温锻模具的冷却与润滑.

钢铁温锻的冷却与润滑

江苏森威精锻有限公司徐祥龙2010-11

温锻作为冷锻成形的延伸和发展，在当今钢铁精密成形生产中得到越来越广泛的应用。

上世纪60年代期间，国内外塑性加工领域，开始研究钢在热锻与冷锻温度之间进行锻造的可能性。经过20多年的基础研究与技术攻关，逐步解决了温锻成形过程中的关键技术，并使温锻技术进入产业化生产。

在60年代末，温锻作为冷锻生产工艺的补充，主要用于解决难成形的中碳合金钢的精密成形生产，以及大规格的低碳钢零件成形问题。在这个时期，温锻技术主要注重在成形温度和成形工艺的研究方面，对温锻模具冷却和润滑的重要性认识不够，采用的冷却与润滑方法相对简陋，对润滑的介质研究也在初创阶段。因此，这个时期温锻的模具寿命大致在数百次到数千次范围内，生产方式大多为手动操作，锻件质量也不够稳定。

经过20多年的温锻生产应用和技术进步，到上世纪90年代末，温锻生产从冷锻工艺的补充发展成一个专门的成形技术，在成形工艺、锻造设备、模具设计-制造和冷却-润滑等各方面取得了全面的发展，已形成一个温锻技术系统。人们在温锻实践中体会到：模具正确和充分的冷却和润滑，是钢铁温锻生产大批量持续进行的前提。在这一时期，温锻模具的润滑-冷却理论和技术应用都取得了很大的进步，成为温锻生产的关键技术。先进润滑和冷却技术的使用，使温锻模具的冷却-润滑处理实现了自动化，模具寿命达到了万次以上，温锻生产效率高、质量稳定，满足了当代汽车零件大批大量的生产要求，在塑性精密成形领域占有

越来越重要的地位。

下面具体介绍钢铁温锻生产中的冷却与润滑技术。

一.钢铁的温锻温度范围

图1：钢的温锻温度范围

图1所示，(200-280) ℃为钢的低温温锻区，由于普通碳素钢在

（250-350）℃温度区间会出现“兰脆”现象，所以，一般认为兰脆区是锻造的温度禁区。但奥氏体不锈钢没有兰脆现象，因此，奥氏体不锈钢的低温温锻区间可以向上延伸到400℃以上。

通常，奥氏体不锈钢多采用低温温锻成形，而碳素钢少有在低温区成形的案例。由图1可见,碳素钢的高温温锻范围是（400-850）℃。但在当前生产实践中，随着温锻工艺和模具冷却-润滑技术的进步，碳素钢温锻温度上限已提升到

（900-950）℃范围内。因此，钢铁温锻模具的冷却与润滑必须覆盖(200-950)℃这个温度区间。

在生产实践中,我们还没有找到一种冷却和润滑的介质和方法,能在

(200-950)℃的全部温锻范围内充分满足钢铁温锻成形的要求,因此,我们必需针对不同的温锻材料和温锻温度区间,选择不同的冷却和润滑介质,并采用不同的冷却和润滑的方法.

二．温锻模具的使用温度

为保证温锻模具在使用过程中性能不降低，我们在整个温锻成形过程中采用有效措施使温锻模具的工作面在任何时候都不超过该模具钢的回火温度。这个有效措施就是对温锻模具的冷却。

1．温锻模具的理论许用温度

表1.为常用的温锻模具钢种及其淬火-回火温度：

表1. 钢铁温锻常用模具材料

由表1可见,温锻模具的回火温度多在(550-700)℃范围内。在温锻生产中，如果模具的工作表面超过回火温度，模具钢的硬度和强度就会急剧下降，严重时会使模具迅速失效。因此。温锻模具理论上的许用温度就是该模具钢种的回火温度。

2．温锻模具的实际许用温度

1)在温锻成形过程中,模具的热量来自以下几个方面：

（1）温锻毛坯向成形模具的热传导；

（2）毛坯在成形过程中与模具表面摩擦产生的热量；

（3）毛坯变形产生的变形热，并传导给模具。

以上3个因素使模具的温度不断上升。

2)温锻生产中,模具在不断积累热量的同时,也存在不断发散热量的因素：（1）凹模工作面与凹模外园表面存在着温度梯度,使凹模内表面的热量不断传导到模具外表,并通过外表面向空气中不断散热；

（2）冲头和凹模工作面直接向空气散发热量；

（3）对冲头和凹模表面喷涂的冷却-润滑剂挥发时带走大量热量。

因此,温锻模具在使用过程中,模具温度的积累上升和散发将达到一个动态的平衡。为维持模具的温度不超过正常使用温度，首先就是考虑建立必要的散热措施,使模具的平衡温度低于许用温度。

温锻生产中，我们可以用红外线测温仪随时检测温锻模具工作表面的温度，来判断模具工作时是否超过回火温度。

我们必需注意到这样一个事实，红外线测温仪检测出的模具表面温度，是在温锻毛坯已被顶出后的模具温度，由于热传导的影响，这个温度比毛坯在模腔里挤压变形时对模具局部的摩擦加热要低一些。

实际上，在温锻大变形量挤压时，毛坯与模具工作带瞬间剧烈的摩擦，对模具表面形成绝热加热效果，有可能使模具工作带瞬间温度超过模具钢的回火温度。因此，温锻生产中的模具温度控制上限一定要比该模具钢的回火温度低一个量值，使模具工作带的瞬间积累的温度不超过模具钢的回火温度。

因此，温锻模具的许用温度应限制在比模具钢的回火温度更低的范围内，具体的许用温度往往要通过现场试验得到。经验表明，当锻造变形量大,或锻造变形速度大时,模具的变形摩擦加热现象显著,这时，温锻模具的许用温度比该模具钢的回火温度要低得多。

三.温锻模具的失效形式

1．粘连和拉毛

这一类实效形式多发生在温锻冲头和凹模的工作带上（见图2）。发生原因为锻造变形量较大，或变形速度较快的情况，而模具的冷却与润滑都不好的场合，多见于机械压力机温锻生产。原因为模具工作带与温锻毛坯金属在高压下形成原子接触，并在金属流动摩擦发热后形成焊合点，当毛坯与模具强制脱开时，焊合点拉断，将模具表面粘掉一小块金属而形成凹坑。多次循环后，凹坑很快联成拉痕（拉毛），同时，模具工作带表面因温度异常上升而退火，使硬度下降。硬度

下降和表面拉毛的模具与毛坯间的摩擦系数急剧增加，使温锻过程中毛坯与模具间的焊合现象更加严重。因此，当温锻模具刚发生时，必需立刻对模具表面进行修磨处理，及时去除模具表面的退火组织，并加以抛光。对发生拉毛的温锻模具继续使用将使模具迅速失效。

选用回火温度较高的模具材料（如高速钢）能改善模具的粘连和拉毛现象。但这一类模具钢合金含量高，在水冷条件下容易产生开裂，一般不用在高温温锻场合。对模具表面进行氮化处理是一个不错的选择。但目前局限于园孔挤压等形状简单的锻件。经氮化的异形冲头极易在拐角处发生开裂。

2．压塌和磨损

这一类实效形式也发生在温锻模具的工作带（见图3、图4），多见于液压机温锻场合。一般发生在锻件变形速度不快、模具与毛坯间润滑良好、但模具冷却不够的场合。在这种工况下，模具与毛坯间不易产生粘合，但由于温锻毛坯与模具接触时间长，模具工作带热量积累很快。当模具局部温度超过模具钢的回火温度后，模具局部硬度和强度下降，在强大的温锻挤压力作用下造成塌陷变形并迅速磨损。