CN105506249A - 一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法 - Google Patents

一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明的示例性实施例提供了一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，所述方法包括以下步骤：高温扩散退火消除碳化物及带状偏析；然后，于1130℃～1150℃保温2h～5h后锻造；锻造后依次进行球化退火、淬火及回火。本发明通过选择合理的热处理工艺及相关参数，有效解决高氮耐蚀塑料模具钢中碳化物分布不均匀，带状偏析严重等问题；制备出硬度高、韧性好且耐蚀性强的高氮耐蚀塑料模具钢产品。

Description

一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法
技术领域
本发明涉及模具钢热处理领域，具体涉及一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法。
背景技术
模具作为一种高附加值的技术密集型产品，其技术水平已经成为衡量一个国家制造业水平的重要评价指标。模具钢是模具行业最重要的技术和物质基础。我国汽车、化工、电子等装备制造工业的快速发展，极大地推动了模具工业的繁荣，促进了模具钢产业的飞速发展。同时，对模具钢的高纯净度、高抛光性能、超细晶组织、高均质化、高耐蚀性等也提出了更高的要求。目前国外通过加压电渣重熔工艺生产的高氮耐蚀镜面塑料模具钢具有更高的纯净度，组织更均匀、更细小，同时具有最佳的抛光性能，极佳的耐腐蚀性能，良好的韧性、加工性能和尺寸稳定性，主要满足高端耐蚀镜面塑料模具市场需求。
塑料模具钢为马氏体不锈钢，可以通过热处理工艺(淬火、回火)对其性能进行调整。马氏体不锈钢有明显的相变点，可以通过淬火强化，而且高氮耐蚀塑料模具钢中铬含量较高，淬透性较好。回火过程中可以在较大的范围内调整其硬度、强度和耐蚀性。此类钢中氮的加入扩大了奥氏体相区的温度范围，有效地抑制了δ-铁素体的形成；在保证间隙固溶强化的同时，可使碳化物细化，并伴有氮化物等的弥散析出，不仅显著提高了马氏体不锈钢的强度、硬度，而且不降低韧性。然而目前国内对于高氮耐蚀塑料模具钢品种的热处理研究较少。该类钢中碳、铬含量较高，常存在共晶碳化物，并存在碳化物分布不均匀、偏析严重等问题。此外，若耐蚀塑料模具钢的淬火温度过低，碳化物不能充分溶解，不仅使基体中的铬含量下降，影响耐腐蚀性能，并使钢的硬度降低。而若淬火温度过高，除了致使晶粒粗化外，还会产生大量的铁素体而使其韧性降低。因此，探索出一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理工艺，使其晶粒细小、组织均匀、硬度和耐磨性高、韧性好耐蚀性强，显得尤为重要。
发明内容
本发明针对现有技术的高氮耐蚀塑料模具钢中碳、铬含量较高，常存在共晶碳化物，并存在碳化物分布不均匀、带状偏析严重且无法获得优异的综合力学性能与耐蚀性等技术问题，提供了一种有效提升高氮耐蚀塑料模具钢各项性能的热处理方法。通过所述热处理方法能够获得极优的淬火与回火组织，其硬度和耐磨性高、韧性好且耐蚀性强，为我国高端镜面耐蚀塑料模具钢的开发提供技术指导，提高该类产品的市场竞争力，缩小我国此类钢种与国际先进水平的差距。
根据本发明的示例性实施例，提供了一种高氮耐蚀塑料模具钢，其中，所述高氮耐蚀塑料模具钢的化学元素成分按重量百分比计包括：0.50％～0.55％的C，0.30％～0.50％的Si，0.40％～0.50％的Mn，16.50％～17.50％的Cr，0.90％～1.10％的Mo，0.08％～0.12％的V，0.20％～0.25％的N，余量为Fe和不可避免的杂质。
根据本发明的示例性实施例，所述高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法具体包括如下步骤：
(1)高温扩散退火
将高氮耐蚀塑料模具钢钢锭表面喷涂不锈钢防氧化涂料并自然干燥后，于350℃以下装炉，以60℃/h～80℃/h的速度升温至900℃～950℃并保温3～5h，以均匀钢锭内外温差，减少热应力，从而形成奥氏体+碳化物的组织；随后以100℃/h～120℃/h的速度加热到1240℃～1280℃并保温5h～10h，以使共晶碳化物及带状组织消失。
这里所述的高氮耐蚀塑料模具钢钢锭表面喷涂的不锈钢防氧化涂料，其成分按重量百分比计包括：65％～70％的SiO2，3％～5％的ZrO2，1％～5％的B2O3，2％～7％的MgO，2％～4％的CaO，4％～9％的Na2O，10％～20％的Al2O3。
(2)锻造
将通过步骤(1)得到的钢锭在炉中以40℃/h～60℃/h的冷却速度冷却至1130℃～1150℃，然后保温2～5小时；然后，采用“两墩两拔”方式进行锻造，锻造比控制在3～5，即，第一次沿钢锭纵向下压，使截面积变为原截面积的3～5倍，之后沿钢锭横向下压，使截面积变为原来的1/5～1/3，接着再沿纵向下压，使截面积变为原截面积的3～5倍，最后再沿钢锭横向下压，使其截面积变为原截面积的1/5～1/3，终锻温度控制在950℃～980℃；由于此温度范围为奥氏体区域，该钢种具有良好的高温延展性和变形性，从而可以避免在变形过程中发生变形开裂。锻造完成后先进行喷水冷却，冷却速度为200℃/s～300℃/s，冷却至400℃～500℃，之后空冷，得到锻件。
(3)球化退火
将通过步骤(2)得到的锻件于300℃以下装炉，以60℃/h～80℃/h的速度升温至880℃～900℃，保温4h～6h，之后以20℃/h～40℃/h的速度降温到710℃～730℃，保温2h～6h；最后，以20℃/h～40℃/h的速度降温至550℃～600℃，然后出炉空冷至室温，获得钢样。
依据上述球化退火工艺方法，形成了如图1所示的高氮耐蚀塑料模具钢球化退火控制图。
(4)淬火
将通过步骤(3)球化退火的钢样于室温移至淬火炉内并以60℃/h～80℃/h的速度升温至850℃～900℃，保温3h～5h以完成奥氏体化；随后，继续以60℃/h～80℃/h的速度升温至1030℃～1050℃，保温30min～40min后，在淬火油中冷到室温。
(5)回火
将通过步骤(4)得到的淬火钢样经清洗后立即装入回火炉中，将温度升高到400℃～450℃进行两次回火，每次回火保温T时间，之后空冷，每次保温时间至少为2h；第一次回火后，立即将回火钢样重新放入回火炉中，温度与时间与第一次回火相同，第二次回火后得到产品，其组织为隐针马氏体+粒状碳化物硬度为55HRC～60HRC；
其中，保温时间按照下述公式进行计算：
T＝L/20，
其中，T为保温时间，单位为h；L为试样厚度，单位为mm。
根据以上本发明的详细描述，根据本发明的高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，具有以下有益效果：
(1)根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，可消除由高的碳、铬含量引起的带状偏析以及共晶碳化物，且球化退火后的硬度值为240HB～260HB；
(2)根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，可获得极优的淬火及回火组织，大大提高该类钢种的综合性能，将硬度值控制在55HRC～60HRC，冲击功范围为40J～45J，在25℃下3.5wt％NaCl水溶液中点蚀电位为280mV～310mVSCE；
(3)根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，对设备要求较低、操作性强、成本低、合格率高，可满足高端耐蚀镜面塑料模具市场的需求。
附图说明
图1为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的球化退火控制图；
图2为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1030℃淬火组织图；
图3为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1030℃淬火400℃回火组织图；
图4为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1050℃淬火组织图；
图5为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1050℃淬火450℃回火组织图。
具体实施方式
本发明的示例性实施例提供了一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，在所述方法中首先进行高温扩散退火，以消除显微偏析及共晶碳化物；随后重新加热锻造得到极小的晶粒；经过淬火，可使高氮耐蚀镜面塑料模具钢获得晶粒细小的马氏体组织，残余奥氏体含量较低，且碳化物均匀的弥散分布在马氏体基体上；再经过回火，钢中的残余奥氏体发生转变，析出特殊的碳氮化物导致晶格畸变，产生二次硬化。经过所述热处理方法得到的钢种的硬度和耐磨性高、韧性好、耐蚀性强，能够提高高氮耐蚀塑料模具钢的产品质量，并且能够延长模具的使用寿命，从而可以基本满足市场对高端耐蚀镜面塑料模具的需求。
以下将参照附图并结合具体示例来描述根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，其中，图2为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1030℃淬火组织图，图3为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1030℃淬火400℃回火组织图，图4为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1050℃淬火组织图，图5为根据本发明的示例性实施例的高氮耐蚀塑料模具钢的1050℃淬火450℃回火组织图。然而，本发明的精神和范围不受以下具体示例的限制。
实施例1
选取100mm×100mm×500mm的钢锭，其中，钢锭的化学元素成分按重量百分比计包括：0.54％的C，0.42％的Si，0.46％的Mn，16.91％的Cr，1.02％的Mo，0.10％的V，0.24％的N，余量为Fe和不可避免的杂质。
采用以下步骤进行热处理：
(1)高温扩散退火。将表面喷涂防氧化涂料自然干燥后，于300℃装炉，以60℃/h的速度升温至900℃保温3h，随后以100℃/h的速度加热到1240℃并保温6小时；
(2)锻造。将经过步骤(1)得到的钢锭在炉中以40℃/h冷却到1130℃后开始锻造，锻造采用两墩两拔的方式，锻造比为4；终锻温度为950℃；锻造完成后先进行喷水冷却到450℃，之后空冷，得到锻件；
(3)球化退火。将步骤(2)中得到的锻件于230℃装炉，以60℃/h升温至880℃，保温5h，之后以30℃/h的速度降温到710℃保温3h，最后继续以30℃/h的速度降温至550℃出炉，空冷到室温，获得钢样，测其硬度为245HB；
(4)淬火。将经过步骤(3)球化退火的钢样于室温装入淬火炉以60℃/h的速度升温到850℃保温3h，随后以60℃/h的速度升温至1030℃保温，保温30min，在U-8120淬火油中冷到室温；
(5)回火。将由步骤(4)得到的淬火钢样清洗后立即装入回火炉中，温度升高至400℃，保温5h，空冷，得到一次回火钢样，之后再重新装入回火炉中，同样升高温度至400℃，保温5h，空冷到室温，得到最终产品。
依上述处理方法得到产品的淬火及回火组织如图2和图3所示；通过洛氏硬度计HRS-150D测得产品的硬度为55HRC；利用冲击试验机测得产品的冲击功为45J；采用GamryReference600电化学工作站极化曲线测得回火后的产品在25℃的3.5wt％NaCl水溶液中点蚀电位为308mVSCE。
实施例2
选取200mm×200mm×400mm的钢锭，其化学元素成分和实施例1相同，采取如下工艺进行热处理。
(1)将表面喷涂防氧化涂料自然干燥后，于350℃装炉，以80℃/h的速度升温至950℃保温5h随后以120℃/h的速度加热到1280℃保温8小时；
(2)以60℃/h冷却到1150℃开始锻造，锻造采用两墩两拔的方式，锻造比为4；终锻温度为970℃，锻造完成后先进行喷水冷却到500℃，之后空冷，得到锻件；
(3)将锻件于280℃装炉，以70℃/h升温至900℃，保温5h，之后以35℃/h的速度降温到730℃保温5h，最后继续以40℃/h的速度降温至600℃出炉，空冷到室温，获得钢样的硬度为255HB；
(4)钢样经过球化退火后于室温装入淬火炉以80℃/h的速度升温到900℃保温5h，随后以80℃/h的速度升温至1050℃保温，保温30min，在U-8120淬火油中冷到室温；
(5)得到淬火钢样清洗后立即装入室温下的回火炉中，温度升高至450℃，保温10h，空冷，得到一次回火钢样，之后再重新装入回火炉中，同样升高温度至450℃，保温10h，空冷到室温，得到最终产品。其淬火及回火组织如图4和5所示；通过洛氏硬度计HRS-150D测得产品的硬度为58HRC；利用冲击试验机测得产品的冲击功为41J；采用GamryReference600电化学工作站极化曲线测得回火后的产品在25℃的3.5wt％NaCl水溶液中点蚀电位为280mVSCE。
本说明是根据具体的优选实施方案进行书写，不能将本发明的具体实施方案认定只局限于本说明，对本发明所属技术领域的技术人员来讲，在不脱离本发明总体构思的前提下，可以派生出一系列产品，只做出若干简单的推演和替换，都应当视为属于本发明所交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (3)

1.一种高氮耐蚀塑料模具钢的热处理方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
(1)将高氮耐蚀塑料模具钢的钢锭表面喷涂不锈钢防氧化涂料并自然干燥，然后于350℃以下装炉，以60℃/h～80℃/h的速度升温至900℃～950℃并保温3h～5h，以均匀钢锭内外温差并减少热应力，从而形成奥氏体+碳化物的组织；随后以100℃/h～120℃/h的速度加热到1240℃～1280℃并保温5h～10h，以使共晶碳化物及带状组织消失；
(2)将经过步骤(1)得到的钢锭在炉中以40℃/h～60℃/h的冷却速度冷却至1130℃～1150℃，然后保温2h～5h；之后采用两墩两拔方式进行锻造，锻造比控制在3～5，终锻温度控制在950℃～980℃；锻造完成后先进行喷水冷却处理，冷却速度控制在200℃/s～300℃/s，冷却至400℃～500℃之后空冷，得到锻件；
(3)将经过步骤(2)得到的锻件于300℃以下装炉，以60℃/h～80℃/h的速度升温至880℃～900℃，保温4h～6h，之后以20℃/h～40℃/h的速度降温到710℃～730℃，保温2h～6h，最后以20℃/h～40℃/h的速度降温至550℃～600℃后出炉空冷至室温，得到钢样；
(4)将经过步骤(3)得到的钢样移至淬火炉内以60℃/h～80℃/h的速度升温至850℃～900℃，保温3h～5h完成奥氏体化，随后继续以60℃/h～80℃/h的速度升温至1030℃～1050℃，保温30min～40min后，在淬火油中冷到室温，得到淬火钢样；
(5)将经过步骤(4)得到的淬火钢样经清洗后立即装入回火炉中，温度升高到400℃～450℃以进行两次回火，每次回火保温T时间，之后空冷，其中，T＝L/20，T为保温时间，单位为h，L为试样厚度，单位为毫米；每次保温时间至少为2h；第一次回火后，立即将回火钢样重新放入回火炉中，温度与时间与第一次回火相同，第二次回火后得到产品。
2.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于所述高氮耐蚀模具钢的化学元素成分按重量百分比计算包括：0.50％～0.55％的C，0.3％～0.5％的Si，0.4％～0.5％的Mn，16.5％～17.50％的Cr，0.90％～1.10％的Mo，0.08％～0.12％的V，0.2％～0.25％的N，余量为Fe和不可避免的杂质。
3.根据权利要求1所述的热处理方法，其特征在于步骤(1)中的所述不锈钢防氧化涂料的成分按重量百分比计包括：65％～70％的SiO2，3％～5％的ZrO2，1％～5％的B2O3，2％～7％的MgO，2％～4％的CaO，4％～9％的Na2O，10％～20％的Al2O3。
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