CN112708788B - 一种提高k403合金塑性的方法，模具材料和制品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高K403合金塑性的方法，包括以下步骤：（1）将K403合金原材料依次经历真空感应熔炼、浇铸和退火，得到自耗电极；（2）利用所述自耗电极，进行电渣重熔连续定向凝固冶炼，得到铸锭，其中,渣系包含（按重量计）：48%‑52%CaF₂，25%‑30%CaO，19%‑23%Al₂O₃，2%‑5%MgO，0.1%‑0.3%TiO₂，0.1%‑0.3%ZrO₂；（3）对铸锭依次进行均匀化热处理、锻造开坯、模锻成形和热处理。通过本申请的方法对K403合金原材料进行处理，可获得高温塑性显著提高的K403模具材料，其使用寿命得到大幅度提高。

Description

一种提高K403合金塑性的方法，模具材料和制品

技术领域

本发明涉及高温模具材料的制备技术领域，尤其是涉及一种提高K403合金塑性的方法，由此获得的模具材料和制品。

背景技术

K403合金是镍基沉淀强化型等轴晶铸造高温合金，具有很好的高温力学性能和高温强度，使用温度在1000℃以下，在1000℃、100小时的持久强度可达150MPa，且具有良好的铸造性能，可铸造出形状复杂的精铸件，因此已经广泛用于制作多种航空发动机涡轮转子叶片和导向叶片，以及其他高温使用的零件部件。此外，由于K403合金具有良好的性能和低廉的价格，因此是常用的高温模具材料。通常采用铸造方法制备K403合金材料。但是，由铸造方法获得的K403模具材料具有较为粗大的组织，且存在缩孔等缺陷，塑性较差，在使用过程容易开裂，因此限制了K403合金的应用范围。

发明内容

为了进一步提高K403合金模具材料的塑性，本申请提供了一种提高K403合金塑性的方法。通过本申请方法获得的K403合金模具材料具有优异的高温塑性，其使用寿命得到大幅提高。

本申请的提高K403合金塑性的方法包括以下步骤：

(1)将K403合金原材料依次经历真空感应熔炼、浇铸和退火，得到自耗电极；

(2)利用所述自耗电极，在电渣重熔连续定向凝固装置中进行电渣重熔，得到铸锭，其中，所述电渣重熔的渣系包含(按重量计)：

(48％-52％)CaF₂+(25％-30％)CaO+(19％-23％)Al₂O₃+(2％-5％)MgO+(0.1％-0.3％)TiO₂+(0.1％-0.3％)ZrO₂；

(3)对铸锭依次进行均匀化热处理、锻造开坯、模锻成形和热处理。

经过上述电渣重熔的处理，所得铸锭的成分一致性得到了保证。

在一个实施方案中，渣系包含(按重量计)：

(49％-51％)CaF₂+(27％-29％)CaO+(20％-22％)Al₂O₃+(2％-4％)MgO+(0.1％-0.3％)TiO₂+(0.1％-0.3％)ZrO₂。

在一个实施方案中，渣系包含(按重量计)：

(51％-52％)CaF₂+(29％-30％)CaO+(22％-23％)Al₂O₃+(4％-5％)MgO+(0.3％)TiO₂+(0.3％)ZrO₂。

在一个实施方案中，渣系包含(按重量计)：

(48％-49％)CaF₂+(25％-27％)CaO+(19％-20％)Al₂O₃+(2％)MgO+(0.1％)TiO₂+(0.1％)ZrO₂。

在一个实施方案中，渣系包含(按重量计)：50％CaF₂+28％CaO+21％Al₂O₃+2％MgO+0.2％TiO₂+0.2％ZrO₂。

在本申请的一个实施方案中，所述电渣重熔的渣池厚度为所述电渣重熔连续定向凝固装置中结晶器直径的0.2-1.0倍，优选0.4-0.6倍。

渣池的厚度太大有利于电渣重熔工艺稳定进行，但是耗电量大；渣池的厚度太小会使电渣重熔工艺波动大，工艺不稳定，将渣池厚度调整为结晶器直径的0.2-1.0倍，能够兼顾冶炼经济性和铸锭质量。

在一个实施方案中，所述电渣重熔的熔炼速度在0.4-4kg/min范围内，例如0.4-3kg/min，3-4kg/min，1-2kg/min、2kg/min。

熔炼速度过高会由于热输入过大导致成分偏析增大；熔炼速度过低会造成铸锭表面质量变差，不利于后期的开坯锻造，降低成材率。

在一个实施方案中，步骤(1)中的浇铸温度控制在1400℃-1500℃范围内。

在一个实施方案中，考虑到节能和工艺的稳定性，结晶器直径在120mm-400mm范围内。

在一个实施方案中，自耗电极的直径为电渣重熔连续定向凝固冶炼结晶器直径的0.6-0.7倍。

在一个实施方案中，自耗电极的退火温度为900-1000℃，退火时间为4-6小时。

在本申请的一个实施方案中，所述均匀化热处理的条件包括在1190℃-1220℃温度下保温24-100小时。

在一个实施方案中，所述均匀化热处理包括：使所述铸锭经历以下温度变化过程：在1120℃-1160℃(例如1120℃、1150℃、1160℃)下保温3-6小时(例如3小时、5小时、6小时)，然后在1190℃-1220℃(例如1190℃、1200℃、1220℃)下保温24-100小时(例如24小时、50小时、100小时)。

上述均匀化热处理将铸锭加热至接近熔点的温度，铸锭中的合金元素在高温下扩散，从而消除铸锭中合金元素的微观偏析，达到成分均匀的目的。

在一个实施方案中，所述均匀化热处理具体包括：在温度均匀性为±15℃或更高的条件下，使所述铸锭均匀化退火，并经历以下温度变化过程：从不高于600℃的温度下装炉，在3-4小时内升温至1120℃-1160℃(优选1150℃)并保温3-6小时，然后升温至1190℃-1220℃并保温24-100小时，随后降温至200℃以下并进行空气冷却。

在一个实施方案中，所述锻造开坯的条件包括：锻造温度为1100-1160℃，例如1100℃，1120℃，1140℃，1160℃。

退火温度为1200-1220℃(例如1200℃，1160℃，1220℃)，并保温3-5小时，例如4小时，任选随后降温至1100-1160℃(例如1100℃，1120℃，1140℃，1160℃)并保温4-8小时(例如4小时、5小时、6小时、7小时、8小时)。

在一个实施方案中，锻造温度为1100-1160℃，锻造变形量在20％-50％范围内，得到第一火坯料；随后使所述第一火坯料经历以下温度变化过程：在温度均匀性为±15℃或更高的条件下，升温至1200-1220℃，并保温3-5小时(优选4小时)；在一些实施方案中，随后还在1100-1160℃温度下保温4-8小时。

在一个实施方案中，重复上述锻造开坯，优选重复2-3火次，所得锻坯的总工程变形量达到80％以上，由此可获得组织均匀的锻坯。锻造的总变形量例如可以为81％，82％，85％，87％。

在一个实施方案中，所述模锻成形条件包括：温度在1100-1200℃范围内。

在一个实施方案中，模锻成形的条件包括：在1160-1200℃温度(例如1100℃，1120℃，1140℃，1160℃，1200℃)保温2-6小时。

模锻成形的条件包括：在温度为500-1100℃的模具中进行模锻成型，得到锻件。

在一个实施方案中，模锻成形的条件还包括：所述锻件出模后用厚度为10-15mm的保温棉包裹，并置于空气中冷却至室温。

在一个实施方案中，模锻成形的过程包括：根据产品要求设计制造锻造模具，将模具安装于合适的液压锻造设备上，将模具加热至500-1100℃，选用合适的加热炉将锻坯加热至1160-1200℃并保温2-6小时，随后将锻坯置于模具中模锻成形，得到锻件，将所述锻件出模，并用厚度为10-15mm的保温棉包裹所述锻件，并置于空气中冷却至室温。

在一个实施方案中，所述热处理的条件包括：依次进行固溶热处理制度和时效热处理制度。

在一个实施方案中，所述固溶热处理制度包括：在1180℃-1220℃下保温2-6小时。

在一个实施方案中，所述固溶热处理制度包括：在温度均匀性为±10℃或更高的条件下，升温至1000℃-1150℃并保温2-6小时，接着升温至1180℃-1220℃并保温2-8小时(例如2小时、6小时、8小时)，随后进行空气冷却。

在一个实施方案中，所述时效热处理制度包括：在900℃-950℃的温度下保温2-8小时。

在一个实施方案中，所述时效热处理制度包括：在温度均匀性为±10℃或更高的条件下，从600℃以下的温度升温至900℃-950℃保温2-8小时，随后在空气中冷却。

上述热处理工序使模具材料获得8-10级的晶粒组织和理想的析出相分布，获得良好的力学性能。

本申请的有益效果：

通过采用本申请的方法对K403合金原材料进行处理，所得K403合金模具材料具有优异的高温塑性。特别是，通过本申请的电渣重熔获得K403合金铸锭可以进行锻造处理，在锻造过程中无开裂。铸锭经过锻造、热处理等一系列处理过程中，铸锭中的晶粒尺寸不断得到调整，所得模具材料的晶粒组织更加精细并且更加均一，制备的模具材料中无缩孔现象，具有优异的力学性能，使得由该模具材料制得的制品使用寿命更长。通过本申请的方法获得的K403模具材料的晶粒尺寸在8-10级，在700℃-900℃温度下的断裂强度在800MPa以上，在一些实施方案中可达到1000MPa以上。在700℃-900℃温度下的延伸率在6％以上，在一些实施方案中可达到13.0以上；在700℃-900℃温度下的断面收缩率在10％以上，在一些实施方案中可达到15.0以上。在700℃-900℃温度下的屈服强度在625MPa以上，在一些实施方案中可达到1020以上。

在一些实施方案中模具材料在900℃的断裂强度可以在825MPa以上，830MPa以上，甚至可以达到840MPa以上、845MPa以上。

在一些实施方案中模具材料在750℃的断裂强度可以在达到1130Mpa以上、1140MPa以上、1150Mpa以上。

在一些实施方案中模具材料在可900℃的延伸率在11.5％以上，甚至可以达到12％以上、12.5％以上、13.0％以上。

在一些实施方案中模具材料在可750℃的延伸率在6.0％以上，甚至可以达到6.5％以上、7.5％以上。

在一些实施方案中模具材料在可900℃的断面收缩率在14.0％以上，甚至可以达到15.0％以上、15.5％以上。

在一些实施方案中模具材料在可750℃的断面收缩率在11.0％以上，甚至可以达到11.5％以上。

在一些实施方案中模具材料在可900℃的屈服强度在625MPa以上，甚至可以达到630MPa以上、635MPa以上。

在一些实施方案中模具材料在可750℃的屈服强度在1010MPa以上，甚至可以达到1020MPa以上。

本申请方法获得的模具材料的微观组织为细小的等轴晶，晶粒尺寸为100μm以下，强化相分布均匀细小。

附图说明

图1是本申请提高K403合金塑性的方法流程图；

图2是本申请实施例1获得的K403模具材料的扫描电镜微观组织；

图3是现有技术中铸造K403模具材料的扫描电镜微观组织。

具体实施方案

在以下实施例中，K403原材料为按成分表称取的新料或成分满足成分要求的返回料；采用ALD公司VIDP400型真空感应熔炼冶炼制备自耗电极；电渣重熔连续定向凝固设备得自北京钢研高纳科技股份有限公司；

K403合金的成分范围(按重量百分比)为：C:0.11-0.18；Cr:10.00-12.00；Co：4.5W:4.80-5.50；Mo:3.80-4.50；Al:5.30-5.90；Ti:2.30-2.90；Ce:0.010；B:0.012-0.022；Zr:0.030-0.080；Ni:余量。

本申请实施例的提高K403合金塑性的方法流程图如图1所示，包括：

制备自耗电极：将K403原材料装入真空感应炉进行冶炼，冶炼结束后调整设备功率使钢水温度控制在1400-1500℃，然后将钢水浇铸到钢锭模中制备

自耗电极。将自耗电极在模具中取出后放入炉温不高于600℃的炉子中随炉升温至950℃退火并保温4小时，随炉降温至200℃以下出炉空冷。

电渣重熔工序

采用电渣重熔连续定向凝固设备制备定向凝固铸锭，结晶器直径为124mm，选定渣系和熔炼速度，制得

的铸锭；

均匀化热处理工序

铸锭采用温度均匀性为±15℃或更高的燃气炉中均匀化退火，装炉温度不高于600℃，3-4小时升温至1120℃-1160℃(优选1150℃)保温3-6小时，然后升温至(1190-1220)℃×保温(24-100)小时，随炉降温至200℃以下出炉，空气冷却。

锻造开坯工序

铸锭锻造开坯制备锻坯，锻造温度为1100-1160℃，变形量20％-50％，锻造后将坯料直接放入温度不高于600℃，炉温均匀性为±15℃或更高炉子中，随炉升温至1200-1220℃保温4小时，保温结束后温度降至1100-1160℃保温4-8小时，出炉进行第二次锻造，该过程重复2-3火次，得到锻坯，总工程变形量超过80％。

模锻成形工序

将模具安装于合适的液压锻造设备上，加热模具至500-1100℃，将锻坯在加热炉中加热至1100-1200℃保温2-6小时，随后将锻坯置于模具中模锻成形，锻件出模后用厚度为10-15mm的保温棉包裹起来置于空气中冷却至室温。铸锭镦锻开坯，锻造至

机加工至

得到锻件。

热处理工序

将锻件放入炉温均匀性为±10℃或更高的炉子中，入炉温度不高于600℃，随炉升温至1000℃-1150℃保温(2-6)小时，随炉升温至1180℃-1220℃保温(2-6)小时，将锻件在炉子中取出放置于空冷台上进行空冷。

将固溶后的锻件放入均匀性为±10℃或更高的炉子中，入炉温度不高于600℃，随炉升温至900℃-950℃保温2-8小时，将锻件在炉子中取出放置于空冷台上进行空冷，经机加工，得到K403模具材料。

实施例

本申请的实施例的提高K403合金塑性的方法的具体条件如表1所示。

表1

对比例

本申请对比例为采用铸造方法获得的K403模具材料，铸造K403模具材料参见《中国高温合金手册》下卷，2012年7月第一版，中国质检出版社，中国标准出版社。

性能测试

将实施例1-5的方法获得的K403模具材料以及对比例的铸造K403模具材料分别进行力学性能测试。在实施例1-5的K403模具材料中分别取试样1-5，铸造K403模具材料作为对照试样，对6个试样分别测试750℃和900℃下的力学性能。拉伸性能的测试标准为：GB/T4338-2006。测试结果请见表2。

表2

注：σ_b表示断裂强度，σ_0.2表示屈服强度；δ表示延伸率；Ψ表示断面收缩率

表2示出，试样1-5在700℃-900℃温度下的断裂强度在800MPa以上，最高可达1150MPa以上；在700℃-900℃温度下的延伸率在6％以上，最高可达12.5％；在700℃-900℃温度下的断面收缩率在10％以上，最高可达到15.5％以上。相比之下，对照试样在750℃下的断裂强度为935MPa，在900℃下的断裂强度为835MPa；在750℃和900℃下的屈服强度不可检测；延伸率和断面收缩率远远劣于试样1-5。

图2是实施例1中试样1的扫描电镜图，示出了试样1的微观组织；图3是对照例中对照试样的扫描电镜图，示出了对照试样的微观组织。从图2和图3可以看出，试样1的微观组织为细小的等轴晶，晶粒尺寸100μm，强化相分布均匀细小；对照试样的微观组织为粗大的等轴晶，晶粒尺寸可达到10mm；两个试样进行对照，试样1组织更加均匀细小，因此可以获得较高的塑性和抗疲劳能力。

本具体实施方案的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种提高K403合金塑性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将K403合金原材料依次经历真空感应熔炼、浇铸和退火，得到自耗电极；

（2）利用所述自耗电极，进行电渣重熔连续定向凝固冶炼，得到铸锭，其中，按重量计，渣系包含：48%-52% CaF₂，25%-30% CaO，19%-23% Al₂O₃，2%-5% MgO，0.1%-0.3% TiO₂，0.1%-0.3% ZrO₂；所述电渣重熔的熔炼速度为0.4-4kg/min；

（3）对铸锭依次进行均匀化热处理、锻造开坯、模锻成形和热处理；所述热处理的条件包括固溶热处理制度和时效热处理制度，所述固溶热处理制度包括：在1180℃-1220℃下保温2-6小时；所述时效热处理制度包括：在900℃-950℃的温度下保温2-8小时；

（4）900℃的延伸率在11.5%以上，断面收缩率在14.0%以上。

2.根据权利要求1所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，按重量计，所述渣系包含：49%-51% CaF₂，27%-29% CaO，20%-22% Al₂O₃，2%-4% MgO，0.1%-0.3% TiO₂，0.1%-0.3%ZrO₂。

3.根据权利要求1所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，按重量计，所述渣系包含：(51%-52%)CaF₂+(29%-30%)CaO+(22%-23%)Al₂O₃+(4%-5%)MgO+(0.3%)TiO₂+(0.3%)ZrO₂。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述电渣重熔的熔炼速度为3-4kg/min。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述均匀化热处理的条件包括在1190℃-1220℃温度下保温24-100小时。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述均匀化热处理的条件包括在1120℃-1160℃下保温3-6小时，随后在1190℃-1220℃下保温24-100小时。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述锻造开坯的条件包括：锻造温度为1100-1160℃，退火温度为1200-1220℃，并保温3-5小时。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述锻造开坯的条件包括：锻造温度为1100-1160℃，退火温度为1200-1220℃，并保温4小时。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述锻造开坯的条件包括：锻造温度为1100-1160℃，退火温度为1200-1220℃，并保温4小时，随后降温至1100-1160℃并保温4-8小时。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述模锻成形的条件包括：温度在1100-1200℃范围内。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述模锻成形的条件包括：在1160-1200℃温度保温2-6小时。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的提高K403合金塑性的方法，其特征在于，所述固溶热处理制度包括：在1000℃-1150℃保温2-6小时，接着升温至1180℃-1220℃并保温2-8小时。

13.一种模具材料，其特征在于，通过权利要求1-12中任一项所述的提高K403合金塑性的方法制得。

14.一种制品，其特征在于，采用权利要求13所述的模具材料制得。

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