿1～2次，每次停顿时间为10～15秒，通过镦粗提高锻造比增加管模的变形量，改善原材料纵向与横向性能差异，提升终极性能；锻造后进行正火和回火，并对管模进行校直、表面检验、下料、按照低倍、非金属夹杂、超声波探伤三种检测种类进行理化检测。

步骤3）、对步骤2）获得的管模进行正火和回火的调质热处理，在该调质热处理工序中，改进热处理工艺参数，以达到提高硬度和强度，同时延伸率控制在设计范围内，热处理工序：正火——淬火—— 一次回火——检测硬度——二次回火——检测硬度——力学性能检测、金相检测。

具体调质技术指标要求为硬度HB≥300，Rm≥900MPa，Rp0.2≥750MPa；其中一次回火温度比正常管模回火温度降低30-50摄氏度，二次回火温度随一次回火温度相应降低，具体是：一次回火温度降低为590°C-620°C，二次回火温度随降低为540°C-580°C。

步骤4）、优化精加工工艺流程：重点对深孔精镗孔、精车管身工序进行优化控制，具体如下：

a）为避免刀杆刚性差对加工造成的不利影响，精镗内孔采用如下工步：粗镗内孔--半精镗内孔--锁刀浮动修镗内孔--浮动镗至成品；

其中，粗镗内孔切削量4mm（内孔余量由10mm镗至6m），采用机加刀加工，刀片型号1704；半精镗内孔切削量3.5mm（内孔余量由6mm镗至2.5m），采用机加刀加工，刀片型号1704；锁刀浮动修镗内孔吃刀量1.7mm（内孔余量由2.5mm镗至0.8mm），采用合金刀片YT15；浮动镗至成品吃刀量0.8-1mm，采用合金刀片YT15；内孔稍度0.5mm，采用分段镗孔，共分六段，每段1000mm；通过严格控制切削余量、机床转速和进给速度，以减少刀具磨损后，增大切削阻力，造成内孔直线度差的问题。

b）优化精车管模管身加工工艺，选用合适刀具，减少切削应力；具体精车管模管身加工方案是第一步检测直线度及壁厚差，第二步采用锤击法粗校直线度，第三步粗车管身外圆留量6mm，第四步半精车管身外圆留量3mm，第五步锤击法精校直线度，第六步精车管身尺寸成。

传统管模直线度校正多采用火焰校正，此校正方法采用锤击校正直线度，主要目的是避免热校后，烤校点硬度增大，影响加工进度和管模质量；

锤击校正：锤击校正是这样实现的，标注出管模壁厚厚点和薄点位置，根据壁厚方向位置，锤击壁厚厚点方向；原理是：在体积不变的情况下，锤击点凹陷，导致敲击方向为跳动高点，达到校正直线度的目的。校正变化数值，通过车床旋转，百分表指针变化检测。

步骤5）根据材料的硬度及强度情况，选用合适的合理配比卡盘转速和刀具进给，通过科学配比，使切削均匀，铁屑折断宽度合理，便于排屑。具体参数：粗镗内孔转速45-60r/min，进给速度8-10mm/min；浮动内孔转速100-120r/min，进给速度16mm/min，通过科学配比，使切削均匀，铁屑折断宽度合理，便于排屑。

在步骤1）中，提高C含量至0.23%-0.4%，能增加管模的硬度，进而提高强度，减少管模使用变形及延长管模使用寿命；提高Cr含量至2.4%-2.9%，能增加钢的热强性，同时提高钢的终极使用寿命；提高Mn含量至0.7%-1%，提高该材料的韧性，强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。

在步骤2）的镦粗过程中需要合理计算镦粗速度，镦粗速度不宜过快，防止由于过快镦粗发生表面折叠，进而在后续拔长时产生表面质量问题；将镦粗速度降为20-26mm/s，同时整个镦粗过程中间停顿1～2次，每次停顿时间为8～15秒实现的，通过墩粗提高锻造比，以提高管模的锻造均匀性，改善终极性能。

在步骤3）、热处理工序：正火——淬火—— 一次回火——检测硬度——二次回火——力学性能检测、金相检测。

调质主要技术指标要求：硬度HB≥300，Rm≥900MPa，Rp0.2≥750MPa；为提高强度及硬度指标，同时延伸率控制在设计范围内，调质处理一次回火温度降低为590°C-620°C，二次回火温度随降低为540°C-580°C。

在步骤4）、中所述的锤击法粗校直线度是这样实现的，标注出管模壁厚厚点和薄点位置，根据壁厚方向位置，锤击壁厚厚点方向；原理是：在体积不变的情况下，锤击点凹陷，导致此方向成跳动高点，达到校正直线度的目的。校正数值测量，通过在车床旋转，百分表指针变化检测校正数值。锤击校正比传统的火焰校正，可以有效避免热校后，烤校点硬度增大，影响加工进度和管模质量。

在步骤5）中，此毛坯调质后硬度高，需要严格控制切削余量、机床转速和进给速度，以减少刀具磨损后，增大切削阻力，造成内孔直线度差的问题。具体参数：粗镗内孔转速45-60r/min，进给速度8-10mm/min；浮动内孔转速100-120r/min，进给速度16mm/min，通过科学配比，使切削均匀，铁屑折断宽度合理，便于排屑。

Claims

1.一种高寿命抗龟裂变形的管模，所述管模以21CrMo10材料为主要成份，其特征在于：在21CrMo10材料中按照重量百分比控制如下成份：C、Si、Mn、Cr、Mo、V、Al；

2.一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，其特征在于，是按照如下步骤实现的：

3.根据权利要求2所述的一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，其特征在于，在步骤3）中，在该调质热处理工序中，为提高强度及硬度指标，同时延伸率控制在设计范围内，具体调质热处理技术指标要求为硬度HB≥300，Rm≥900MPa，Rp0.2≥750MPa；其中一次回火温度比正常管模回火温度降低30-50摄氏度，二次回火温度随一次回火温度相应降低，具体是调质处理一次回火温度降低为590°C-620°C，二次回火温度随降低为540°C-580°C。

4.根据权利要求2所述的一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，其特征在于，在步骤4）中，深孔精镗内孔加工工艺具体采用如下步骤：采用YT5材质焊接刀片粗镗内孔，粗镗内孔的切削量为4mm，内孔余量由10mm镗至6m；半精镗内孔的切削量为3.5mm，内孔余量由6mm镗至2.5m，采用机加刀加工，刀片型号1704；采用浮动锁刀修镗内孔，锁刀浮动修镗内孔的吃刀量1.7mm，内孔余量由2.5mm镗至0.8mm，采用合金刀片YT15；浮动镗至成品内孔的吃刀量0.8-1mm，采用合金刀片YT15；内孔稍度0.5mm，采用分段镗孔，共分六段，每段1000mm。

5.根据权利要求2所述的一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，其特征在于，在步骤4）中所述锤击法粗校直线度是这样实现的：标注出管模壁厚厚点和薄点位置，根据壁厚方向位置，锤击壁厚厚点方向；在体积不变的情况下，锤击点凹陷，导致此方向成跳动高点，达到校正直线度的目的，校正数值测量，通过在车床旋转，百分表指针变化检测校正数值。

6.根据权利要求2所述的一种高寿命抗龟裂变形的管模的制造方法，其特征在于，在步骤5）中，此毛坯调质后硬度高，需要严格控制切削余量、机床转速和进给速度，以减少刀具磨损后，增大切削阻力，造成内孔直线度差的问题，具体参数是粗镗内孔转速45-60r/min，进给速度8-10mm/min，浮动内孔转速100-120r/min，进给速度16mm/min。