CN113122684A - 一种提高模具钢sdh13性能的处理方法 - Google Patents

一种提高模具钢sdh13性能的处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及合金热处理技术领域，具体公开一种提高模具钢SDH13性能的处理方法。所述提高模具钢SDH13性能的处理方法包括以下工艺步骤：将浇注得到的SDH13钢锭依次进行高温扩散、镦拔锻造、余热淬火、球化退火、超细化和等温球化处理，得到模具钢SDH13。本发明提供的提高模具钢SDH13性能的处理方法可得到兼具较高的横向无缺口冲击性能和硬度，并具有优良的带状偏析组织和极佳的晶粒度的模具钢SDH13，有效改善了SDH13模具钢的淬透性和淬硬性。

Description

一种提高模具钢SDH13性能的处理方法
技术领域
本发明涉及合金热处理技术领域，尤其涉及一种提高模具钢SDH13性能的处理方法。
背景技术
热作模具钢SDH13是一种含铬、钼、钒的高性能热作模具钢，是在常规H13(4Cr5MoSiV1)的基础上改良而来，具有很好的抗热疲劳龟裂、热冲击开裂、热磨损、塑性变形的性能，这些独特的性能使其成为压铸、热锻、热挤模具钢的最佳选择。热作模具钢SDH13有良好的韧性、延展性和高温强度。由于兼有非常优异的韧性和很好的热强度，使得这种高级热作模具钢有优异的抗热裂纹及抗整体开裂能力，适合高要求的应用领域，如压铸模、热锻、热挤压和锻造领域。它的性能也使其适应于其它应用，如塑料模具和高性能钢板。
热作模具钢的热处理工艺对其组织和性能起着决定性作用。热处理目的就是通过加热和冷却的方法，改变钢的组织，提高硬度和韧性等力学性能。目前该类钢普遍采用的是普通的退火工艺，得到的钢材的退火态组织与国外优良的热作模具钢仍有较大的差距，导致的结果就是平均冲击功达不到理想中的水平，进而造成热作模具钢的使用寿命偏低。此外，SDH13模具钢含有一定的Cr、Mo、V等元素，虽然可以有效提高钢材的淬透性和热强性，但是Cr和Mo元素的存在也容易引起模具钢中的碳化物偏析，影响模具钢材料的晶粒度、退火组织、横向无缺口冲击等性能，降低模具钢的综合使用性能偏低。
发明内容
针对现有模具钢SDH13的热处理工艺存在的上述问题，本发明提供一种提高模具钢SDH13性能的处理方法，使处理后的模具钢SDH13兼具较高的横向无缺口冲击性能和硬度，改善SDH13模具钢的淬透性和淬硬性，具有优良的带状偏析组织和极佳的晶粒度。
为达到上述发明目的，本发明实施例采用了如下的技术方案：
一种提高模具钢SDH13性能的处理方法，包括以下工艺步骤：
a、将浇注得到的SDH13钢锭加入高温扩散炉中，以90-110℃/h的升温速率升温至1220-1280℃，保温28-32h，再随炉冷却至1180-1200℃，保温1-3h，出炉得到锻件；
b、将所述锻件进行2-3次镦拔锻造，得到锻造成品；
c、控制所述锻造成品的温度≥850℃，加入水中进行余热淬火，并控制淬火完成后得到的坯料的温度在400-500℃范围内；
d、将所述坯料加热至700-750℃进行球化退火，冷却后得到球化退火态模具钢；
e、将所述球化退火态模具钢以80-120℃/h的升温速率升温至1000-1050℃保温3-5h，再水冷至200-300℃，得到超细化模具钢；
f、将所述超细化模具钢以80-120℃的升温速率升温至840-880℃保温22-28h，冷却得到模具钢SDH13。
相对于现有技术，本发明提供的提高模具钢SDH13性能的处理方法通过设置特定的SDH13钢锭高温扩散及降温过程，可以显著减轻SDH13的成分偏析程度，使钢锭组织趋于均匀，利于得到优良的带状偏析组织模具钢。经过上述高温扩散处理后的SDH13钢锭再进行2-3次镦拔锻造过程，可以有效修复上述高温扩散过程结束后锻件中可能出现的内部缺陷，进一步提高锻件的组织均匀性。通过镦拔锻造后得到的锻造成品再依次进行特定的余热淬火、球化退火、超细化处理和等温球化处理的热处理工序，可以得到兼具较高的横向无缺口冲击性能和硬度以及优良的带状偏析组织和极佳的晶粒度的优质模具钢SDH13。其中，通过控制所述余热淬火终点坯料的上述温度范围，可以避免淬火过程中产生淬火裂纹。但锻造成品经过上述余热淬火后会出现不稳定的马氏体组织，且余热淬火后的组织大部分碳化物来不及析出，影响后续的热处理过程和模具钢的最终使用性能。而余热淬火后再经过上述特定的球化退火过程，可改变形成的不稳定的马氏体组织，同时消除锻造过程中产生的加工应力，并使晶界外的碳化物开始球化，显著提高组织的韧性和冲击性能。通过上述特定的超细化处理升温速率和处理温度，可以使模具钢内部出现的马氏体+贝氏体+珠光体的混合组织重新回溶，冷却后可以获得单一组织，并避免混晶的出现，得到均匀细小的马氏体组织，改善SDH13模具钢的淬透性和淬硬性，也利于弥散和细小的碳化物在后续的热处理过程中再析出，有效改善模具钢的抗热疲劳性和回火稳定性。经过所述超细化处理后的模具钢再经过后续特定的升温速率升温至840-880℃进行等温球化处理，可以获得兼具较高的横向无缺口冲击性能和硬度，并具有优良的带状偏析组织和极佳的晶粒度的优质模具钢SDH13。
优选的，步骤a中，所述SDH13钢锭的化学元素组成，按质量百分比包括C：0.35％-0.4％，Si：0.1％-0.4％，Mn：0.3％-0.6％，P≤0.01％，S≤0.002％，Cr：4.8％-5.25％，Mo：1.4％-1.7％，V：0.4％-0.7％，Ni≤0.2％，Cu≤0.05％和余量的Fe。
优选的，步骤a中，将所述高温扩散炉预热至550-650℃后再加入所述SDH13钢锭。
将所述高温扩散炉预热至550-650℃后再加入所述SDH13钢锭可以进一步避免在高温扩散处理过程中钢锭内部偶尔出现的组织缺陷和不均匀的现象。
优选的，步骤a中，所述SDH13钢锭为20寸SDH13钢锭。
优选的，步骤b中，每次所述镦拔锻造的镦粗比为2-2.2。
上述镦拔锻造过程中镦粗比的设计可以显著修复锻件中可能出现的孔隙性缺陷，并可有效改变锻件中的夹杂物的形态，防治锻件在后续处理过程中出现夹杂性裂纹缺陷。
优选的，步骤d中，所述球化退火的方法为：将所述坯料加热至700-750℃后保温12-18h。
上述特定温度下的球化退火保温处理时间，可以进一步保证碳化物的充分球化。
优选的，步骤d中，所述冷却的方法为：将球化退火后的所述坯料以28-32℃/h的速率降温至300℃以下，再空冷至20-30℃。
上述特定的降温速率和降温过程，可以进一步提高模具钢组织的冲击性能。
优选的，步骤e中，所述水冷的过程包括至少两次淬火；第一次淬火的时间为10-12min，所述第一次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第二次淬火；所述第二次淬火的时间为5-10min，所述第二次淬火完成后取出模具钢，待其温度降至200-300℃时，完成所述水冷的过程。
上述水冷过程可以有效避免超细化处理后的材料出现应力裂纹。
优选的，步骤e中，所述水冷的过程包括三次淬火；第一次淬火的时间为10-12min，所述第一次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第二次淬火；所述第二次淬火的时间为5-10min，所述第二次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第三次淬火；所述第三次淬火的时间为2-4min，所述第三次淬火完成后取出模具钢，待其温度降至200-300℃时，完成所述水冷的过程。
优选的，步骤f中，所述冷却的方法为：先以18-22℃/h的速度冷却至700-750℃，再以28-32℃/h的速度冷却至450-500℃，然后空冷至20-30℃。
附图说明
图1是本发明实施例1对得到的模具钢SDH13进行显微观察得到的带状偏析组织图；
图2是本发明实施例1对得到的模具钢SDH13进行显微观察得到的显微化组织图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种提高模具钢SDH13性能的处理方法，包括以下工艺步骤：
a、将经过电炉浇注得到的20寸的SDH13钢锭加入预热至600℃的高温扩散炉中，以100℃/h的升温速率升温至1220℃，并在1220℃下保温32h，然后随炉冷却至1200℃，并在1200℃下保温2h，出炉得到锻件；所述SDH13钢锭的化学元素组成，按质量百分比包括C：0.38％，Si：0.3％，Mn：0.4％，P：0.01％，S：0.001％，Cr：5％，Mo：1.5％，V：0.6％，Ni：0.1％，Cu：0.04％和余量的Fe。
b、将得到的锻件进行2次镦拔锻造，每次镦拔锻造的镦粗比为2，得到锻造成品，其规格为φ200mm的棒材；
c、控制所述锻造成品的温度在850℃以上，将其加入水中进行余热淬火，入水时间为2min，取出后得到的坯料的温度为455℃；
d、将所述坯料加入提前预热至720℃的退火炉中保温15h，再以30℃/h的速率降温至300℃，然后取出坯料空冷至25℃，得到球化退火态模具钢；
e、将所述球化退火态模具钢加入预热至300℃的加热炉中，以100℃/h的升温速率升温至1030℃保温4h，再取出加入水中进行两次淬火，第一次淬火的时间为11min，所述第一次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第二次淬火；所述第二次淬火的时间为8min，所述第二次淬火完成后取出模具钢，待其温度降至250℃时，完成所述水冷的过程，得到超细化模具钢；
f、将所述超细化模具钢立即装入退火炉中，以100℃的升温速率升温至860℃，并在该温度下保温25h，之后先以20℃/h的速度冷却至730℃，再以30℃/h的速度冷却至500℃，然后空冷至25℃，得到模具钢SDH13。
对上述处理后得到的模具钢SDH13的显微组织进行观察，观察到的带状偏析组织图如图1所示(按照SEP 1614标准在SB2)，观察到的显微化组织图如图2所示(按照NADCA#207标准在AS3)。
按照标准GB/T 6394标准评级，上述模具钢SDH13为8.0级，晶粒度较传统的热处理方法提升1级。探伤满足标准GB/T 6402 4级标准。
模具钢SDH13的横向无缺口冲击性能提高约20％，具体如表1所示。
表1
项目 横向无缺口冲击/J 对应的试样硬度/HRC
实施例1得到的模具钢 388、396、394 46.7
实施例2
一种提高模具钢SDH13性能的处理方法，包括以下工艺步骤：
a、将经过电炉浇注得到的20寸的SDH13钢锭加入预热至550℃的高温扩散炉中，以90℃/h的升温速率升温至1250℃，并在1250℃下保温30h，然后随炉冷却至1180℃，并在1180℃下保温3h，出炉得到锻件；所述SDH13钢锭的化学元素组成，按质量百分比包括C：0.35％，Si：0.1％，Mn：0.3％，P：0.008％，S：0.002％，Cr：4.8％，Mo：1.4％，V：0.4％，Ni：0.2％，Cu：0.042％和余量的Fe。
b、将得到的锻件进行2次镦拔锻造，每次镦拔锻造的镦粗比为2.1，得到锻造成品，其规格为φ200mm的棒材；
c、控制所述锻造成品的温度为900℃，将其加入水中进行余热淬火，入水时间为1.5min，取出后得到的坯料的温度为500℃；
d、将所述坯料加入提前预热至700℃的退火炉中保温18h，再以28℃/h的速率降温至250℃，然后取出坯料空冷至20℃，得到球化退火态模具钢；
e、将所述球化退火态模具钢加入预热至300℃的加热炉中，以80℃/h的升温速率升温至1000℃保温5h，再取出加入水中进行三次淬火，第一次淬火的时间为10min，所述第一次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第二次淬火；所述第二次淬火的时间为5min，所述第二次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第三次淬火；所述第三次淬火的时间为2min，所述第三次淬火完成后取出模具钢，待其温度降至300℃时，完成所述水冷的过程，得到超细化模具钢；
f、将所述超细化模具钢立即装入退火炉中，以80℃的升温速率升温至840℃，并在该温度下保温28h，之后先以18℃/h的速度冷却至700℃，再以28℃/h的速度冷却至450℃，然后空冷至20℃，得到模具钢SDH13。
对上述处理后得到的模具钢SDH13的显微组织进行观察，其带状偏析组织图按照SEP 1614标准在SB1，其显微化组织图按照NADCA#207标准在AS1。
按照标准GB/T 6394标准评级，上述模具钢SDH13为7.8级。探伤满足标准GB/T6402 4级标准。
模具钢SDH13的横向无缺口冲击性能和硬度如表2所示。
表2
项目 横向无缺口冲击/J 对应的试样硬度/HRC
实施例2得到的模具钢 412、402、409 46.4
实施例3
一种提高模具钢SDH13性能的处理方法，包括以下工艺步骤：
a、将经过电炉浇注得到的20寸的SDH13钢锭加入预热至650℃的高温扩散炉中，以110℃/h的升温速率升温至1280℃，并在1280℃下保温28h，然后随炉冷却至1200℃，并在1200℃下保温1h，出炉得到锻件；所述SDH13钢锭的化学元素组成，按质量百分比包括C：0.4％，Si：0.4％，Mn：0.6％，P：0.009％，S：0.0015％，Cr：5.25％，Mo：1.7％，V：0.7％，Ni：0.17％，Cu：0.05％和余量的Fe。
b、将得到的锻件进行3次镦拔锻造，每次镦拔锻造的镦粗比为2.2，得到锻造成品，其规格为φ200mm的棒材；
c、控制所述锻造成品的温度为910℃，将其加入水中进行余热淬火，入水时间为3min，取出后得到的坯料的温度为400℃；
d、将所述坯料加入提前预热至750℃的退火炉中保温12h，再以32℃/h的速率降温至290℃，然后取出坯料空冷至30℃，得到球化退火态模具钢；
e、将所述球化退火态模具钢加入预热至300℃的加热炉中，以120℃/h的升温速率升温至1050℃保温3h，再取出加入水中进行三次淬火，第一次淬火的时间为12min，所述第一次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第二次淬火；所述第二次淬火的时间为10min，所述第二次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第三次淬火；所述第三次淬火的时间为4min，所述第三次淬火完成后取出模具钢，待其温度降至200℃时，完成所述水冷的过程，得到超细化模具钢；
f、将所述超细化模具钢立即装入退火炉中，以120℃的升温速率升温至880℃，并在该温度下保温22h，之后先以22℃/h的速度冷却至750℃，再以32℃/h的速度冷却至500℃，然后空冷至30℃，得到模具钢SDH13。
对上述处理后得到的模具钢SDH13的显微组织进行观察，其带状偏析组织图按照SEP 1614标准在SB3，其显微化组织图按照NADCA#207标准在AS2。
按照标准GB/T 6394标准评级，上述模具钢SDH13为8.0级。探伤满足标准GB/T6402 4级标准。
模具钢SDH13的横向无缺口冲击性能和硬度如表3所示。
表3
项目 横向无缺口冲击/J 对应的试样硬度/HRC
实施例3得到的模具钢 428、413、419 46.8
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：包括以下工艺步骤：
a、将浇注得到的SDH13钢锭加入高温扩散炉中，以90-110℃/h的升温速率升温至1220-1280℃，保温28-32h，再随炉冷却至1180-1200℃，保温1-3h，出炉得到锻件；
b、将所述锻件进行2-3次镦拔锻造，得到锻造成品；
c、控制所述锻造成品的温度≥850℃，加入水中进行余热淬火，并控制淬火完成后得到的坯料的温度在400-500℃范围内；
d、将所述坯料加热至700-750℃进行球化退火，冷却后得到球化退火态模具钢；
e、将所述球化退火态模具钢以80-120℃/h的升温速率升温至1000-1050℃保温3-5h，再水冷至200-300℃，得到超细化模具钢；
f、将所述超细化模具钢以80-120℃的升温速率升温至840-880℃保温22-28h，冷却得到模具钢SDH13。
2.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤a中，所述SDH13钢锭的化学元素组成，按质量百分比包括C：0.35％-0.4％，Si：0.1％-0.4％，Mn：0.3％-0.6％，P≤0.01％，S≤0.002％，Cr：4.8％-5.25％，Mo：1.4％-1.7％，V：0.4％-0.7％，Ni≤0.2％，Cu≤0.05％和余量的Fe。
3.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤a中，将所述高温扩散炉预热至550-650℃后再加入所述SDH13钢锭。
4.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤a中，所述SDH13钢锭为20寸SDH13钢锭。
5.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤b中，每次所述镦拔锻造的镦粗比为2-2.2。
6.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤d中，所述球化退火的方法为：将所述坯料加热至700-750℃后保温12-18h。
7.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤d中，所述冷却的方法为：将球化退火后的所述坯料以28-32℃/h的速率降温至300℃以下，再空冷至20-30℃。
8.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤e中，所述水冷的过程包括至少两次淬火；第一次淬火的时间为10-12min，所述第一次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第二次淬火；所述第二次淬火的时间为5-10min。
9.如权利要求8所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤e中，所述水冷的过程包括三次淬火；第一次淬火的时间为10-12min，所述第一次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第二次淬火；所述第二次淬火的时间为5-10min，所述第二次淬火完成后取出模具钢，待其内外温度一致时进行第三次淬火；所述第三次淬火的时间为2-4min。
10.如权利要求1所述的提高模具钢SDH13性能的处理方法，其特征在于：步骤f中，所述冷却的方法为：先以18-22℃/h的速度冷却至700-750℃，再以28-32℃/h的速度冷却至450-500℃，然后空冷至20-30℃。
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