CN112853065A

CN112853065A - 一种工模具钢热处理方法

Info

Publication number: CN112853065A
Application number: CN202110011559.4A
Authority: CN
Inventors: 周雪峰; 李昱霖; 夏晟; 涂益友; 方峰; 蒋建清
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: CN112853065B

Abstract

本发明公开了一种工模具钢热处理方法，包括如下步骤：将工模具钢加热到1150～1200℃保温后急冷至室温，进行一次碳化物固溶；将一次固溶所得工模具钢在850～950℃的高温段和600～700℃的中温段循环加热和冷却；将循环热处理后的工模具钢加热至950～1050℃、保温后急冷到室温，进行二次碳化物固溶；将二次固溶工模具钢加热到250～350℃保温后空冷，使奥氏体稳定化；将稳定化处理后的工模具钢加热到525～575℃回火处理。本发明的热处理方通过上述多个关联步骤共同作用，最终同时实现了工模具钢高硬度和良好的韧性，满足了高端工模具产品的硬度‑韧性匹配要求。

Description

一种工模具钢热处理方法

技术领域

本发明涉及一种工模具钢热处理方法，具体涉及一种能够细化工模具钢组织、提高工模具钢硬度和韧性配合的工模具钢热处理方法。

背景技术

工模具钢(高速钢和模具钢)因具有高硬度、高耐磨性等优点，主要用于制造复杂切削工具、精密模具等，是高端装备制造业的重要基础材料。随着工模具大型化和精密化，对工模具材料硬度和韧性提出了日益严格的要求。通过高碳高合金的成分设计，工模具钢中形成大量合金碳化物，提高工模具钢的硬度。然而，硬质碳化物导致承载过程中裂纹容易萌生、扩展，对材料韧性产生不利影响。如何提高工模具钢硬度和韧性配合，是制备高性能工模具钢的技术难题之一。

研究者采用精炼工艺，净化钢液，减少钢液中氧含量，降低脆性的非金属夹杂物含量，提升工模具钢韧性。淬回火是工模具钢常用的热处理工艺：淬火过程中，碳化物大量溶解进入奥氏体，获得高饱和度高硬度马氏体；回火时，与基体共格的纳米级碳化物大量脱溶，产生二次硬化现象，材料硬度再次提升。为缓解工模具钢的淬火脆性，淬火后通常需要进行2～3次回火。上述淬回火工艺能够提升工模具钢硬度。然而，由于淬火温度过高(通常1100℃以上)，马氏体晶粒粗化明显，导致工模具钢韧性劣化。对于严苛环境下服役的工具和模具，如较大冲击载荷条件下，上述处理后的材料硬度和韧性匹配仍然难以满足要求。

发明内容

发明目的：针对现有热处理工艺处理后的工模具钢韧性不足、硬度-韧性匹配不佳的问题，本发明提供一种工模具钢热处理方法。

技术方案：本发明所述的一种工模具钢热处理方法，包括如下步骤：

1)一次碳化物固溶：将工模具钢加热到1150～1200℃保温后急冷至室温；

2)循环热处理：将步骤1)所得工模具钢在850～950℃的高温段和600～700℃的中温段循环加热和冷却；

3)二次碳化物固溶：将循环热处理后的工模具钢加热至950～1050℃保温后急冷到室温；

4)稳定化处理：将步骤3)所得工模具钢加热到250～350℃保温后空冷，使奥氏体稳定化；

5)回火：将稳定化处理后的工模具钢加热到525～575℃回火处理。

步骤1)中，一次碳化物固溶的保温时间优选为20～40min。

优选的，步骤2)中，每次热处理时，先加热到850～950℃保温15～30min后急冷到室温，而后加热到600～700℃保温15～30min后急冷至室温。进一步的，循环热处理的次数不少于3次。

步骤3)中，二次碳化物固溶的保温时间优选为30～60min。

步骤4)中，奥氏体稳定化处理的保温时间优选为2～15min。

步骤5)中，较优的，回火处理的次数为2～3次，每次1.5～2h。

发明原理：本发明通过各步骤之间相互关联、共同作用实现了细化工模具钢组织、提高工模具钢硬度与韧塑性匹配的效果，各步骤的作用具体如下：

一次碳化物固溶处理：本发明通过1150℃～1200℃一次碳化物固溶处理，利用高温促使钢中由共晶反应形成的一次碳化物大量溶解，使基体中碳元素和合金元素含量升高，提高马氏体固溶度，为后续回火过程纳米级碳化物脱溶做好必要的元素储备，有利于提高工模具钢回火硬度。但是，一次碳化物固溶处理由于采用较高的固溶温度，会产生两个问题：一，晶粒明显粗化，对韧性不利；二，高温扩散使微区合金元素均匀化、合金元素团簇消除，碳化物潜在形核位置减少，导致碳化物析出需要更大的成分起伏，不利于回火过程碳化物大量析出。

循环热处理：通过850～950℃高温段和600～700℃中温段反复加热和冷却，解决了一次碳化物高温固溶处理产生的问题：一方面，使组织中循环发生奥氏体

马氏体可逆相变，利用循环相变过程中晶界往复迁移以及合金元素在晶界或相界附近的偏聚，细化晶粒尺寸；另一方面，循环相变会提升基体中微区元素的不均匀度，大大降低了碳化物析出所需的成分起伏条件，诱发弥散析出大量尺寸细小的纳米级或亚微米级碳化物，从而为后续二次碳化物固溶处理提供铁素体细小、碳化物弥散的良好初始组织。

二次碳化物固溶：二次碳化物固溶温度控制在950～1050℃，不能采用更高的固溶温度；本步骤的作用主要包括：一，使循环热处理后析出的纳米级或亚微米级二次碳化物重新回溶，使微区形成大量纳米级元素团簇区域，为回火过程碳化物析出提供大量的潜在形核位置，有利于提高回火碳化物析出数量；温度高于1050℃，将导致微区成分均匀化，纳米级团簇消失，不利于碳化物大量析出。二，调控残余奥氏体数量及尺寸，使组织中形成体积分数15～30％、尺寸几十到几百纳米不等的残余奥氏体；温度高于1050℃，会导致奥氏体尺寸明显增大、数量明显增多，降低奥氏体稳定性，对回火奥氏体转变不利，影响工模具钢硬度。三，避免马氏体晶粒重新粗化。

低温稳定化预处理：通常工模具钢在回火之前不会进行任何预处理，以最大程度地提高回火碳化物析出数量和回火硬度，但回火过程中碳化物沿晶界或马氏体板条界析出，导致回火后韧性下降。本发明在二次碳化物固溶后、回火处理前，将工模具钢在250～350℃进行奥氏体稳定化预处理，作用是调控碳元素和合金元素在马氏体、奥氏体中的分配，使马氏体中的碳元素向残余奥氏体中扩散，增加奥氏体碳含量。本步骤主要可实现如下效果：一方面，使奥氏体稳定性增强，利用残余奥氏体改善韧性；另一方面，由于马氏体中碳含量降低，减少了回火过程中沿马氏体板条界面析出的渗碳体数量，对降低回火脆性、提高工模具钢韧性有利。稳定化处理温度需控制在250～350℃，温度过高或过低均不会产生奥氏体稳定化效果：温度过低，不足以使碳原子发生短程扩散，奥氏体碳含量不会升高；而温度过高将导致马氏体中碳元素直接以碳化物形式析出，不会向奥氏体中扩散。

由于上述四个步骤的作用，最后采用525～575℃回火处理，可促进大量纳米级、与基体共格的碳化物析出，显著提升工模具钢硬度，同时硬度和韧性配合得到明显改善。机理如下：1)高硬度：一次碳化物固溶处理提高了马氏体中碳元素和合金元素的过饱和度，而循环热处理及二次碳化物固溶处理使得马氏体中微区合金元素不均匀度提高、合金元素团簇数量增加，两方面因素共同导致回火后马氏体中析出大量弥散、细小、与基体共格的纳米级碳化物，产生强烈的析出强化作用，硬度明显提升。2)良好的韧性：循环热处理使马氏体晶粒细化，晶界数量大幅增加，导致裂纹扩展阻力明显增大；二次碳化物固溶处理控制残余奥氏体数量及尺寸，并在低温稳定化后进一步增强其稳定性；低温稳定化改变碳元素在奥氏体和马氏体中的分布，减少沿马氏体板条界析出的渗碳体数量，避免晶界弱化。由于马氏体晶粒细化、残余奥氏体稳定化、渗碳体沿晶析出减少，共同改善工模具钢韧性。通过上述细晶、残余奥氏体、纳米级团簇、共格碳化物等多种组织设计手段，最终同时实现了工模具钢高硬度和良好的韧性，满足了高端工模具产品的硬度-韧性匹配要求。

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：本发明的热处理方法采用多种手段相互关联、共同作用，可获得晶粒细小、碳化物弥散、均匀分布的工模具钢晶粒组织，提高工模具钢的韧形，使工模具钢具有良好的硬度和韧性匹配。

附图说明

图1为实施例1所得M42钢的晶粒照片；

图2为实施例3所得M2钢的晶粒照片；

图3为实施例1、3、5所得M42钢、M2钢和H13钢的淬回火硬度；

图4为实施例1、3、5所得M42钢、M2钢和H13钢的冲击韧性。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

(1)M42钢加热到1200℃，保温20min后急冷至室温；

(2)M42钢加热到900℃、保温30min后急冷到室温，而后加热到700℃、保温15min后冷至室温；再重复进行上述操作2次；

(3)M42钢重新加热到1000℃、保温60min后急冷；

(4)将M42钢加热到350℃，保温2min后空冷；

(5)将M42钢加热到560℃回火2次，每次2h。

经过上述处理后的M42钢的晶粒照片如图1，可以看到，其平均晶粒尺寸为3.44μm。图3和图4分别给出了该M42钢的硬度及韧性数据，可以看到，采用本发明的热处理方法可以明显提高工模具钢的韧性，使工模具钢具有良好的硬度和韧性匹配。

实施例2

(1)M42钢加热到1150℃，保温40min后急冷至室温；

(2)M42钢加热到950℃、保温20min后急冷到室温，而后加热到600℃、保温30min后冷至室温；再重复进行上述操作2次；

(3)M42钢重新加热到1050℃、保温30min后急冷；

(4)将M42钢加热到250℃，保温15min后空冷；

(5)将M42钢加热到570℃回火2次，每次1.5h。

经过本实施例上述处理后的M42钢的平均晶粒尺寸小于4μm；且该M42钢的淬回火硬度及冲击韧性与实施例1中相近，也获得了良好的硬度和韧性匹配。

实施例3

(1)M2钢加热到1180℃，保温20min后急冷至室温；

(2)M2钢加热到950℃、保温15min后急冷到室温，而后加热到650℃、保温20min后冷至室温；再重复进行上述操作2次；

(3)M2钢重新加热到1050℃、保温40min后急冷；

(4)将M2钢加热到300℃，保温10min后空冷；

(5)M2钢加热到550℃回火3次，每次1.5h。

经过上述处理后的M2钢的晶粒照片如图2，其平均晶粒尺寸为3.52μm。本实施例处理后的M2钢的硬度及韧性数据如图3和图4，可以看到，采用本发明的方法处理后的M2钢具有良好的硬度和韧性匹配。

实施例4

(1)M2钢加热到1170℃，保温40min后急冷至室温；

(2)M2钢加热到920℃、保温30min后急冷到室温，而后加热到670℃、保温15min后冷至室温；再重复进行上述操作2次；

(3)M2钢重新加热到1030℃、保温40min后急冷；

(4)将M2钢加热到250℃，保温12min后空冷；

(5)M2钢加热到560℃回火3次，每次1.5h。

经过本实施例上述处理后的M2钢的平均晶粒尺寸小于4μm；且该M2钢的淬回火硬度及冲击韧性与实施例3中相近，获得了良好的硬度和韧性匹配。

实施例5

(1)H13钢加热到1150℃，保温20min后急冷至室温；

(2)H13钢加热到850℃、保温30min后急冷，而后加热到700℃、保温20min后冷至室温；再重复进行上述操作2次；

(3)H13钢重新加热到950℃、保温60min后急冷；

(4)将H13钢加热到250℃，保温15min后空冷；

(5)H13钢加热到525℃回火3次，每次2h。

本实施例处理后的H13钢的硬度及韧性数据如图3和图4，可以看到，处理后的H13钢也获得了良好的硬度和韧性匹配。

实施例6

(1)H13钢加热到1160℃，保温20min后急冷至室温；

(2)H13钢加热到900℃、保温30min后急冷，而后加热到650℃、保温20min后冷至室温；再重复进行上述操作2次；

(3)H13钢重新加热到1020℃、保温40min后急冷；

(4)将H13钢加热到300℃，保温10min后空冷；

(5)H13钢加热到550℃回火2次，每次2h。

经过本实施例上述处理后的H13钢的淬回火硬度及冲击韧性与实施例5中相近，获得了良好的硬度和韧性匹配。

Claims

1.一种工模具钢热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的工模具钢热处理方法，其特征在于，步骤1)中，所述一次碳化物固溶的保温时间为20～40min。

3.根据权利要求1所述的工模具钢热处理方法，其特征在于，步骤2)中，每次热处理时，先加热到850～950℃保温15～30min后急冷到室温，而后加热到600～700℃保温15～30min后急冷至室温。

4.根据权利要求1所述的工模具钢热处理方法，其特征在于，步骤2)中，所述循环热处理的次数不少于3次。

5.根据权利要求1所述的工模具钢热处理方法，其特征在于，步骤3)中，所述二次碳化物固溶的保温时间为30～60min。

6.根据权利要求1所述的工模具钢热处理方法，其特征在于，步骤4)中，所述稳定化处理的保温时间为2～15min。

7.根据权利要求1所述的工模具钢热处理方法，其特征在于，步骤5)中，所述回火处理的次数为2～3次，每次1.5～2h。