CN110964885B - 一种梯度组织结构工模具钢的制备方法 - Google Patents

一种梯度组织结构工模具钢的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种梯度组织结构工模具钢的制备方法，可获得具有梯度组织结构和力学性能的工模具材料。本发明的主要特点是工模具钢铸锭在700～800℃去应力退火后，在800～1000℃进行热扭转，扭转角度180‑1440°，而后在500～650℃保温0.5～3h进行碳化物结构稳定化处理，再加热到1000～1100℃、保温2～6h进行形变诱导碳化物相变退火，最后在1120～1180℃、保温20min～4h进行碳化物团球化处理。采用本方法可获得梯度组织结构的工模具钢，即碳化物结构和碳化物尺寸由工模具钢表面到内部呈现梯度分布，从而实现梯度力学性能。

Description

一种梯度组织结构工模具钢的制备方法
技术领域
本发明涉及一种梯度组织结构工模具钢的制备方法，具体涉及一种能够获得碳化物结构梯度分布和碳化物尺寸梯度分布的工模具材料的方法。
背景技术
工模具钢具有高硬度、高耐磨性等优点，广泛应用于制造切削工具、精密模具等。为保证工模具钢的性能要求，工模具钢采用高碳高合金的成分设计思路，添加大量的碳和合金元素，形成大量的硬质、稳定的合金碳化物。
碳化物数量、分布、尺寸、结构在很大程度上决定了工模具钢性能。碳化物数量多、分布均匀，有利于提升工模具钢硬度和耐磨性。小尺寸碳化物，淬火过程更容易溶解，对提升硬度有利，而尺寸稍大、外形圆润的碳化物对提升耐磨性有利。除碳化物尺寸外，碳化物结构对工模具钢力学性能同样影响很大。研究表明，密排六方结构的M2C碳化物硬度低、脆性大，损害材料耐磨性和韧性；与M2C碳化物相比，复杂立方结构M6C碳化物和面心立方结构MC碳化物分别具有更高的断裂韧性和硬度，有利于材料的冲击韧性和耐磨性。
目前，工模具钢生产工艺流程为：冶炼→浇铸成电极棒→电渣重熔→高温开坯、锻造、轧制→拉拔。在该流程中，利用高温开坯、锻造、轧制等热加工手段，使碳化物均匀分布，细化碳化物尺寸，同时使低硬度脆性M2C碳化物转化为高韧M6C碳化物和高硬MC碳化物。上述工艺的目标是获得碳化物细小弥散、分布均匀、硬度和韧性良好的工模具钢组织，保证材料不同区域力学性能的一致性。
工具和模具在实际服役过程中，对材料不同位置力学性能的要求有较大差异：对于工模具表面，其和被加工件有剧烈摩擦，要求有高的硬度和耐磨性；对于工模具内部，对耐磨性要求不高，但要求材料有更好的抗冲击性能。显然，上述组织均匀的工模具材料无法实现工模具表面和内部的梯度性能要求。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种梯度组织结构工模具钢的制备方法，可获得碳化物结构、尺寸双梯度分布的工模具钢组织，使得材料表面具有高硬度和耐磨性、内部具有较高的韧性，产生梯度力学性能。
技术方案：与传统工模具钢制备工艺获得均匀一致组织和性能的目的不同，本发明旨在获得具有梯度分布特征的工模具钢组织，即由工模具钢表面到工模具钢内部碳化物结构呈梯度分布和碳化物尺寸呈梯度分布的组织，以实现梯度力学性能：通过对去应力处理的工模具钢铸锭进行热扭转，控制扭转温度和应变速率，以控制工模具钢内部到表面不同区域M2C碳化物结构缺陷种类及数量；利用碳化物结构稳定化处理，使扭转变形的工模具钢组织中碳化物结构稳定化，为后续相变退火做好必要的组织准备；采用形变诱导碳化物相变退火，基于相变产物—M6C、MC碳化物对碳化物结构缺陷的选择形核特性，获得工模具钢不同区域碳化物结构呈梯度分布的组织，即由工模具钢表面到工模具钢内部，M6C/MC碳化物数量比例逐渐增大；采用碳化物团球化处理，使M6C和MC碳化物分离，获得工模具钢不同区域碳化物尺寸呈梯度分布的组织，即由工模具钢表面到内部，碳化物颗粒平均尺寸逐渐增大。
具体工艺步骤如下：
(1)对工模具钢铸锭在700～800℃保温4～10h，进行去应力退火；
(2)对工模具钢在800～1000℃进行热扭转，扭转角度180～1440°；
(3)将扭转变形的工模具钢加热到500～650℃，保温0.5～3h，进行碳化物稳定化处理；
(4)对扭转变形和碳化物结构稳定化处理后的工模具钢进行形变诱导碳化物相变退火，加热温度1000～1100℃、保温2～6h；
(5)将碳化物相变退火后的工模具钢加热到1120～1180℃、保温20min～4h，进行碳化物团球化处理。
(6)对上述工模具钢进行淬回火热处理。
其中，步骤3)碳化物结构稳定化处理温度与步骤2)热扭转温度及角度密切相关：热扭转温度每增加50℃或扭转角度每降低360°，碳化物结构稳定化处理温度降低30～50℃；相反，热扭转温度每降低50℃或扭转角度每增加360°，碳化物结构稳定化处理温度升高30～50℃。
有益效果：采用上述工艺能够获得碳化物结构、尺寸呈双梯度分布特征的工模具钢组织，即由工模具钢表面到内部，M6C/MC碳化物数量比例逐渐增大，同时碳化物颗粒平均尺寸逐渐增大，其中M6C/MC碳化物数量比例范围为60％:40％～95％:5％，碳化物平均尺寸5μm～30μm。上述梯度组织结构可实现工模具钢梯度力学性能：靠近工模具钢表面，小尺寸碳化物淬火更易溶解、提升工模具钢硬度，高硬度MC碳化物多、提升工模具钢抗磨损能力，两方面因素决定工模具钢表面具有高耐磨性；靠近工模具钢内部，高韧性M6C碳化物多，大尺寸碳化物淬火后工模具钢硬度偏低，具有更高的抗冲击性能，即工模具钢内部冲击韧性更好。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的工艺方法进行详细说明。
实施例1：
(1)将M2钢加热到700℃，保温10h，消除材料内部应力；
(2)对M2钢在800℃进行热扭转，扭转角度180°；
(3)将扭转变形的M2钢加热到500℃，保温3h，进行碳化物结构稳定化处理；
(4)将上述处理的M2钢加热到1000℃、保温6h，进行形变诱导碳化物相变退火；
(5)将相变退火后的M2钢加热到1120℃、保温4h，使M2钢碳化物团球化；
(6)对上述处理的M2钢进行淬回火处理，淬火温度1220℃、回火温度560℃。
实施例2：
(1)将M2钢加热到800℃，保温4h，消除材料内部应力；
(2)对M2钢在1000℃进行热扭转，扭转角度1440°；
(3)将扭转变形的M2钢加热到650℃，保温0.5h，进行碳化物结构稳定化处理；
(4)将上述处理的M2钢加热到1100℃、保温2h，进行形变诱导碳化物相变退火；
(5)将相变退火后的M2钢加热到1180℃、保温20min，使M2钢碳化物团球化；
(6)对上述处理的M2钢进行淬回火处理，淬火温度1220℃、回火温度560℃。
实施例3：
(1)将M2钢加热到750℃，保温8h，消除材料内部应力；
(2)对M2钢在900℃进行热扭转，扭转角度720°；
(3)将扭转变形的M2钢加热到500℃，保温3h，进行碳化物结构稳定化处理；
(4)将上述处理的M2钢加热到1050℃、保温4h，进行形变诱导碳化物相变退火；
(5)将相变退火后的M2钢加热到1150℃、保温2h，使M2钢碳化物团球化；
(6)对上述处理的M2钢进行淬回火处理，淬火温度1220℃、回火温度560℃。
实施例4：
(1)将W9钢加热到750℃，保温10h，消除材料内部应力；
(2)对W9钢在950℃进行热扭转，扭转角度1080°；
(3)将扭转变形的W9钢加热到500℃，保温3h，进行碳化物结构稳定化处理；
(4)将上述处理的W9钢加热到1100℃、保温2h，进行形变诱导碳化物相变退火；
(5)将相变退火后的W9钢加热到1120℃、保温4h，使W9钢碳化物团球化；
(6)对上述处理的W9钢进行淬回火处理，淬火温度1220℃、回火温度560℃。
实施例5：
(1)将W9钢加热到780℃，保温6h，消除材料内部应力；
(2)对W9钢在900℃进行热扭转，扭转角度540°；
(3)将扭转变形的W9钢加热到550℃，保温3h，进行碳化物结构稳定化处理；
(4)将上述处理的W9钢加热到1080℃、保温3h，进行形变诱导碳化物相变退火；
(5)将相变退火后的W9钢加热到1140℃、保温3h，使W9钢碳化物团球化；
(6)对上述处理的W9钢进行淬回火处理，淬火温度1220℃、回火温度560℃。
实施例6：
(1)将W9钢加热到800℃，保温4h，消除材料内部应力；
(2)对W9钢在1000℃进行热扭转，扭转角度900°；
(3)将扭转变形的W9钢加热到600℃，保温2h，进行碳化物结构稳定化处理；
(4)将上述处理的W9钢加热到1000℃、保温6h，进行形变诱导碳化物相变退火；
(5)将相变退火后的W9钢加热到1180℃、保温20min，使W9钢碳化物团球化；
(6)对上述处理的W9钢进行淬回火处理，淬火温度1220℃、回火温度560℃。

Claims (2)

1.一种梯度组织结构工模具钢的制备方法，其特征在于通过对去应力处理的工模具钢铸锭进行热扭转，控制扭转温度和应变速率，以控制工模具钢表面到工模具钢内部不同区域碳化物结构缺陷种类及数量；利用碳化物结构稳定化处理，使扭转变形的工模具钢组织中碳化物结构稳定化，为后续相变退火做好必要的组织准备；采用形变诱导碳化物相变退火，基于M6C、MC碳化物对碳化物结构缺陷的选择形核特性，获得工模具钢不同区域碳化物结构呈梯度分布的组织，即由工模具钢表面到工模具钢内部，M6C、MC碳化物数量比例逐渐增大；采用碳化物团球化处理，使M6C和MC碳化物分离，获得工模具钢不同区域碳化物尺寸呈梯度分布的组织，即由工模具钢表面到工模具钢内部，碳化物颗粒平均尺寸逐渐增大；
该制备方法包括如下步骤：
步骤1）.对工模具钢铸锭在700～800℃保温4～10h，进行去应力退火；
步骤2）.对工模具钢铸锭在800～1000℃进行热扭转，扭转角度180～1440°；
步骤3）.将扭转变形的工模具钢加热到500～650℃，保温0.5～3h，进行碳化物结构稳定化处理；
步骤4）.对扭转变形和稳定化处理后的工模具钢进行形变诱导碳化物相变退火，加热温度1000～1100℃、保温2～6h；
步骤5）.将碳化物相变退火后的工模具钢加热到1120～1180℃、保温20min～4h，进行碳化物团球化处理；
步骤6）.对上述工模具钢进行淬回火热处理；
其中，步骤3）中碳化物结构稳定化处理温度与步骤2）中热扭转温度及角度密切相关，二者需联动调整，即热扭转温度每增加50℃或扭转角度每降低360°，碳化物结构稳定化处理温度降低30～50℃；相反，热扭转温度每降低50℃或扭转角度每增加360°，碳化物结构稳定化处理温度升高30～50℃。
2.根据权利要求1所述的一种梯度组织结构工模具钢的制备方法，其特征在于，所述碳化物尺寸呈梯度分布的组织，由工模具钢表面到工模具钢内部，M6C、MC碳化物数量比例递增，变化范围60%:40%～95%:5%，碳化物平均尺寸逐渐增大，变化范围5μm～30μm。
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