CN107686878B - 一种热作模具钢锻件的制造工艺 - Google Patents

一种热作模具钢锻件的制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种热作模具钢锻件的制造工艺，其步骤包括锻造、高温正火、高温回火、超细化固溶处理、球化处理、取样检查。通过这些工序及相关的热处理，使得此种热作模具钢锻件内的化学成分趋于一致，并且对组织遗传进行了有效的切断，以达到细化晶粒并均匀化组织的目的。经球化处理后，获得了以细颗粒状碳化物均匀地分布在铁素体基体上的球状珠光体。为最终热处理提供了优良的组织结构。

Description

一种热作模具钢锻件的制造工艺
技术领域
本发明涉及钢材锻件的制造工艺，具体而言，涉及一种热作模具钢锻件的制造工艺。
背景技术
本发明所述的热作模具钢具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性、抗热疲劳性和抗热裂的能力，是一种强韧兼备的空冷硬化型热作模具钢。目前，该钢已成为国内乃至世界上应用非常广泛的一种热作模具钢。由于本发明所述的热作模具钢中合金元素含量达到8％左右，使共析点左移。又由于碳及合金元素的严重偏析，使得该钢在凝固过程中，出现了不平衡的亚稳定的块状共晶碳化物和沿晶界呈链状分布的二次碳化物。目前国内市场上提供的一些本发明所述的热作模具钢锻材，虽然经过预备热处理交货，但材料中存在较为严重的带状组织，甚至在材料的心部还存在粗大的共晶碳化物和沿晶界呈呈链状分布的二次碳化物(见图1)。带状组织的存在，使得材料具有明显的各向异性，即等向性差；块状的共晶碳化物和沿晶界呈链状分布的二次碳化物的存在，则严重影响模具的冲击韧性，降低疲劳性能，容易引发疲劳裂纹，也就严重影响模具的使用寿命，据报道，使用国内的本发明所述的热作模具钢制造的铝合金压铸模，使用寿命最高达到6万次，而用瑞典牌号为ASSAB8407的同类钢制造的同种模，其使用寿命可稳定达到20万次以上。
目前，国内外通行的制造本发明所述的热作模具钢锻件的主要工艺流程：电弧炉冶炼+钢包炉精炼+真空脱气—电渣重熔—钢锭退火—锻造—锻后退火—粗车后探伤—预备热处理—切片检验—交货—由锻件使用单位做最终热处理+精加工制成模具。采用上述生产过程，其目的是使锻材洁净、成分均匀、晶粒细小、结构致密。其中，为消除锻件先前加工过程所造成的某些缺陷，为冷加工和最终热处理做好组织结构上的准备而对锻件进行预备热处理。为达到此目的，正确设计和精心操作预备热处理工艺至关重要。
目前国内市场上提供的本发明所述的热作模具钢，虽然是经过预备热处理后交货，但组织中还存在一些严重损害模具寿命的缺陷。有的出现贫碳、贫合金元素的带和富碳、富合金元素的带交替分布而形成带状组织，使得锻材具有明显的各向异性，即等向性差；有的锻件的心部还存在粗大块状的共晶碳化物、二次碳化物聚集在晶界或成链状分布(见图1)。此两种形态碳化物的存在，严重影响模块的冲击韧性，降低疲劳性能，容易引发疲劳裂纹。另一方面，锻造工序的粗大过热组织被遗传到了经过预备热处理后的组织中，包括晶粒遗传和晶界遗传(见图2)。前者表现在，经过预备热处理后的球化组织中，虽然碳化物已基本被球化成细小颗粒状或小球状，但这些颗粒状的碳化物在一个较大区域内的分布呈现马氏体方位，而在这个较大区域的边界上，还局部分布着链状碳化物，这个链状碳化物就是原始粗晶粒界的局部被遗传下来的结果。这些组织遗传，还会在最终热处理的淬火加热奥氏体化过程中再次发生晶粒遗传，使得淬火马氏体粗大，严重影响模块的强韧性。
发明内容
为了解决上述问题，消除上述锻件中的缺陷组织，本发明从热加工和固体相变两个方面出发，提出全新的针对本发明所述的热作模具钢锻件的预备热处理工艺以及包含该预备热处理工艺的锻件制造工艺，有别于常规的锻后预备热处理工艺。其一，实现锻件内的化学成分趋于一致，以使得锻件内的组织达到均匀；其二，切断组织遗传，达到细化晶粒的目的，最终获得一种以细小颗粒的碳化物均匀分布在铁素体基体上的球状珠光体组织。
本发明所述的热作模具钢包括《北美压铸协会(NADCA)工具钢工艺规范》中的NADCA等级A和B以及中国GB/T1299-2000中的4Cr5MoSiV1钢。
NADCA等级A，为推荐的优质钢，其成分(wt％)为：C：0.37-0.42；Mn：0.2-0.5；Si：0.8-1.2；Cr：5.0-5.5；Mo：1.2-1.75；V：0.8-1.2；P≤0.025；S≤0.005。
NADCA等级B，为推荐的高级优质钢，其成分(wt％)为：C：0.37-0.42；Mn：0.2-0.5；Si：0.8-1.2；Cr：5.0-5.5；Mo：1.2-1.75；V：0.8-1.0；P≤0.015；S≤0.003。
GB/T1299-2000中的4Cr5MoSiV1，其成分(wt％)为：C：0.38-0.45；Mn：0.2-0.5；Si：0.8-1.2；Cr：4.75-5.5；Mo：1.1-1.75；V：0.8-1.2；P≤0.025；S≤0.0025。
本发明提供一种热作模具钢锻件的制造工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
B.锻造
将热作模具钢的钢锭(优选电渣重熔钢锭)用阶梯式加热方式加热，根据模具工作面的不同，分别选用反复镦粗拔长或多向锻造等锻造方法进行锻造；
在锻件终锻后，立即送冷却室进行喷雾并吹风，冷却至350±50℃。
C.高温正火
经上述步骤处理过的锻件，炉温350℃左右待料，装料完成后，用阶梯式加热方式升温，升温到1030-1050℃，保温一段时间，然后送入冷却室进行喷雾并吹风冷却。
D.高温回火
经上述步骤处理过的锻件，送入加热炉中，升温到650-680℃，保温一段时间。
E.超细化固溶处理
将经上述步骤保温后的锻件，升温到1000-1020℃，保温一段时间后油冷到150℃以下。
F.球化处理
将经上述步骤处理后的锻件，进行球化处理。
G.取样检查
依据锻件图纸或供需双方协议的技术要求，在锻件本体上或者随炉试棒上取样检查。检查球化组织，球化组织的级别评定，按NADCA#207-2003标准图谱进行。对于类似于NADCA等级B的高级优质钢锻件，还需按《北美压铸协会(NADCA)推荐H13工具钢工艺规范》进行等向性检测。
本发明的方法还可以包括在锻造之前进行步骤A.冶炼。
本发明所述的冶炼步骤包括用电炉冶炼获得电炉锭，更优选为经电渣重熔冶炼后得到的电渣重熔钢锭。本发明采用电炉冶炼+炉外精炼后的钢水浇注自耗电极，用此种自耗电极在电渣炉中进行电渣重熔冶炼得到电渣重熔钢锭。
本发明的电渣重熔钢锭与电炉锭相比，具有如下优势：(1)进一步减少了钢中的夹杂物和气体的含量，使钢质更加洁净；(2)由于电渣重熔钢锭是钢液在水冷结晶器内由下而上的顺序结晶而成，冷却速度快，枝晶偏析少，晶粒也得到细化，从而使钢质更加均匀和致密。
本发明所述步骤B中，用的阶梯式升温加热方法升温到1180－1220℃，优选1200－1220℃，保温10-15h进行高温扩散，目的是使那些大块状共晶碳化物溶解，使合金元素通过扩散达到均匀分布，即通常所说的高温均匀化；优选的，始锻温度1100℃，终锻温度900℃左右；优选的，根据工件工作面的不同，分别选用反复墩粗拔长、多向锻造等不同的锻造方法。比如，用于辊压的模具，其工作面为模具的外表层，这种模具的锻件在锻制时，就选用反复墩粗拔长的锻造方法。优选的，各工序镦粗比≥2，各向总锻比≥4-6，如此大的锻比和多向锻造，可以把大块状的共晶碳化物击碎，成为细小零星分散分布；优选的，锻件在终锻后立即送冷却室，进行喷雾+吹风，冷却至350±50℃。
所述阶梯式升温方法为：B1，升温到600-680℃进行第一次预热，优选的，升温到650-670℃保温，保温一段时间；B2，升温到800-820℃，优选到810-820℃，进行第二次预热，保温一段时间；B3，升温到1180-1220℃进行高温扩散，优选到1200-1220℃，保温一段时间。
进一步的，上述每个阶段的升温速度分别为：B1，以≤50℃/h的升温速度，保温1-2h，B2，以≤80℃/h的升温速度，保温1-2h，B3，以100-120℃/h的升温速度，保温10-15h，优选14-15h。
上述阶梯式升温，在工艺步骤B，从生产效率角度考虑，优选的方式为：B1，以不低于40℃/h，且不高于50℃/h的升温速度进行加热；B2，以不低于50℃/h，例如60℃/h、70℃/h，且不高于80℃/h的升温速度进行加热，B3，以不低于100℃/h，例如100℃/h或110℃/h，且不高于120℃/h进行加热。
上述阶梯式升温，在工艺步骤B，从最优生产效率角度考虑，方式为：B1，以50℃/h的升温速度进行加热；B2，以80℃/h的升温速度进行加热，B3，以110-120℃/h的升温速度进行加热。升温到1200－1220℃进行高温扩散，保温14-15h。
进一步的，所述步骤B中锻造工艺参数主要是：始锻温度1100℃左右；优选的终锻温度900℃左右，不低于850℃。优选的，根据工件工作面的不同选择不同的锻造方法，例如分别选用反复墩粗拔长、多向锻造等不同的锻造方法。优选的，对于那些工作部位在锻件毛坯圆周表面的，采用反复镦粗拔长；对于那些工作部位在锻件中心的，则采用多向锻造。优选的，各工序镦粗比≥2，各向总锻比≥4-6；优选的，锻件终锻后立即送冷却室进行喷雾+吹风冷却，冷至350±50℃。
进一步的，所述步骤C中，高温正火，以阶梯式的升温方式加热，其工艺流程为：炉温350℃左右待料，装料完成后，以≤80℃/h的升温速度升温到800-820℃，优选800-810℃，保温1-2h，最后以100-120℃/h的升温速度升温到1030-1050℃，优选1050℃，保温4-6h(优选5-6h)，优选的，在保温结束后，将锻件送入冷却室进行喷雾并吹风冷却，优选冷却至350±50℃后进入下一步工序。
上述步骤C中，从生产效率角度考虑，优选的升温方式为：以不低于50℃/h，例如60℃/h、70℃/h，且不高于80℃/h的速度升温；然后以不低于100℃/h，例如100℃/h或110℃/h，且不高于120℃/h的速度升温。
上述步骤C中，从最优生产效率角度考虑，升温方式为：以不低于80℃/h的速度升温，保温1-2h；然后以110-120℃/h的速度升温，保温5-6h。
进一步的，所述步骤D中，回火以≤80℃/h的速度升温至650-680℃，优选保温6-8h。
上述步骤D中，所述高温回火的升温速度，优选以不高于80℃/h，例如60℃/h、70℃/h，且不高于80℃/h的速度升温，优选以70－80℃/h，更优选以80℃/h的速度升温。
进一步的，所述步骤E中，将经高温回火温度保温后的锻件，以100-120℃/h的升温速度升温到1000-1020℃，优选的保温2-4h，而后冷到200℃(优选150℃)以下，优选以油冷的方式冷却。
进一步的，所述步骤F中，球化以阶梯式的加热方式加热，其工艺流程为：炉温200℃待料，装料完成后，优选的，先以≤50℃/h的升温速度升温到650-680℃，优选到660-670℃，优选保温6-8h，然后以≤80℃/h的升温速度升温到850-890℃，保温2-4h后，优选2－3h，以30-40℃/h的降温速度降温至740-780℃，保温8-15h，优选12-15h，随后，再以≤30℃/h的降温速度降到500℃出炉空冷。
上述阶梯式加热的工艺步骤，从生产效率角度考虑，优选的方式为：以不低于40℃/h，且不高于50℃/h的升温速度进行加热；以小于等于80℃/h，不低于50℃/h，例如60℃/h、70℃/h，且不高于80℃/h的升温速度进行加热，以40℃/h，或者35℃/h，还例如30℃/h的速度进行降温；再以≤25℃/h的降温速度降到500℃出炉空冷。
本发明中，上述各步骤所提到的阶梯式升温方式加热，其原因在于本发明所述的热作模具钢中合金元素含量高，其导热性差，所以在弹性阶段时，采用≤50℃/h，优选40－50℃/h这种较低的升温速度升到600-650℃，并保温一段时间，使锻件的内外温度达到一致，进行第一次预热。其后因材料塑性已得到改善，故以≤80℃/h，优选70－80℃/h的较高升温速度升到800-820℃，同样保温一段时间，使内外温度达到一致，进行第二次预热。此种预热目的是减少锻件中的内应力，防止因升温速度过快而产生裂纹。经预热后，再以110－120℃/h的速度快速升温，这是考虑到进入临界加热温度区后，一方面钢的塑性已很好，可不再担心因升温速度过快而产生裂纹；另一方面，用较大的升温速度，可获得较大过热度而得到较细的奥氏体晶粒。
本发明工艺的特点之一，采取如下措施使锻件中的化学成分均匀化。
(1)如上述步骤A中，使用电渣重熔钢锭。如步骤B中，经高温扩散处理，高温下加大了碳和合金元素的扩散速度，经扩散后，使锻件内的化学成分均匀化。因此，带状组织被改善或消除。锻造时用大锻比，多向锻造，把大块状的共晶碳化物击碎成细小零星分散分布，使得成分均匀性得到大的改善。
(2)在锻后的冷却和高温正火的冷却中，都是采用喷雾并吹风的快速冷却，在超细化固溶处理的冷却中，采用油来进行快速冷却，这些措施都是为了防止二次碳化物再次沿晶界析出而造成化学成分不均匀。
(3)如上述步骤C介绍的高温正火和步骤E介绍的超细化固溶处理中，都有高温加热奥氏体化的过程。在高温加热过程中继续使碳和合金元素发生扩散，进一步的使锻件内的化学成分均匀化。
如上所述的各种工艺措施，消除了大块状共晶碳化物和网状的二次碳化物的割裂基体的有害作用，而且使锻件内的化学成分均匀了，所以经预备热处理后的组织也均匀了。
本发明工艺的特点之二，采取措施切断组织遗传，细化晶粒。
前已叙及，由于本发明所述的热作模具钢是一种含合金元素较多的高淬透性的钢，锻件空冷得到的就是贝氏体、马氏体这类非平衡的组织，而合金钢的非平衡组织在相变过程中是极易引起组织遗传的。为了改善粗大的和不均匀的奥区体组织，往往需要用比较复杂而又比较费时的工艺来切断这种组织遗传，为此，本发明工艺采取了以下措施。
(1)因为使用提高锻件在临界区的加热速度，是抑制钢的组织遗传和细化组织最为重要和有效的方法。所以，如上述步骤B、，步骤C和步骤E均采用阶梯式升温的加热方式。经预热后，采用100-120℃/h这种较高的升温速度通过临界加热区，以增加过热度，使奥氏体化的形核率增加来得到细小的奥氏体晶粒。而预热阶段，考虑到锻件在低温阶段是处于弹性或弹塑性状态，如果升温速度太快，锻件的内外温度相差太大时，由于各部位的变形不均匀，而在锻件内产生极大的热应力可能引发裂纹。所以预热采用≤50℃/h和≤80℃/h的慢速升温加热，并在达到预热温度后保持一段时间，使得锻件的内外温度达到一致。
(2)在锻造加热、高温正火加热、超细化固溶处理的加热过程中，都要发生奥氏体化和奥氏体在冷却时产生固相转变。每发生一次这样的转化，组织的位向关系就要遭到一次破坏，组织的位向关系被破坏了，组织的遗传链也就被切断了。如此在多个工序中破坏其组织的位向关系来达到切断组织遗传的目的，使经过预处理后的锻件组织均匀细小。
(3)高温正火后再做一次高温回火，其目的是：正火虽然可以消除锻造过程中造成的残余内应力、均匀化组织、细化晶粒，但正火冷却下来得到的是贝氏体、马氏体这类非平衡组织。经过高温回火，一方面可以进一步消除锻件内的残余应力，另一方面期盼得到结晶学无位向关系的回火索氏体组织。这也是切断组织遗传的一个途径。
(4)如锻造工序中提到的终锻温度为900℃左右，但不低于850℃。严格控制终锻温度，以使奥氏体在动态再结晶的过程中得到细的奥氏体晶粒。如果终锻温度过高，动态再结晶的奥氏体晶粒又会长大成为粗大晶粒，终锻温度如果太低，又会使锻件内部存在较大的残余应力，甚至锻裂。
(5)如超细化固溶处理过程中，使用较低的奥氏体化温度和较短的保温时间，使奥氏体晶粒还处于起始晶粒度阶段就快速冷却下来，从而得到基体为细马氏体，其晶粒度可达到ASTM E112标准中的9－10级，并且晶粒均匀，无混晶现象。在前述特点之一中已提及，经过一系列的工艺措施，使碳化物已成为细小的零星分散分布。超细化固溶处理又使基体组织予以细化，于是，经预备热处理后就可得到基体晶粒细、碳化物颗粒细的“双细”组织。所以，经预备热处理后，最终得到以细小颗粒的碳化物均匀分布在铁素体基体上的球状珠光体组织。获得了如此细小且均匀的预备热处理组织的锻件，按《北美压铸协会(NADCA)推荐H13工具钢工艺规范》进行等向性检测。横向取样检测的冲击功能达到19J以上，而纵向取样检测的冲击功能达到20J以上。该规范“Ⅰ.材料质量要求”一章中，“对冲击试验验收标准：优质钢，三个试样的平均值≥8英尺·磅(10.85J)，单个值≥6英尺·磅(8.13J)；高级优质钢，三个试样的平均值≥10英尺·.磅(13.56J)，单个值≥8英尺·磅(10.85J)”。可见，经本发明工艺预备热处理后的锻件，无论是横向取样检测的冲击功，还是纵向取样检测的冲击功都远大于该规范的要求。其等向性都在90％以上，最好的达94％以上。
附图说明
图1、在锻件厚度的1/2处取样检查。球化组织中还残留块状的共晶碳化物，部分晶界上有链状二次碳化。
图2、在锻件厚度的1/2处取样检查。球化组织中，呈现原始粗大奥氏体晶粒遗传和晶界遗传的组织特征。
这两张图是原常规工艺处理的锻件的结果，该锻件的生产工艺流程为：电渣重熔钢锭－两次镦拔锻造－高温正火－等温球化－取样检查球化组织。
图3、在锻件厚度的1/2处取样检查。经本发明的预备热处理工艺处理后的锻件，其球化组织均匀，达到北美压铸协会标准NADCA#207-2003版图谱中的AS1级。
该锻件的生产工艺流程为：电渣重熔钢锭－高温扩散－多向锻造－高温正火－高温回火－超细化固溶处理－等温球化－取样检查球化组织。
具体实施方式
下面结合具体实例，进一步阐述本发明。应理解，这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。
下面列举实例，对本发明一种热作模具钢锻件的制造工艺及其所采用的预备热处理工艺进行说明。
实施例1
所用的钢锭化学成分(wt％)如下：
0.385C；1.183Si；0.333Mn；0.014P；0.003S；5.045Cr；1.348Mo；1.046V；0.031Al；0.030Cu；0.044Ni。
工艺过程如下：
(1)冶炼
先采用40t电弧炉冶炼，再用40t埋弧加热钢包精炼炉精炼并进行真空脱气的钢水浇注￠300mm的自耗电极，用￠300的自耗电极在电渣重熔炉中熔炼出￠720/￠760mm,重5t左右的电渣重熔钢锭。
(2)锻造
将电渣重熔锭以50℃/h的升温速度升到650℃进行第1次预热，保温2h，再以80℃/h的升温速度升到810℃进行第2次预热，保温2h，再以110℃/h的升温速度升到1210℃，保温14h进行高温扩散，1100℃开始锻造，三镦三拔，镦粗比＝2，总锻比＝6，终锻温度900℃左右，控制不低于850℃。终锻后立即送入冷却室喷雾+吹风，冷至350±50℃后再送入加热炉。
(3)高温正火+高温回火
经上述步骤处理过的锻件，以阶梯式的加热方式加热，其工艺流程为：炉温350℃左右待料，装料完成后，以80℃/h的升温速度升温到650℃，保温2h，再以110℃/h的升温速度升温到1050℃，保温5h，然后送入冷却室喷雾+吹风，冷却到350±50℃后，再送入加热炉中(炉温在350℃待料)，以80℃/h的升温速度升温到680℃，保温6h。
(4)超细化固溶处理
将在上步经680℃保温6h后，以110℃/h的升温速度升温到1000℃，保温3h后，出炉油冷到150℃以下。
(5)等温球化
炉温200℃待料，装炉完成后，以50℃/h的升温速度升温到650℃，保温6h后，以80℃/h的升温速度升温到880℃，保温3h后，以40℃/h的降温速度炉冷到780℃，保温10h后，以25℃/h的降温速度炉冷到500℃出炉空冷。
对经过上述预备热处理后的锻件取样检查，其球化组织均匀，如图3所示，达到北美压铸协会标准NADCA#207-2003版图谱中的AS1级。且等向性高达95.2％。晶粒度达到9－10级。
实施例2
所用的钢锭化学成分(wt％)如下：
0.401C；1.137Si；0.350Mn；0.012P；0.003S；5.104Cr；1.303Mo；1.030V；0.030Al；0.033Cu；0.047Ni。
工艺过程如下：
(1)冶炼
先采用40t电弧炉冶炼，再用40t埋弧加热钢包精炼炉精炼并进行真空脱气的钢水浇注￠300mm的自耗电极，用￠300的自耗电极在电渣重熔炉中熔炼出￠720/￠760mm,重5t左右的电渣重熔钢锭。
(2)锻造
将电渣重熔锭以50℃/h的升温速度升到650℃进行第1次预热，保温2h，再以80℃/h的升温速度升到820℃进行第2次预热，保温2h，再以100℃/h的升温速度升到1200℃，保温15h进行高温扩散，1100℃开始锻造，三镦三拔，镦粗比＝2，总锻比＝5，终锻温度900℃左右，控制不低于850℃。终锻后立即送入冷却室喷雾+吹风，冷至350±50℃后再送入加热炉。
(3)高温正火+高温回火
经上述步骤处理过的锻件，以阶梯式的加热方式加热，其工艺流程为：炉温350℃左右待料，装料完成后，以80℃/h的升温速度升温到680℃，保温2h，再以110℃/h的升温速度升温到1050℃，保温6h，然后送入冷却室喷雾+吹风，冷却到350±50℃后，再送入加热炉中(炉温在350℃待料)，以80℃/h的升温速度升温到660℃，保温5h。
(4)超细化固溶处理
将在上步经680℃保温6h后，以110℃/h的升温速度升温到1020℃，保温3h后，出炉油冷到150℃以下。
(5)等温球化
炉温200℃待料，装炉完成后，以50℃/h的升温速度升温到650℃，保温6h后，以80℃/h的升温速度升温到880℃，保温3h后，以40℃/h的降温速度炉冷到780℃，保温10h后，以25℃/h的降温速度炉冷到500℃出炉空冷。
对经过上述预备热处理后的锻件取样检查，其球化组织均匀，同图3，达到北美压铸协会标准NADCA#207-2003版图谱中的AS1级。其等向性高达94.3％。晶粒度达到9级。
实施例3
所用的钢锭化学成分(wt％)如下：
0.394C；1.077Si；0.370Mn；0.010P；0.002S；5.207Cr；1.342Mo；1.047V；0.029Al；0.031Cu；0.045Ni。
工艺过程如下：
(1)冶炼
先采用40t电弧炉冶炼，再用40t埋弧加热钢包精炼炉精炼并进行真空脱气的钢水浇注￠300mm的自耗电极，用￠300的自耗电极在电渣重熔炉中熔炼出￠720/￠760mm,重5t左右的电渣重熔钢锭。
(2)锻造
将电渣重熔锭以50℃/h的升温速度升到650℃进行第1次预热，保温2h，再以80℃/h的升温速度升到810℃进行第2次预热，保温2h，再以100℃/h的升温速度升到1200℃，保温15h进行高温扩散，1100℃开始锻造，三镦三拔，镦粗比＝2，总锻比＝7，终锻温度900℃左右，控制不低于850℃。终锻后立即送入冷却室喷雾+吹风，冷至350±50℃后再送入加热炉。
(3)高温正火+高温回火
经上述步骤处理过的锻件，以阶梯式的加热方式加热，其工艺流程为：炉温350℃左右待料，装料完成后，以80℃/h的升温速度升温到670℃，保温2h，再以110℃/h的升温速度升温到1050℃，保温5h，然后送入冷却室喷雾+吹风，冷却到350±50℃后，再送入加热炉中(炉温在350℃待料)，以80℃/h的升温速度升温到670℃，保温5h。
(4)超细化固溶处理
将在上步经680℃保温6h后，以110℃/h的升温速度升温到1000℃，保温3h后，出炉油冷到150℃以下。
(5)等温球化
炉温200℃待料，装炉完成后，以50℃/h的升温速度升温到650℃，保温6h后，以70℃/h的升温速度升温到870℃，保温3h后，以40℃/h的降温速度炉冷到780℃，保温10h后，以15℃/h的降温速度炉冷到500℃出炉空冷。
对经过上述预备热处理后的锻件取样检查，其球化组织均匀，同图3，达到北美压铸协会标准NADCA#207-2003版图谱中的AS1级。其等向性高达94.9％。晶粒度达到9.5级。
对比例1
所用的钢锭化学成分(wt％)如下：
0.402C；1.133Si；0.354Mn；0.012P；0.002S；5.147Cr；1.329Mo；1.038V；0.032Al；0.030Cu；0.042Ni。
该对比例所采用的生产工艺流程：电渣重熔钢锭－两次镦拔锻造－高温正火－等温球化－在锻件上取样检查球化组织，其结果如图1和图2所示，由图1和图2可见，球化组织中还残留块状的共晶碳化物，部分晶界上有链状二次碳化。且球化组织中，还呈现原始粗大奥氏体晶粒遗传和晶界遗传的组织特征。其等向性只有75.8％。
以上四个实施例，均按《北美压铸协会(NADCA)工具钢工艺规范》中所推荐的方法，在锻件本体上取样检测横向冲击功和纵向冲击功并计算各锻件的等向性。结果列表1.
表1、冲击韧性检测结果
注：(1)检测方法按《北美压铸协会(NADCA)工具钢工艺规范》中所推荐的方法。
(2)等向性计算为横向取样三个试样冲击功的平均值除以纵向取样三个试样冲击功的平均值，用百分数表示。即表示横向取样与纵向取样的差别。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (38)

1.一种热作模具钢锻件的制备工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
B．锻造
将热作模具钢的钢锭用阶梯式加热方式加热，根据模具工作面的不同，分别选用反复镦粗拔长或多向锻造的锻造方法进行锻造；
在锻件终锻后，立即送冷却室进行喷雾并吹风，冷却至350±50℃；
C．高温正火
经上述步骤处理过的锻件，炉温350℃左右待料，装料完成后，用阶梯式加热方式升温，升温到1030-1050℃，保温一段时间，然后送入冷却室进行喷雾并吹风冷却；
D. 高温回火
经上述步骤处理过的锻件，送入加热炉中，升温到650-680℃，保温一段时间；
E．超细化固溶处理
将经上述步骤保温后的钢材，升温到1000-1020℃，保温一段时间后油冷到150℃以下；
F．球化处理
将经上述步骤处理后的锻件，进行球化处理；
G．取样检查
依据锻件图纸或供需双方协议的技术要求，在锻件本体上或者随炉试棒上取样检查球化组织。
2.根据权利要求1的制备工艺，其特征在于，步骤B中的钢锭选自电渣重熔钢锭；
步骤G中，对高级优质级别类的钢锻件还做等向性检测。
3.根据权利要求1的制备工艺，其特征在于，所述热作模具钢的成分（wt%）为：
NADCA等级A，为推荐的优质钢，其成分（wt%）为：C：0.37-0.42；Mn：0.2-0.5；Si：0.8-1.2；Cr：5.0-5.5；Mo：1.2-1.75；V：0.8-1.2；P≤0.025；S≤0.005；
NADCA等级B，为推荐的高级优质钢，其成分（wt%）为：C：0.37-0.42；Mn：0.2-0.5；Si：0.8-1.2；Cr：5.0-5.5；Mo：1.2-1.75；V：0.8-1.0；P≤0.015；S≤0.003；
GB/T1299-2000中的4Cr5MoSiV1，其成分（wt%）为：C：0.38-0.45；Mn：0.2-0.5；Si：0.8-1.2；Cr：4.75-5.5；Mo：1.1-1.75；V：0.8-1.2；P≤0.025；S≤0.0025。
4.根据权利要求1-3任一项的制备工艺，其特征在于，所述方法还包括在锻造之前进行步骤A .冶炼。
5.根据权利要求4的制备工艺，其特征在于，所述冶炼步骤包括用电炉冶炼获得电炉锭，经电渣重熔冶炼后得到的电渣重熔钢锭。
6.根据权利要求1-3任一项的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中的阶梯式升温加热方法升温到1180－1220℃下，保温10-15h进行高温扩散。
7.根据权利要求6的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中的阶梯式升温加热方法升温到1200－1220℃下，保温10-15h进行高温扩散。
8.根据权利要求6的制备工艺，其特征在于，始锻温度1100℃，终锻温度900℃左右。
9.根据权利要求6的制备工艺，其特征在于，根据工件工作面的不同，分别选用反复墩粗拔长、多向锻造的锻造方法。
10.根据权利要求9的制备工艺，其特征在于，用于辊压的模具，其工作面为模具的外表层，这种模具的锻件在锻制时，选用反复墩粗拔长的锻造方法。
11.根据权利要求6的制备工艺，其特征在于，各工序镦粗比≥2，各向总锻比≥4-6。
12.根据权利要求6的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中的阶梯式升温方法为：B1，升温到600-680℃进行第一次预热，保温一段时间；B2，升温到800-820℃，进行第二次预热，保温一段时间；B3，升温到1180-1220℃进行高温扩散，保温一段时间。
13.根据权利要求12的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中的阶梯式升温方法为：B1，升温到650-670℃，进行第一次预热，保温一段时间；B2，升温到810-820℃，进行第二次预热，保温一段时间；B3，升温到1200-1220℃进行高温扩散，保温一段时间。
14.根据权利要求12的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中每个阶段的升温速度分别为：B1，以≤50℃/h的升温速度，保温1-2h，B2，以≤80℃/h的升温速度，保温1-2h，B3，以100-120℃/h的升温速度，保温10-15h。
15.根据权利要求14的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中，B3，以100-120℃/h的升温速度，保温14－15h。
16.根据权利要求12的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中的阶梯式升温方式为：B1，以不低于40℃/h，且不高于50℃/h的升温速度进行加热；B2，以不低于50℃/h，且不高于80℃/h的升温速度进行加热，B3，以不低于100℃/h，且不高于120℃/h进行加热。
17.根据权利要求16的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中的阶梯式升温方式为：B2，以60℃/h或70℃/h的升温速度进行加热，B3，以100℃/h或110℃/h进行加热。
18.根据权利要求12的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中的阶梯式升温方式为：B1，以50℃/h的升温速度进行加热；B2，以80℃/h的升温速度进行加热，B3，以100-120℃/h的升温速度进行加热；随后升温到1200－1220℃进行高温扩散，保温14-15h。
19.根据权利要求8的制备工艺，其特征在于，所述步骤B中锻造工艺参数为：终锻温度不低于850℃。
20.根据权利要求1-3任一项的制备工艺，其特征在于，所述步骤C中，高温正火，以阶梯式的升温方式加热，其工艺流程为：炉温350℃左右待料，装料完成后，以≤80℃/h的升温速度升温到800-820℃，保温1-2h，最后以100-120℃/h的升温速度升温到1030-1050℃，保温5-6h。
21.根据权利要求20的制备工艺，其特征在于，在保温结束后，将锻件送入冷却室进行喷雾并吹风冷却，冷却至350±50℃后进入下一步工序。
22.根据权利要求20的制备工艺，其特征在于，所述步骤C中，高温正火，以阶梯式的升温方式加热，其工艺流程为：炉温350℃左右待料，装料完成后，以≤80℃/h的升温速度升温到800-810℃，保温1-2h，最后以100-120℃/h的升温速度升温到1050℃，保温5-6h。
23.根据权利要求21的制备工艺，其特征在于，所述步骤C中，高温正火，以阶梯式的升温方式加热，其工艺流程为：炉温350℃左右待料，装料完成后，以≤80℃/h的升温速度升温到800-810℃，保温1-2h，最后以100-120℃/h的升温速度升温到1050℃，保温5-6h。
24.根据权利要求22的制备工艺，其特征在于，所述步骤C中，高温正火，以阶梯式的升温方式加热，升温方式为：以不低于50℃/h，且不高于80℃/h的速度升温；然后以不低于100℃/h，且不高于120℃/h的速度升温。
25.根据权利要求24的制备工艺，其特征在于，所述步骤C中，高温正火，以阶梯式的升温方式加热，升温方式为：以60℃/h或70℃/h的速度升温；然后以100℃/h或110℃/h的速度升温。
26.根据权利要求25的制备工艺，其特征在于，所述步骤C中，高温正火，以阶梯式的升温方式加热，升温方式为：以不低于80℃/h的速度升温，保温1-2h；然后以110-120℃/h的速度升温，保温5-6h。
27.根据权利要求1-3任一项的制备工艺，其特征在于，
所述步骤D中，高温回火以≤80℃/h的速度升温至650-680℃，保温6-8h。
28.根据权利要求27的制备工艺，其特征在于，所述高温回火的升温速度，以不低于50℃/h，且不高于80℃/h的速度升温。
29.根据权利要求28的制备工艺，其特征在于，所述高温回火的升温速度，以60℃/h或70℃/h的速度升温。
30.根据权利要求28的制备工艺，其特征在于，所述高温回火的升温速度，以70-80℃/h的速度升温。
31.根据权利要求28的制备工艺，其特征在于，所述高温回火的升温速度，以80℃/h的速度升温。
32.根据权利要求1-3任一项的制备工艺，其特征在于，所述步骤E中，将经高温回火温度下保温后，再以100-120℃/h的升温速度升温到1000-1020℃，保温2-4h。
33.根据权利要求32的制备工艺，其特征在于，所述步骤E中，将经高温回火温度下保温后，再以100-120℃/h的升温速度升温到1000-1020℃，保温2-4h，而后以油冷的方式冷到200℃以下。
34.根据权利要求33的制备工艺，其特征在于，所述步骤E中，以油冷的方式冷到150℃以下。
35.根据权利要求1-3任一项的制备工艺，其特征在于，所述步骤F中，球化以阶梯式的加热方式加热，其工艺流程为：炉温200℃待料，装料完成后，先以≤50℃/h的升温速度升温到650-680℃，保温6-8h，然后以≤80℃/h的升温速度升温到850-890℃，保温2-4h后，以30-40℃/h的降温速度降温至740-780℃，保温8-15h，随后，再以≤30℃/h的降温速度降到500℃出炉空冷。
36.根据权利要求35的制备工艺，其特征在于，所述步骤F中，先以≤50℃/h的升温速度升温到660-670℃保温6-8h，然后以≤80℃/h的升温速度升温到850-890℃，保温2-4h后，以30-40℃/h的降温速度降温至740-780℃，保温12-15h，随后，再以≤30℃/h的降温速度降到500℃出炉空冷。
37.根据权利要求35的制备工艺，其特征在于，所述步骤F中，阶梯加热方式为：以不低于40℃/h，且不高于50℃/h的升温速度进行加热；以不低于50℃/h，且不高于80℃/h的升温速度进行加热，以40℃/h，35℃/h，或者30℃/h的速度进行降温；再以≤25℃/h的降温速度降到500℃出炉空冷。
38.根据权利要求35的制备工艺，其特征在于，所述步骤F中，阶梯加热方式为：以不低于40℃/h，且不高于50℃/h的升温速度进行加热；以60℃/h或70℃/h的升温速度进行加热，以40℃/h，35℃/h或者30℃/h的速度进行降温；再以≤25℃/h的降温速度降到500℃出炉空冷。
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