CN113293269A - 一种h13模具钢的两级均匀化处理工艺 - Google Patents

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Abstract

一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，属于材料技术领域，具体包括：H13模具钢铸造完成后，先经720‑820℃/1‑3h均匀化工艺进行一级均匀化处理，随后经1150‑1230℃/1‑3h均匀化工艺进行二级均匀化处理，总保温时间为2‑6h。采用两级均匀化处理的方式，减少或消除铸态H13钢的合金元素偏析和共晶碳化物，提高合金组织的均匀性，并得到细小的晶粒组织。本工艺具有操作简便、适用性广、降低实际工艺成本等优点。

Description

一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺
技术领域
本发明属于材料技术领域，具体涉及一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺。
背景技术
铸态H13模具钢普遍存在枝晶偏析现象，其上含有大量的铬、钼、钒等合金元素。枝晶偏析对H13钢的力学性能造成一定的损害，影响其使用性能。在传统的工业生产中，常用的方法是利用高温均匀化处理来加速合金元素的扩散过程，将H13铸锭置于Ac3以上温度中长时间保温，使枝晶间偏析元素充分扩散。常规均匀化也称为一级均匀化，由于均匀化过程需要高温长时间处理，造成工艺成本高，同时引起晶粒粗大现象。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺。所有原子在α-Fe BCC中的扩散系数都比γ-Fe FCC中的大。同时试样在Ac1以下α-Fe相区保温时，凝固组织中的过饱和马氏体开始分解为片状铁素体和粒状碳化物。随着保温时间的延长，分解的马氏体体积分数逐渐增加，片状铁素体尺寸逐渐减小，粒状碳化物均匀地分布在铁素体上，直接增大了组织中的相界面面积和晶界面积，相界面面积和晶界面积的增加为形成细小均匀的奥氏体晶核以及合金元素的扩散提供了有力条件。采用低温和高温均匀化相结合的方式，实现更好的均匀化效果，获得常规均匀化工艺无法得到的微观组织。
H13模具钢铸造完成后，先在Ac1以下单相区内，晶体结构为α-Fe BCC时，进行一级均匀化处理，随后在Ac3以上单相区内，晶体结构为γ-Fe FCC时，进行二级均匀化处理。通过两级均匀化处理，消除或减少枝晶偏析和共晶碳化物，提高合金组织的均匀性。所述的H13模具钢，其各组分的质量百分数分别为：C 0.32％-0.42％，Si 0.80％-1.20％，Mn0.20％-0.50％，Cr 4.75％-5.50％，Mo 1.10％-1.75％，V 0.80％-1.20％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe。
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备H13模具钢试样，测量所述模具钢材料的Ac1和Ac3温度；
(2)将步骤(1)制得的模具钢试样放置均热炉中，首先在其Ac1以下α-Fe BCC相区内，进行一级均匀化处理，保温结束后冷却至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢试样放置在均热炉中，在其Ac3以上的γ-FeFCC相区，对试样进行二级均匀化处理，保温结束后冷却至室温。
上述一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其中：
所述步骤(1)中，采用真空感应冶炼的方式冶炼钢水，然后浇铸制成圆柱形的铸锭，其成分按质量百分比含C 0.32％-0.42％，Si 0.80％-1.20％，Mn 0.20％-0.50％，Cr4.75％-5.50％，Mo 1.10％-1.75％，V 0.80％-1.20％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe。
所述步骤(2)中，所述的一级均匀化处理的温度为720-820℃，保温时间为1-3h。
所述步骤(3)中，所述的二级均匀化处理的温度为1150-1230℃，保温时间为1-3h。两级均匀化处理的总保温时长为2-6h。
本发明的特点和有益效果：
本发明设计了一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，利用均热炉使模具钢在不同温度和保温时间条件下进行两级均匀化处理，均匀化处理后水冷至室温。通过两级均匀化处理工艺消除或减少试样内的枝晶偏析和共晶碳化物，实现对H13模具钢材料组织均匀化的目的。进一步的，在一级均匀化处理的温度为720-820℃，保温时间为1-3h，二级均匀化处理的温度为1150-1230℃，保温时间为1-3h，两级均匀化处理的合计保温时长为2-6h的条件下，H13模具钢合金元素Cr的偏析比达到最低值1.09，晶粒尺寸平均值达到最低值165.62μm，显微硬度为705.4HV-771.7HV。
附图说明
图1为本发明实施例1获得的H13钢的微观显微组织；
图2为本发明实施例2获得的H13钢的微观显微组织；
图3为本发明实施例3获得的H13钢的微观显微组织；
图4为本发明对比例1获得的H13钢的微观显微组织。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不限于以下实施例：
实施例1
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.41％，Si1.11％，Mn 0.45％，Cr 5.45％，Mo 1.74％，V 1.15％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行800℃/3h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1200℃/1h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
两级均匀化处理后的H13模具钢试样的微观组织如图1所示。图1(a)所示为枝晶偏析形貌，可以看出经上述均匀化工艺处理后枝晶偏析完全消除，合金元素Cr的偏析比为1.09。图1(b)、(c)分别为奥氏体晶粒和共晶碳化物形貌，晶粒尺寸较为细小，经截线法测量晶粒大小为165.62μm。位于晶界上的共晶碳化物发生了一定的溶解和断裂。试样显微硬度为771.7HV。
实施例2
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.37％，Si1.01％，Mn 0.35％，Cr 5.15％，Mo 1.47％，V 1.01％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行800℃/2h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1200℃/2h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
两级均匀化处理后的H13模具钢试样的微观组织如图2所示。图2(a)所示为枝晶偏析形貌，可以看出经上述均匀化工艺处理后枝晶偏析有所消除，合金元素Cr的偏析比为1.30。图2(b)、(c)分别为奥氏体晶粒和共晶碳化物形貌，晶粒尺寸大小为183.47μm；位于晶界上的共晶碳化物发生断裂和溶解，并且碳化物大多呈短棒状和链状。试样显微硬度为749.7HV。
实施例3
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.33％，Si0.89％，Mn 0.26％，Cr 4.82％，Mo 1.28％，V 0.83％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行800℃/1h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1200℃/3h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
两级均匀化处理后的H13模具钢试样的微观组织如图3所示。图3(a)所示为枝晶偏析形貌，可以看出经上述均匀化工艺处理后合金组织中枝晶偏析密度明显降低，合金元素Cr的偏析比为1.31。图3(b)、(c)分别为奥氏体晶粒和共晶碳化物形貌，未发生晶粒明显长大的现象，晶粒尺寸为236.73μm，位于晶界上的共晶碳化物呈球状。试样显微硬度为720.90HV。
对比例1
本对比例设计单级均匀化处理工艺，所采用的H13模具钢的组分及其质量百分数同实施例2的配方，具体包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.37％，Si1.01％，Mn 0.35％，Cr 5.15％，Mo 1.47％，V 1.01％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭进行1200℃/4h的单级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
经均匀化处理后H13模具钢试样的微观组织如图4所示。图4(a)所示为枝晶偏析形貌，可以看出经上述均匀化工艺处理后合金组织中枝晶偏析基本消除，合金元素Cr的偏析比为1.12。图4(b)、(c)分别为奥氏体晶粒和共晶碳化物形貌，晶粒粗大，晶粒尺寸为375.69μm，位于晶界上的共晶碳化物基本溶解，碳化物尺寸有所降低。与两级均匀化处理工艺800℃/1-3h+1200℃/1-3h相比较，均匀化效果有所降低，并且晶粒尺寸较大。试样显微硬度为701.4HV。
实施例4
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.32％，Si0.80％，Mn 0.20％，Cr 5.50％，Mo 1.75％，V 1.20％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行820℃/2h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1150℃/2h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
H13模具钢试样经上述两级均匀化工艺处理后枝晶偏析基本消除，合金元素Cr的偏析比为1.65。晶粒尺寸较为细小，经截线法测量晶粒大小为279.31μm。共晶碳化物发生了一定的溶解和断裂。试样显微硬度为718.91HV。
实施例5
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.42％，Si1.20％，Mn 0.50％，Cr 4.75％，Mo 1.10％，V 0.80％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行780℃/3h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1230℃/3h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
H13模具钢试样经上述两级均匀化工艺处理后枝晶偏析有所消除，合金元素Cr的偏析比为1.43。晶粒细小，经截线法测量晶粒大小为185.5μm。共晶碳化物发生了一定的溶解。试样显微硬度为740.5HV。
实施例6
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.35％，Si0.95％，Mn 0.36％，Cr 4.88％，Mo 1.35％，V 1.15％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行820℃/1h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1230℃/1h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
H13模具钢试样经上述两级均匀化工艺处理后枝晶偏析较为明显，合金元素Cr的偏析比为1.93。经截线法测量晶粒大小为291.3μm。位于晶界上的共晶碳化物发生了一定的溶解。试样显微硬度为715.8HV。
实施例7
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.40％，Si1.11％，Mn 0.25％，Cr 3.76％，Mo 1.35％，V 0.85％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行750℃/3h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1170℃/2h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
H13模具钢试样经上述两级均匀化工艺处理后枝晶偏析范围较大，合金元素向周围扩散，合金元素Cr的偏析比为1.55。经截线法测量晶粒大小为301.72μm。共晶碳化物大多呈球状。试样显微硬度为710.9HV。
实施例8
一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，具体操作步骤包括：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢，成分为(质量百分比)：C 0.32％，Si1.05％，Mn 0.28％，Cr 4.85％，Mo 1.40％，V 0.95％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe；
(2)将模具钢放入均热炉中，将铸锭先进行750℃/3h的一级均匀化处理，保温结束后水冷至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢放置在均热炉中，进行1210℃/3h的二级均匀化处理，保温结束后水冷至室温。
H13模具钢试样经上述两级均匀化工艺处理后枝晶偏析基本消除，合金元素Cr的偏析比为1.20。由于高温保温时间较长，晶粒尺寸较为粗大，经截线法测量晶粒大小为315.50μm。共晶碳化物发生溶解和断裂。试样显微硬度为705.4HV。

Claims (7)

1.一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备H13模具钢试样，测量所述模具钢材料的Ac1和Ac3温度；
(2)将步骤(1)制得的模具钢试样放置均热炉中，首先在其Ac1以下α-Fe BCC相区内，进行一级均匀化处理，保温结束后冷却至室温；
(3)将一级均匀化处理后的模具钢试样放置在均热炉中，在其Ac3以上的γ-Fe FCC相区，对试样进行二级均匀化处理，保温结束后冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其特征在于，所述步骤(1)中，采用真空感应冶炼的方式冶炼钢水，然后浇铸制成圆柱形的铸锭，其成分按质量百分比含C 0.32％-0.42％，Si 0.80％-1.20％，Mn 0.20％-0.50％，Cr 4.75％-5.50％，Mo1.10％-1.75％，V 0.80％-1.20％，不可避免的杂质含量<0.1％，余量为Fe。
3.根据权利要求1所述的一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其特征在于，所述步骤(2)中，所述的一级均匀化处理的温度为720-820℃，保温时间为1-3h。
4.根据权利要求1所述的一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其特征在于，所述步骤(3)中，所述的二级均匀化处理的温度为1150-1230℃，保温时间为1-3h。
5.根据权利要求1所述的一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其特征在于，所述的一级均匀化处理和二级均匀化处理的合计保温时间为2-6h。
6.根据权利要求1所述的一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其特征在于，经过两级均匀化处理后的H13模具钢合金元素Cr的偏析比达到最低值1.09；晶粒尺寸平均值达到最低值165.62μm。
7.根据权利要求1所述的一种H13模具钢的两级均匀化处理工艺，其特征在于，经过两级均匀化处理后的H13模具钢试样显微硬度为705.4HV-771.7HV。
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