CN110484701A - 一种大型压铸模具钢高韧性低变形率的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种大型压铸模具钢高韧性低变形率的热处理工艺，属于热作模具钢热处理技术领域。工艺步骤：模具装炉准备，“温差控速+三级阶梯冷却”淬火，回火。适用于H13(4Cr5MoSiV1)、4Cr5Mo1V、4Cr5Mo2V等大型热作模具钢的高韧性低变形热处理工艺。模具淬火后，采用第一次回火高硬度化+两次高韧性化回火热处理工艺，出炉空冷，调整至目标硬度(44～46)HRC后，可实现模具变形率≤0.09％，并且模具钢可获得高强韧性，从而延长压铸模具使用寿命。

Description

一种大型压铸模具钢高韧性低变形率的热处理工艺
技术领域
本发明属于热作模具钢热处理技术领域，特别涉及一种大型压铸模具钢高韧性低变形率的热处理工艺，即：H13(4Cr5MoSiV1)、4Cr5Mo1V、4Cr5Mo2V等压铸模具钢的真空热处理工艺。
背景技术
近几年，我国装备制造业的发展对压铸模具钢提出了很高的要求，大型、精密、长寿命化是压铸模具钢高品质化的重要特征。热疲劳抗性等是决定压铸使用寿命的直接因素，可通过抗拉强度、硬度、断裂韧性、冲击性能间接反映。其中，冲击性能被认为是决定H13钢材质量的关键性指标，也被NADCA207-2016标准中作为判定等级的关键指标。热处理环节对于压铸模具钢能否发挥出材料的本质性能，如较高的冲击韧性，从而得到预期的使用效果和寿命起到决定性的作用。
在模具热处理阶段，控制较快的淬火冷速以获得完全马氏体组织与马氏体/贝氏体的混合组织，可提高热疲劳抗性。但是，在大量的生产实践过程中发现，大型复杂压铸模具的真空淬火存在很大的技术难度。采用欧美提倡的快冷方法(冷速必须大于28℃/min)，对于大型薄壁类模具及厚度>300mm模具极易发生开裂和变形。原因是：模具(特别是大尺寸模具)在淬火介质中迅速冷却时，在模具内部沿截面产生一定的温度梯度，表面温度低，心部温度高，存在温度差，因而沿模具截面不同部位热胀冷缩不一致，于是在工件不同部位将产生内应力(热应力)，同时还可能出现温度下降快的部位温度低于MS点，发生马氏体转变，体积膨胀，而温度高的部位高于MS点，仍处于奥氏体状态，由于体积变化的差异，也将产生较大的内应力。淬火冷却时，工件在内应力(热应力+组织应力)的作用下可使工件局部发生塑性变形。如果变形量过大时，就必须修整模具，增加设计上的困难题并提高制造成本；如果内应力超过模具材料的屈服强度，模具将开裂。为了避免模具开裂，采用在临界冷速下尽量慢冷的热处理，易于在晶界偏聚析出碳化物并产生贝氏体相变，它们将分别造成晶界弱化和所谓的“贝氏体脆性”，进而恶化力学性能，影响使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种大型压铸模具钢高韧性低变形率的热处理工艺，适用于H13(4Cr5MoSiV1)、4Cr5Mo1V、4Cr5Mo2V等大型热作模具钢的高韧性低变形热处理工艺。通过炉前模具处理防止模具局部获得较高冷速，采用去应力退火消除模具粗加工应力，降低模具淬火开裂风险；模具钢真空热处理时，在模具的心部、表面等不同区域安装多个温度检测的热电偶，采用二级缓慢加热的预热过程，实时监测心偶和表偶的温度差异。在模具钢高压气淬冷却时，通过“温差控速+三级阶梯冷却”工艺，在高温冷却段，创新性的采用随炉缓慢冷却技术，模具钢心偶和表偶温度基本得到同步降低，变形较小而不影响组织转变过程。随后采用最大冷速，迅速降至中温区，在CCT曲线中的珠光体区与贝氏体区之间的中温区域，采取适当均温，使心偶和表偶温度差减小后再进行快速冷却。当模具尺寸较大时，应等温到“临界心表温差”≤100℃时，在低温区再快速冷却淬火。尽可能的减少组织中贝氏体的量和在淬火转变前减小表面和心部的温差，既能降低模具开裂风险，又不损伤压铸模具性能；模具淬火后，应用独特的首次回火高硬度化+两次高韧性化回火热处理工艺，调整至目标硬度后，模具钢获得高强韧性，从而延长压铸模具使用寿命。具体工艺步骤及控制的技术参数如下：
1、模具装炉准备：
(1)压铸模具型腔全面检查，采用石棉将型腔背面的冷却水孔堵上并塞实，采用厚度0.5～1mm，具有直径4～5mm通气孔的钢板遮盖，采用石棉将边缘有较大开口处包扎，防止淬火过程开裂。
(2)对模具进行消除应力退火，加热温度600～650℃，保温时间2～2.5h，炉冷。
2、“温差控速+三级阶梯冷却”淬火
(1)在模具的心部和边部区域安装用于温度检测的热电偶。
(2)慢速升温，以1.5～2℃/min的加热速度升炉温至500～600℃，当心部温度到达比设定炉温低5～10℃时，保温150～200分钟。
(3)以2℃/min的速度升炉温至800～850℃，当心部温度到达比设定炉温低5～10℃时，保温200～240分钟。
(4)之后40分钟内，将炉温升到模具钢的奥氏体化温度，当心部温度到达比设定奥氏体化温度低5～10℃时，保温30～35分钟。
(5)第一级冷却：采用随炉缓冷，等待模具表面温度降低至800～850℃。
(6)第二级冷却：在不低于7～8Bar的冷却压力下，控制冷速≥40℃/min，将模具表面温度淬到500～550℃，开始等温过程。
(7)当心部温度与表面温度差≤100℃时，结束等温过程。
(8)第三级冷却：控制冷速7～8℃/min，使炉温降低至200℃，出炉空冷。
3、回火
(1)等待模具表面温度降低至50～60℃，立即回火。
(2)淬火后模具应至少回火三次，回火前炉温：100～200℃。第一次回火温度选择高于模具钢回火二次硬化峰值温度20～30℃，当心偶温度达到低于设定值5～10℃时，开始计时，回火时间按30～40mm/h进行，出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至50～60℃；
(3)第二次回火至590～600℃，硬度逐渐降低，当心偶温度达到低于设定值5～10℃时，开始计时，回火时间按30～40mm/h进行，模具出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至50～60℃。
(4)检测模具表面回火硬度，根据目标硬度44～46HRC调整第三次回火温度580～600℃，大型压铸模具需增加第四次回火，回火温度同第三次回火温度，当心偶温度达到低于设定值5～10℃时，开始计时，回火时间按30～40mm/h进行，最后一次回火空冷出炉。
模具淬火后，采用第一次回火高硬度化+两次高韧性化回火热处理工艺，出炉空冷，调整至目标硬度(44～46)HRC后，可实现模具变形率≤0.09％，并且模具钢可获得高强韧性，从而延长压铸模具使用寿命。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
采用调节冷却气体(如氮气)压力和调节风机转速两种措施控制淬火冷速及淬火温度，在常规生产条件下易于操作。对于单件重量≥400Kg，有效厚度≥200mm的压铸模具，采用本发明“温差控速+三级阶梯冷却”技术后，开裂率由15～17％降低至0，并且模具变形率≤0.09％，具有显著的技术进步。
具体实施方式
现将本发明的具体实施方式叙述如下：
实施例1
压铸模具最大尺寸780×680×200mm，单件重600Kg,模具钢为H13热作模具钢，该钢种的奥氏体化温度(1020～1030)℃。
1、模具装炉准备：
(1)在模具多个通水管道中央插入热电偶作为心偶，模具表面焊接热电偶作为表偶，采用石棉将型腔背面的冷却水孔堵上并塞实，采用厚度≤1mm，具有直径≤5mm通气孔的钢板遮盖，采用石棉将边缘有较大开口处包扎。
(2)对模具进行消除应力退火，工艺为620℃×2h，缓慢冷却。
2、“温差控速+三级阶梯冷却”淬火
(1)慢速升温，以1.5/min的加热速度升炉温至525℃，当心部温度到达520℃时，保温150分钟。
(3)以2℃/min的速度升炉温至850℃，当心部温度到达840℃时，保温200分钟。
(4)耗时30分钟将炉温升到1020℃，当心部温度到达1010℃时，保温30分钟。
(5)第一级冷却：采用随炉缓冷，等待模具表面温度缓慢降低至805℃。
(6)第二级冷却：控制冷速42℃/min，将模具表面温度迅速淬到550℃，当心部温度到达650℃时，结束等温过程。
(8)第三级冷却：控制冷速8℃/min，使炉温快速降低至197℃，出炉空冷。
3、回火
等待模具表面温度降低至60℃，装炉进行第一次回火，炉温178℃，回火温度550℃，当心偶温度达到545℃时，进行5h回火，出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至55℃；第二次回火至590℃，当心偶温度达到585℃时，进行5h回火，模具出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至60℃；调整第三次回火温度580℃，当心偶温度达到570℃时，进行5h回火，空冷出炉。
采用以上工艺热处理后，检测模具表面硬度为44.6～45.3HRC，随炉心部同材料横向冲击韧性Akv＝11.8J，模具淬火前最大尺寸780mm，淬火后780.3mm，变形量0.3mm，目前模具使用良好。
实施例2
压铸模具最大尺寸780×695×320mm，单件重850Kg,模具钢为FS438(4Cr5Mo1V)热作模具钢，该钢种的奥氏体化温度1010℃。
1、模具装炉准备：
(1)在模具多个通水管道中央插入热电偶作为心偶，模具表面焊接热电偶作为表偶，采用石棉将型腔背面的冷却水孔堵上并塞实，采用厚度≤1mm，具有直径≤5mm通气孔的钢板遮盖，采用石棉将边缘有较大开口处包扎。
(2)对模具进行消除应力退火，工艺为620℃×2h，缓慢冷却。
2、“温差控速+三级阶梯冷却”淬火
(1)慢速升温，以1.5/min的加热速度升炉温至550℃，当心部温度到达545℃时，开始保温200分钟。
(3)以2℃/min的速度升炉温至825℃，当心部温度到达820℃时，保温240分钟。
(4)耗时34分钟将炉温升到1010℃，当心部温度到达1005℃时，开始保温30分钟。
(5)第一级冷却：采用随炉缓冷，等待模具表面温度缓慢降低至800℃。
(6)第二级冷却：控制冷速40℃/min，将模具表面温度迅速淬到550℃，当心部温度到达650℃时，结束等温过程。
(8)第三级冷却：控制冷速8℃/min，使炉温快速降低至200℃，出炉温度195℃，空冷。
3、回火
等待模具表面温度降低至60℃，装炉进行第一次回火，此时炉温189℃，回火温度550℃，当心偶温度达到545℃时，进行8h回火，出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至60℃；第二次回火至590℃，当心偶温度达到585℃时，进行8h回火，模具出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至60℃，检测模具表面硬度为46.3～46.8HRC；调整第三次回火温度590℃，当心偶温度达到585℃时，进行8h回火，模具表面温度降低至60℃，检测模具表面硬度为45.3～45.9HRC；调整第四次回火温度580℃，当心偶温度达到575℃时，进行8h回火，模具表面温度降低至60℃，检测模具表面硬度为44.6～45.3HRC，空冷出炉。
采用以上工艺热处理后，检测模具表面硬度为44.4～44.9HRC，随炉心部同材料横向冲击韧性Akv＝16.1J，模具淬火前最大尺寸780mm，淬火后780.2mm，变形量0.2mm，目前模具使用良好。

Claims (1)

1.一种大型压铸模具钢高韧性低变形率的热处理工艺，其特征在于，工艺步骤及控制的技术参数如下：
(1)模具装炉准备：
a)压铸模具型腔全面检查，采用石棉将型腔背面的冷却水孔堵上并塞实，采用厚度0.5～1mm，具有直径4～5mm通气孔的钢板遮盖，采用石棉将边缘有较大开口处包扎；
b)对模具进行消除应力退火，加热温度600～650℃，保温时间2～2.5h，炉冷；
(2)“温差控速+三级阶梯冷却”淬火
a)在模具的心部和边部区域安装用于温度检测的热电偶；
b)慢速升温，以1.5～2℃/min的加热速度升炉温至500～600℃，当心部温度到达比设定炉温低5～10℃时，保温150～200分钟；
c)以2℃/min的速度升炉温至800～850℃，当心部温度到达比设定炉温低5～10℃时，保温200～240分钟；
d)之后40分钟内，将炉温升到模具钢的奥氏体化温度，当心部温度到达比设定奥氏体化温度低5～10℃时，保温30～35分钟；
e)第一级冷却：采用随炉缓冷，等待模具表面温度降低至800～850℃；
f)第二级冷却：在不低于7～8Bar的冷却压力下，控制冷速≥40℃/min，将模具表面温度淬到500～550℃，开始等温过程；
g)当心部温度与表面温度差≤100℃时，结束等温过程；
h)第三级冷却：控制冷速7～8℃/min，使炉温降低至200℃，出炉空冷。
(3)回火
a)等待模具表面温度降低至50～60℃，立即回火；
b)淬火后模具应至少回火三次，回火前炉温：100～200℃；第一次回火温度选择高于模具钢回火二次硬化峰值温度20～30℃，当心偶温度达到低于设定值5～10℃时，开始计时，回火时间按有效厚度30～40mm/h进行，出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至50～60℃；
c)第二次回火至590～600℃，硬度逐渐降低，当心偶温度达到低于设定值5～10℃时，开始计时，回火时间按30～40mm/h进行，模具出炉后采用风机加速冷却，模具表面温度降低至50～60℃；
d)检测模具表面回火硬度，根据目标硬度44～46HRC调整第三次回火温度580～600℃；
大型压铸模具需增加第四次回火，回火温度同第三次回火温度，当心偶温度达到低于设定值5～10℃时，开始计时，回火时间按30～40mm/h进行，最后一次回火空冷出炉。
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