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。

对这种压塌和磨损的模具进行修复的工作量较大，因此关键是不让模具的温度积累达到许用温度以上。在这种情况下，对模具温度的持续监控和采用高效的模具冷却措施是有效的。

3．裂纹

温锻冲头和凹模不象冷锻那样容易产生早期开裂。温锻冲头的早期开裂一般都是采用了高合金含量的模具钢，并用了不恰当的冷却方法。凹模的早期开裂除与钢种和冷却有关外，凹模预应力外圈的设计和制作也是重要因素。

4．温锻冲头的弯曲变形

温锻生产一般都在较高温度下，这时候材料的变形抗力较小，很少会发生冲头弯曲变形的情况。但如果锻造温度选择不当，同时温锻工步较多时，终锻温度有时会低于设计温度。这时候，材料的变形抗力接近冷锻的水平，大幅度上升的锻造力致使冲头弯曲（见图5）。这种失效形式一般发生在低温温锻中，锻造设备为手动低速压机（如液压机），同时模具材料选用了如3Cr2W8、H13等硬度较低的钢种。改善的方法是提高锻造温度和改用硬度和强度更高的模具材料（如65Nb、08Al、YXR33、QHZ等）。

由上可见，温锻模具的的失效形式与模具的冷却和润滑条件直接有关。要使温锻生产能高效率持续进行下去，关键是在温锻生产过程中，保持温锻模具稳定工作在许用温度以下、控制温度的波动，并且保持毛坯与模具工作表面有可靠的润滑，避免毛坯和模具间出现原子接触现象，并减小摩擦力。

四．温锻冷却和润滑的实用方法

1．温锻早期的冷却与润滑

1）油剂的冷却与润滑

早期的碳素钢温锻为了避免毛坯表面氧化脱碳，加热温度一般选在

(650-700)℃范围内，锻造压力机为单工位机械压力机或液压机，操作方式为手动。模具的冷却和润滑介质采用炮油或油剂石墨，冷却剂用手工刷涂的方法涂敷在冲头和凹模的工作面上。

油剂刷涂的润滑效果较好，但冷却效果不佳。因为油的热容量小，油的挥发不能带走大量的热量。另外,油类挥发时产生大量的油烟，搞得生产现场乌烟瘴气，生产环境差、影响工人健康。当锻造温度提高，模具温度较高时，油剂的涂敷变得十分困难。因此，油剂冷却-润滑的方法只适用于低温温锻的工艺试验和小批量生产场合，特别适合于奥氏体不锈钢的低温挤压场合。

2）水冷却和水剂石墨的使用

随着温锻温度的提高，对模具快速降温成为温锻生产的关键，油剂冷却和润滑的方法已远不能满足温锻生产的需要。这时候出现了很多对温锻模具的冷却和润滑方法：

（1）冲头浸涂和凹模喷涂水剂石墨的方法

如图6所示,每次温锻循环中,操作工用雾化喷头对凹模进行喷涂冷却,同时,用盛满水剂石墨的容器对冲头实施浸没冷却,试图在较短时间将冲头冷却到合适的温度。

这种方法在早期的温锻生产中得到了广泛的应用。

技术关键：

温锻凹模的表面温度要控制在（150-200）℃范围内。在这个温度范围，水剂石墨喷上去会吸附在模壁上，水份会迅速蒸发，在带走模具热量的同时留下一层石墨皮膜。这一层石墨膜对后续的温锻成形极其有利：石墨膜在温锻毛坯和模具间起到了绝热隔层和润滑介质的作用，减少了温锻毛坯向模具的热传导，阻止了毛坯与模具间的原子接触，并有效减少了毛坯与模具间的摩擦力。

控制水剂石墨的浓度，并调节喷涂的时间，可以达到最佳的冷却效果或是得到合适厚度的石墨涂层。

有时，人们担心水剂喷涂对庞大的凹模冷却效果不够，特意在凹模里设计了冷却水套，用通冷却水的方法对凹模进行冷却。实际上，这种方法对凹模手工刷涂油剂冷却-润滑剂的场合是有效的，在推广应用水剂石墨喷涂后，在高压喷涂的水雾气化时，凹模的热量被迅速带走，由于水的蒸发所吸收的热量20倍于水在保持液态时吸收的热量，因此，喷雾冷却的效果远远超过水套冷却。因此，当水剂石墨的喷涂技术被推广时，水套冷却的方法基本上被淘汰了。

但是图6所示的冲头浸涂不是一个好方法。人们的本意是想让冲头迅速得到冷却。但是，在连续的温锻生产中，冲头的温度往往在500℃以上。高温的冲头浸入水剂石墨中时，贴近冲头表面的水份迅速沸腾气化并包围在冲头表面，这时候冲头犹如穿上一层棉衣，大量的热量不能顺利传导到水中。

当容器快速离开冲头时，由于冲头还保持在较高温度，冲头表面的石墨水剂在蒸气作用下四处飞溅，不能很好形成石墨皮膜。

如果延长浸泡时间，使冲头冷却到200℃再离开容器，可以在冲头表面形成

较好的石墨皮膜。但这样生产效率就会大受影响。

（2）冲头和凹模的自动喷涂

冲头浸涂改善的方法是对冲头和凹模实施自动喷涂。由于人工喷涂的不确定性，导致模具温度和石墨皮墨的生成不稳定。采用自动化喷涂装置可较好解决这个问题（见图7）。

如图7所示，采用机械喷涂臂在温锻过程中伸进模具工作区，并通过喷头回转装置使上、下喷头绕模具（冲头）喷涂一圈或几圈的方法实施喷涂。调节模具喷涂的绕圈数和上、下喷头的压力能有效控制温锻模具的冷却温度和石墨涂层的厚度。

（3）环状喷涂装置

在高效率温锻生产场合，用喷头绕着模具转圈喷涂的方法占用的时间不容忽视，而喷涂机械臂的伸进和退出工作区要占用更多的时间。因此，进一步改进的措施是将多个喷头成环状布置在随冲头上下活动的装置上，在冲头回程离开锻件时即进行喷涂。对凹模的喷涂采用同一原理（图8）。

图8所示的模具冷却-润滑喷涂装置已接近当前自动化温锻生产线的水平，是一种很不错的自动或半自动喷涂方法。

要使上述装置发挥出最佳的冷却和润滑效果，有必要对喷涂的冷却-润滑介质的浓度进行合理调配，并对喷涂水剂的压力以及上、下模喷涂的时间和强度分别预以较大范围的调整。

调整的目标：

a.使冲头和凹模在每一次温锻循环后保持200℃左右的平衡温度，且温度

波动较小；

b.冲头和凹模在喷涂结束后能靠自身的热量将水分迅速烘干，并在模具形

成完整的石墨皮膜；

c.多余的冷却-润滑剂能迅速排空，不能残留在凹模模腔内。

做到或基本做到上述的管理目标，温锻生产就能达到高效率连续生产，锻件与模具间没有粘着-拉毛现象发生，锻件脱模顺利，质量稳定，满足大批量生产要求。

2．现代化温锻的冷却与润滑

80年代后，温锻生产技术进入成熟时期，专门设计的多工位自动化温锻压力机已得到广泛的使用，温锻生产节拍已达到（20-30）RPM。这时候，不管你如何调节冷却-润滑液的浓度，或是调节喷涂的强度和时间，都不能保证在模具表面形成有效的石墨涂层。缺少石墨皮膜保护的温锻很容易产生模具粘着-拉毛现

象，并使温锻模具迅速失效。因此，在自动化高效率温锻生产中，通过对模具外部和内部同时喷涂的方法，温锻模具的冷却问题比较容易得到了解决，模具与毛坯之间的润滑问题成为高效率自动化温锻生产的技术关键。

经过多年的工艺试验和技术创新，目前比较成熟的技术是温锻毛坯的石墨预喷涂技术。技术原理是：经过预喷涂的温锻毛坯表面已覆盖了一层特殊的石墨的皮膜，这层皮膜在温锻加热温度下不会被完全烧损。因此，从中频炉中出来的温锻毛坯表面仍然覆盖着石墨皮膜，当然这些皮膜可能已被烧去50%左右，但剩余的石墨涂层仍然能够完成毛坯与模具间的绝热隔离和润滑作用。

图9是带石墨预涂处理的中频感应加热炉结构原理图。

由图可见：温锻毛坯在通过预热炉体后，已被加热到（150-200）℃的温度范围。接着通过一个弯曲的轨道，毛坯在过弯时，2端面会张开比较宽的间隙。轨道是封闭的，在轨道四周分布着数个喷头，按照设定的程序向温锻毛坯喷涂特殊配方的水剂石墨。石墨在毛坯自身的温度下被基本烘干，接着被推入主加热炉体，并在几分钟内被加热到温锻温度，进入多工位自动温锻压力机，迅速完成锻造成形。

当然，毛坯的喷涂原理还有许多种方案。但都要达到外园和2端面均匀喷涂的效果。为了石墨涂层粘着牢固和减少烧损，推荐使用毛坯抛丸的预备处理。经切断的毛坯在进入喷涂前先用履带式抛丸机进行抛丸，丸砂粒度在(0.8-1.2)毫米间，抛丸20分种后，毛坯表面的氧化皮被彻底去除，表面形成粗糙密布的凹坑。粗糙的表面和凹坑有利与石墨的粘着和储存，并保护石墨不被烧损。

在毛坯完成石墨预喷涂的情况下，模具表面是否形成石墨皮膜已不太重要，这时候，模具喷涂的主要目的是为了降温，因此，喷涂的石墨水剂浓度可以适当稀一些。

图10是从日本引进的栗本2000吨5工位温锻自动线。

这样的自动线上，除了毛坯的石墨预喷涂外，还有一套完善的模具冷却-润滑喷涂系统。这个系统对压力机每个工位的上、下模分别布置了复杂的喷涂管系，并能按照设定程序对不同工位的模具分别按不同的强度和时间完成喷涂，从而得到最佳的模具冷却-润滑效果。

五．温锻的冷却-润滑剂

1．油性冷却-润滑剂

炮油是温锻常用的油性润滑剂。这是一种耐高温的液压油。效果更好的油性润滑剂是将石墨细粉调入炮油，成为油剂石墨。目前这一类润滑剂只是用在有色金属和奥氏体不锈钢的低温挤压场合。

2．水剂石墨

水剂石墨是一种良好的温锻润滑剂。目前国内市场上，国产锻造石墨乳剂和进口温锻石墨乳剂都可以买到。用户买回后只要根据说明书加水稀释即可。一般的配比是石墨乳与水为1比（5-10）。具体配比供方会有服务人员现场指导。但是，不同厂家生产的石墨乳剂使用效果相差悬殊。

国外进口的典型石墨乳剂有日本爱奇森（Acheson）公司的F31、德国福斯(Fuchs)公司的F 645 AFA石墨润滑剂等。为与温锻毛坯的预涂层石墨乳相区别，我们把用于模具冷却-润滑的石墨乳称为脱模剂。

进口脱模剂的主体部分的石墨，都是用沥青在高温下煅烧而成的人造石墨，经研细到胶体状态，再加入一些添加剂如润湿剂、防凝聚剂和生物杀菌剂等加水调配而成。由于人造石墨纯度高，粒度细，温锻使用中石墨最终能全部氧化分解，很少有结渣现象。另外，极细的石墨颗粒悬浮性好，配好的悬浮液能长时间不发生沉淀，生产中不易堵塞喷涂管道和喷嘴。但进口石墨脱模剂价格昂贵，使用成本很高。

相比之下，国产的石墨脱模剂价格低廉，供应来源广。但国产脱模剂大多用矿物原料制成。一般来讲，最好最纯的石墨矿物将用于电子行业和电气行业。用于锻造润滑剂的原料已是几经筛选后的产物。这样的石墨原料难免有较多的杂质存在。因此，国产石墨脱模剂往往有容易结渣和沉淀的缺点，而且润滑效果比不上进口产品。另外，国内石墨脱模剂主要是针对热锻生产，少有专门为温锻开发的产品。

采取一些措施后，国产脱模剂还是能用在温锻生产上，特别是一些单工位手

动操作的温锻生产场合，国产脱模剂显得经济实惠。但对于温锻毛坯的预涂层石墨乳剂，目前国内还没有合适的产品可用。目前温锻行业普遍采用进口的石墨涂层乳剂。

石墨预涂层剂的关键技术是在高温下使石墨皮膜保持足够长的时间而不被烧光。通常的指标是：涂有石墨涂层的毛坯在空气中加热到900℃并保持10分钟后，尚有40%左右的石墨残留下来。为达到这个目标，除了原料采用人造石墨以外，各个公司都有自己独特的防烧损添加配方。

由于国内温锻生产刚刚起步，对温锻涂层润滑剂的需求有限，国内锻造润滑剂行业在这一方面缺少开发的推动力。因此，温锻涂层润滑剂的产品主要来自国外。这方面主要有爱奇森公司的Δ-144和福斯公司的FC331涂层润滑剂等。近年来，日本和韩国一些企业也相继研发出类似的产品，并在国内有推销活动。3．百色脱模剂

石墨脱模剂使用效果较好，但对现象环境的保护不利。温锻生产线上的工人一天下来往往浑身都是黑墨。因此，找到一种比较环抱的脱模润滑剂迫在眉睫。

上世纪末，日本的几个锻造企业在热锻和温锻生产中率先使用一中白色润滑剂。经比较，虽然略差于石墨润滑剂，但仍然坚持使用，为环保温锻开创了先河。

白色润滑剂大致有矿物型和高分子型2类。矿物型大多是一些金属盐和硼化物等，由于担心对机床有腐蚀，及润滑效果不好，目前已很少应用。

现在常用的白色润滑剂是高分子润滑剂，大概是纤维素一类的物质，加入一些添加剂而成。虽然还不够成熟，但是温锻生产今后发展的方向。

总结：

1．温锻的冷却与润滑是钢铁温锻生产关键技术；

2．水剂石墨喷涂是当今最有效的温锻模具冷却-润滑方法；

3．雾化的石墨水剂比液态的石墨水剂冷却效果更好；

4．在高效率自动化温锻生产条件下，温锻毛坯的石墨预涂层处理是必需的；

5．温锻生产中，白色润滑剂最终将取代石墨润滑剂。