CN114351042B - 一种模具钢及其中碳化物弥散化的预热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模具钢及其中碳化物弥散化的预热处理方法；该模具钢，按质量百分比计，其化学成分组成为：C 0.23～0.45、Si 0.1～0.9、Mn 0.45～0.75、Cr 11.0～14.5、Mo≤0.4、V≤0.4、Ni≤0.6、N≤0.1，余量为Fe。预热处理方法包括：S1.高温固溶；S2.去应力退火；S3.高温正火；S4.球化退火。本申请通过优化合金组成以及合理的预热处理，可以消除模具钢中的带状偏析、明显的网状和链状碳化物，使二次碳化物均匀分布、颗粒细化、球化良好，无明显的δ铁素体和大块碳化物，淬回火后可得到较高的热处理硬度、良好的韧性和耐腐蚀性能。

Description

一种模具钢及其中碳化物弥散化的预热处理方法

技术领域

本发明属于模具钢制造技术领域，具体涉及了一种模具钢及其中碳化物弥散化的预热处理方法。

背景技术

Cr13型模具钢是一种重要的耐蚀型镜面塑料模具钢，热处理后硬度达到50HRC以上，具有优良的抛光性能和较高的抗腐蚀性能，可用于光学仪器、导光板、电子零件等产品部件的生产。由于合金中含有较高的Cr含量和一定含量的C，控制不当时退火组织中会存在网状碳化物、链状碳化物，且碳化物分布不均、球化不良，给热处理后的硬度均匀性、抛光性及耐蚀性等带来不利影响，并恶化模具钢的塑韧性，可能导致模具使用过程中开裂现象发生。

国内优质模具钢生产工艺通常为电弧炉(或转炉或中频炉)冶炼→LF→VD→模铸(或连铸)→电渣重熔→锻造(或轧制)→退火，前端冶炼工序为模具钢纯净度和夹杂物控制提供了良好的条件，锻造(或轧制)退火后的组织主要为合金二次碳化物，在锻造退火时由于控制不当易产生碳化物偏析、网状碳化物和链状碳化物，对模具钢的产品质量产生重要影响，并最终影响到模具的使用。

因此本申请在原有冶炼和锻造(或轧制)工艺基础上，优化合金组成并优化预热处理工艺，使生产制造的模具钢组织均匀细化，与现有常规工艺相比经热处理后模具钢的硬度有所提升，并使模具钢具有更佳的抛光性能、韧性和耐蚀性，提高模具钢的综合使用性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种模具钢以及其中碳化物弥散化的预热处理方法，解决了Cr13型模具钢退火组织中网状碳化物、链状碳化物、碳化物球化不良、碳化物偏析和碳化物粗大等问题，提高了模具钢的淬火硬度和硬度均匀性，改善了模具钢的抛光性和耐蚀性，提高Cr13型模具钢的综合性能。

本发明的目的是以下述技术方案实现的：

一种模具钢，按质量百分比计，其化学成分组成为：C 0.23～0.45、Si 0.1～0.9、Mn 0.45～0.75、Cr 11.0～14.5、Mo≤0.4、V≤0.4、Ni≤0.6、N≤0.1，余量为Fe。

优选的，所述模具钢中Cr和Ni含量符合Schaeffler组织图无铁素体的范围要求。

如上所述的模具钢中碳化物弥散化的预热处理方法，包括以下步骤：

S1.高温固溶：将锻造后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～5h，保温结束后以≤120℃/h升温至800～900℃保温3～5h，保温结束后以200～300℃/h升温至1050～1110℃之间，根据所述模具钢厚度或直径按照30～50mm/h进行保温，之后出炉空冷30s～2min或喷雾冷却至表面温度为980～1030℃后，采用水冷或喷雾冷却方式快速冷却，冷却至表面返温温度不高于400℃；

S2.去应力退火：将步骤S1处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至720～760℃，根据所述模具钢厚度或直径按照30～60mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300～350℃出炉；

S3.高温正火：将步骤S2处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～5h，然后≤120℃/h升温至800～900℃保温3～5h，保温结束后以200～300℃/h升温至1010～1050℃，根据所述模具钢厚度或直径按照20～40mm/h进行保温，之后出炉入水快速冷却，冷却至表面返温温度不高于400℃；

S4.球化退火：将步骤S3处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～4h，然后≤120℃/h升温至820～880℃保温5～10h，然后冷却至720～780℃，根据所述模具钢厚度或直径按照20～30mm/h进行保温，保温结束后以≤20℃/h冷至400℃后出炉空冷，完成模具钢预热处理。

优选的，当所述模具钢锻造时最后火次变形量超过20％且终锻温度低于800℃、或锻后采用雾冷或水冷时，在步骤S1所述高温固溶前还包括如下步骤：

去应力退火：将锻造后的模具钢装炉，以≤120℃/h升温至720～760℃，根据所述模具钢厚度或直径按照40～60mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300～350℃出炉。

优选的，所述锻造后的模具钢经过充分锻造，总变形量超过6，锻造加热温度不低于1100℃，锻造尺寸达到既定要求。

本申请通过优化合金组成以及合理的预热处理，可以消除模具钢中的带状偏析、明显的网状和链状碳化物，使二次碳化物均匀分布、颗粒细化、球化良好，无明显的δ铁素体和大块碳化物，淬回火后可得到较高的热处理硬度、良好的韧性和耐腐蚀性能。

附图说明

图1为本发明实施例2预热处理后模具钢的退火组织图；

图2为对比例1采用现有常规工艺生产的模具钢退火组织图。

具体实施方式

本发明提供了一种模具钢，按质量百分比计，其化学成分组成为：C 0.23～0.45、Si 0.1～0.9、Mn 0.45～0.75、Cr 11.0～14.5、Mo≤0.4、V≤0.4、Ni≤0.6、N≤0.1，余量为Fe。

现有技术Cr13型模具钢化学成分组成如表1所示(参照GB/T 24594-2009《优质合金模具钢》)：

表1 Cr13模具钢的成分范围

本申请提供的Cr13型模具钢与现有技术相比，调整了元素含量，具体的，调整了Mn、Ni含量，并添加了V、Mo和N，其中的Mo、V可以起到提高强度、耐磨性及细化晶粒、提高抛光性能的作用，调节Ni含量可以提高耐腐蚀性、增加淬透性及抑制δ铁素体的生成(δ铁素体会使局部硬度下降并显著降低抛光性能)，添加N会提高合金的耐腐蚀性、耐磨性、抛光性能又不会恶化合金的韧性，从而提高合金的抛光性、耐腐蚀性、耐磨性及强度等。

优选的，按照下述公式计算模具钢中Cr当量和Ni当量，使上述成分组成的模具钢中Cr和Ni含量符合Schaeffler组织图无铁素体的范围要求，可以抑制或减少铁素体的含量。

Cr_eq＝Cr+2Si+1.5Mo+5V+5.5Al+1.75Nb+1.5Ti+0.75W

Ni_eq＝Ni+Co+0.5Mn+0.3Cu+25N+30C

因此，本申请通过优化调整元素成分含量，为模具钢的优异性能提供了一个良好的基础，但是较高的Cr含量及V、Mo、N等元素的加入和调整对将影响碳化物的析出温度、析出时间、碳化物种类等等，对碳化物的控制提出更高要求。

因此，本申请针对上述模具钢，还提供了一种碳化物弥散化的预热处理方法，以解决Cr13型模具钢退火组织中网状碳化物、链状碳化物、碳化物球化不良、碳化物偏析和碳化物粗大等问题，具体包括以下步骤：

S1.高温固溶：将锻造冷却后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～5h，保温结束后以≤120℃/h升温至800～900℃保温3～5h，保温结束后以200～300℃/h升温至1050～1110℃之间，根据模具钢厚度或直径按照30～50mm/h进行保温，之后出炉空冷30s～2min或喷雾冷却至表面温度为980～1030℃后，采用水冷或喷雾冷却方式快速冷却，冷却至表面返温温度不高于400℃；

S2.去应力退火：将步骤S1处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至720～760℃，根据模具钢厚度或直径按照30～60mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300～350℃出炉；

S3.高温正火：将步骤S2处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～5h，然后≤120℃/h升温至800～900℃保温3～5h，保温结束后以200～300℃/h升温至1010～1050℃，根据模具钢厚度或直径按照20～40mm/h进行保温，之后出炉入水快速冷却，冷却至表面返温温度不高于400℃；

S4.球化退火：将步骤S3处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～4h，然后≤120℃/h升温至820～880℃保温5～10h，然后冷却至720～780℃，根据模具钢厚度或直径按照20～30mm/h进行保温，保温结束后以≤20℃/h冷至400℃后出炉空冷，得到成品模具钢。

由于经过优化调整后的模具钢合金中元素含量高、导热差、生产时易产生应力，采用常规的退火工艺，不能有效抑制碳化物的不均匀析出。

而本申请首先采用高温固溶技术，使碳化物均匀、球化、细小，具体的，在阶段升温之后，采用1050～1110℃进行保温，若保温温度低于1050℃，容易导致碳化物溶解较慢、高温保温时间长，同时仍然存在颗粒较大、多角不规则形状的碳化物，不能达到固溶和均匀碳化物的目的，若保温温度高于1110℃时会导致过热，合金晶粒异常长大，冷却过程中易开裂的问题。之后采用空冷或喷雾冷却等方式将表面温度降至980～1030℃时进行喷雾或水冷快冷，避免直接从1050～1110℃快速冷却而导致合金开裂现象的发生，而当温度低于980℃再冷却时可能导致碳化物沿晶界析出形成网状碳化物的风险，因此进行快速冷却的起始温度不能太低。

然后采用去应力退火技术，去除残留的应力。具体的，在720～760℃时进行保温，当保温温度低于720℃时不能有效起到降低应力的目的，同时会增加保温时间，一定程度上影响生产效率；温度高于760℃时对提高去应力的效果不突出，同时温度的提高将增加能源消耗和生产成本。

高温固溶、去应力退火后，晶粒尺寸有一定长大倾向，为细化晶粒并进一步均匀细化碳化物需进行高温正火，并使用水进行冷却，保温温度过低不能有效发挥细化晶粒、细化碳化物的目的，温度过高将使晶粒明显长大，因此在1010～1050℃之间保温。

高温正火后，根据该合金组成，进行阶段式升温，在820～880℃之间保温5～10h进行不完全奥氏体化，然后降温至720～780℃之间保温促使碳化物球化并合理长大，完成球化退火作用，从而提高塑性和韧性，改善切削加工性能，为最终热处理淬火和回火做好组织准备。

因此，本申请在优化合金组成的基础上，结合采用高温固溶、去应力退火、高温正火以及球化退火多种预热处理技术，得到的模具钢组织满足GB/T 35840.3-2018《塑料模具钢第3部分：耐腐蚀钢》中退火组织标准评级图中的A1～A3、B1～B2，碳化物分布均匀且细小球化，退火组织中无明显的δ铁素体和大块共晶碳化物，晶粒达到7级以上，经球化退火后模具钢的硬度为160HB～200HB，经1020～1030℃淬火后的硬度均匀，最低硬度为50HRC，热处理硬度为37～40HRC时7×10×55mm无缺口冲击为200J以上。

当模具钢锻造时最后火次的变形速率大、变形量较大或变形后冷却速率较大时，模具钢内应力残留较大，具体的当模具钢锻造时最后火次变形量超过20％且终锻温度低于800℃、或锻后采用喷雾冷却或水冷时，优选在步骤S1高温固溶前首先进行一次去应力退火，具体步骤如下：

去应力退火：将锻造后的模具钢装炉，以≤120℃/h升温至720～760℃，根据模具钢厚度或直径按照40～60mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300～350℃出炉。

优选的，锻造后的模具钢经过充分锻造，总变形量超过6，锻造加热温度不低于1100℃，锻造尺寸达到既定要求。

该模具钢冶炼、锻造等步骤采用常规技术即可。

值得本领域技术人员注意的是，本申请提供的产品，除了可用于模具钢，还可用于其它高硬、耐磨、耐腐蚀等环境使用。

下面以具体实施例说明本发明的技术方案，但本发明的保护范围不限于此。

实施例1

一种模具钢，合金成分为：C 0.23、Si 0.15、Mn 0.55、Cr 12.3、Mo 0.1、V 0.2、Ni0.5、N 0.04，余量为Fe。

将上述合金各成分原料经以下工序锻造成型，成型尺寸规格为260mm×710mm×2500mm：电弧炉(或转炉或中频炉)冶炼→LF→VD→模铸(或连铸)→电渣重熔→锻造(或轧制)。具体的：按照上述成分进行配料，将废钢、铬铁等合金放入电弧炉中进行熔炼，出钢温度为1570℃；在LF炉造白渣加入铝粒脱氧，并微调V、Cr等合金成分，之后进入VD炉在1540℃、30Pa下真空脱气20min，采用下注法浇注成母电极；电极表面打磨后在气氛保护电渣炉中进行熔炼，熔炼电压60V、电流14000A；将电渣锭在1150～1240℃进行加热，采用两镦两拔工艺进行锻造，锻比约为10，最后火次变形量约10％、终锻温度850℃，锻后水冷至表面温度约为350℃。

锻造冷却后采用以下步骤进行预热处理，具体如下：

1、去应力退火：将锻后冷却的模具钢在电阻加热炉中加热，以60℃/h升温至720℃后按照40mm/h进行保温，保温结束后随炉冷却至350℃出炉；

2、高温固溶：然后在台车式天然气加热炉中以100℃/h升温至600℃保温2h，保温结束后以120℃/h升温至850℃保温3h，保温结束后以约230℃/h升温至1070℃，根据厚度按照40mm/h进行保温，然后出炉空冷30s表至面温度为1000℃，然后进行水冷，总水冷时间约15min，冷却至表面返温为330℃；

3、去应力退火：之后，模具钢在天然气加热炉中80℃/h升温至720℃，按照40mm/h进行保温，保温后随炉冷却至350℃出炉；

4、高温正火：随后，将模具钢装入天然气炉中以80℃/h升温至600℃保温2h，然后以120℃/h升温至850℃保温3h，保温结束后以约230℃/h升温至1010℃，按照30mm/h进行保温，之后入水快速冷却，冷却至表面返温温度不高于400℃；

5、球化退火：最后，将高温正火后的模具钢装入电阻加热炉中以60℃/h升温至600℃保温2h，然后以80℃/h升温至820℃保温6h，然后冷至720℃按照25mm/h进行保温，保温结束后以10℃/h冷至400℃后出炉空冷。

按上述成分计算Cr_eq＝13.75、Ni_eq＝8.4，处于Schaeffler组织图中的无铁素体区域。按照国标GB/T 35840.3-2018中的图谱检测退火组织为A1，无明显的碳化物偏析，无网状碳化物、链状碳化物和δ铁素体，碳化物球化细小、无大块碳化物，退火硬度170HB，晶粒度为8级，1020℃淬火后的硬度为51HRC，硬度为38HRC时冲击功为320J。

实施例2

一种模具钢，合金成分为：C 0.35、Si 0.85、Mn 0.58、Cr 13.6、Mo 0.1、V 0.3、Ni0.21、N 0.02，余量为Fe。

冶炼方法同实施例1，锻造步骤为：将电渣锭在1180～1260℃进行加热，采用三镦三拔工艺进行锻造，锻比约为14，最后火次变形量约15％、终锻温度约850℃，锻后空冷至约300℃。模具钢尺寸规格为320mm×710mm×2200mm。

锻造冷却后采用以下步骤进行预热处理，具体如下：

1、高温固溶：将锻后冷却的模具钢在台车式天然气加热炉中以80℃/h升温至550℃保温3h，保温结束后以100℃/h升温至850℃保温4h，保温结束后以约230℃/h升温至1080℃按照35mm/h进行保温，然后出炉空冷约1min至表面温度为1010℃，然后进行喷雾冷却，喷雾冷却时间约80min，然后冷却至表面返温为350℃；

2、去应力退火：之后，模具钢在天然气加热炉中80℃/h升温至740℃，按照35mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300℃出炉；

3、高温正火：随后，将模具钢装入天然气炉中以80℃/h升温至600℃保温3h，然后以100℃/h升温至860℃保温4h，保温结束后以约230℃/h升温至1030℃，按照25mm/h进行保温，之后入水快速冷却，冷却至表面返温温度为340℃；

4、球化退火：最后，将高温正火后的模具钢装入电阻加热炉中以60℃/h升温至550℃保温3h，然后80℃/h升温至860℃保温8h，然后冷至720℃按照25mm/h进行保温，保温结束后以10℃/h冷至400℃后出炉空冷。

按上述成分计算Cr_eq＝16.95、Ni_eq＝11.1，处于Schaeffler组织图中的无铁素体区域。按照国标GB/T 35840.3-2018中的图谱检测退火组织为A2，无明显的碳化物偏析，无网状碳化物、链状碳化物和δ铁素体，碳化物球化细小、无大块碳化物，退火硬度175HB，晶粒度为7级，1020℃淬火后的硬度为55HRC，硬度为38HRC时冲击功为240J。

实施例3

一种模具钢，合金成分为：C 0.43、Si 0.83、Mn 0.61、Cr 14.3、Mo 0.25、V 0.29、Ni 0.19、N 0.03，余量为Fe。

冶炼方法同实施例1，锻造步骤为：将电渣锭在1180～1260℃进行加热，采用两镦两拔工艺进行锻造，锻比约为12，最后火次变形量约10％、终锻温度830℃，锻后水冷至约300℃。模具钢尺寸规格为180mm×810mm×3100mm。

锻造冷却后采用以下步骤进行预热处理，具体如下：

1、去应力退火：将锻后冷却的模具钢在电阻加热炉中加热，以80℃/h升温至720℃后按照50mm/h进行保温，保温结束后随炉冷却至350℃出炉；

2、高温固溶：将锻后冷却的模具钢在台车式天然气加热炉中以80℃/h升温至550℃保温3h，保温结束后以100℃/h升温至850℃保温4h，保温结束后以200℃/h升温至1090℃，按照30mm/h进行保温，然后出炉空冷约1min至表面温度为1000℃，然后进行水冷，冷却总时间约10min，至表面温度约为330℃；

3、去应力退火：之后，模具钢在天然气加热炉中80℃/h升温至740℃，按照35mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300℃出炉；

4、高温正火：随后，将模具钢装入天然气炉中以80℃/h升温至550℃保温2h，然后以110℃/h升温至860℃保温4h，保温结束后以200℃/h升温至1040℃，按照25mm/h进行保温，之后入水快速冷却，冷却至表面返温温度为330℃；

5、球化退火：最后，将高温正火后的模具钢装入电阻加热炉中以80℃/h升温至550℃保温2h，然后80℃/h升温至870℃保温8h，然后冷至740℃按照25mm/h进行保温，保温结束后以10℃/h冷至400℃后出炉空冷。

按上述成分计算Cr_eq＝17.79、Ni_eq＝14.15，处于Schaeffler组织图中的无铁素体区域。按照国标GB/T 35840.3-2018中的图谱检测退火组织为B1，无明显的碳化物偏析，无明显的网状碳化物、链状碳化物，无δ铁素体，碳化物球化细小、无大块碳化物，退火硬度170HB，晶粒度为7级，1030℃淬火后的硬度为56HRC，硬度为38HRC时冲击功为210J。

对比例1

采用现有技术方法对模具钢(冶炼、锻造步骤同实施例2)进行预热处理，具体步骤如下：

将和实施例2成分相同的模具钢经锻造后进行高温正火、球化退火，以规格为320mm×710mm×2300mm模具钢为例：将模具钢装入天然气炉中以80℃/h升温至500℃保温2h，然后以100℃/h升温至850℃保温3h，保温结束后升温至1030℃保温8h，之后入水冷却，冷却至表面温度约为320℃；2)将模具钢装入电阻加热炉中以100℃/h升温至500℃保温2h，然后120℃/h升温至860℃保温14h，然后以10℃/h冷至400℃后出炉空冷。

将实施例2和对比例1得到的预热处理后模具钢的退火组织进行分析，结果如图1和2所示，从图1和图2可以看出：图1中碳化物分布均匀，无网状和链状碳化物，碳化物呈球状且颗粒尺寸细小。图2中存在明显的网状碳化物和链状碳化物，局部碳化物堆积偏聚，表现出明显的碳化物分布不均现象，碳化物颗粒尺寸较大、呈不规则条形、有明显的尖角，这些将对模具钢硬度均匀性、抛光性、塑韧性、耐腐蚀和耐磨性能等产生不利影响。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种模具钢中碳化物弥散化的预热处理方法，其特征在于，所述模具钢，按质量百分比计，其化学成分组成为：C 0.23～0.45、Si 0.1～0.9、Mn 0.45～0.75、Cr 11.0～14.5、Mo≤0.4、V≤0.4、Ni≤0.6、N≤0.1，余量为Fe；

所述预热处理方法包括以下步骤：

S1.高温固溶：将锻造后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～5h，保温结束后以≤120℃/h升温至800～900℃保温3～5h，保温结束后以200～300℃/h升温至1050～1110℃之间，根据所述模具钢厚度或直径按照30～50mm/h进行保温，之后出炉空冷30s～2min或喷雾冷却至表面温度为980～1030℃后，采用水冷或喷雾冷却方式快速冷却，冷却至表面返温温度不高于400℃；

S2.去应力退火：将步骤S1处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至720～760℃，根据所述模具钢厚度或直径按照30～60mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300～350℃出炉；

S3.高温正火：将步骤S2处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～5h，然后≤120℃/h升温至800～900℃保温3～5h，保温结束后以200～300℃/h升温至1010～1050℃，根据所述模具钢厚度或直径按照20～40mm/h进行保温，之后出炉入水快速冷却，冷却至表面返温温度不高于400℃；

S4.球化退火：将步骤S3处理后的模具钢装炉，以≤100℃/h升温至500～600℃保温2～4h，然后≤120℃/h升温至820～880℃保温5～10h，然后冷却至720～780℃，根据所述模具钢厚度或直径按照20～30mm/h进行保温，保温结束后以≤20℃/h冷至400℃后出炉空冷，完成模具钢预热处理。

2.如权利要求1所述的模具钢中碳化物弥散化的预热处理方法，其特征在于，

所述模具钢中Cr和Ni含量符合Schaeffler组织图无铁素体的范围要求。

3.如权利要求1所述的模具钢中碳化物弥散化的预热处理方法，其特征在于，

当所述模具钢锻造时最后火次变形量超过20％且终锻温度低于800℃、或锻后采用雾冷或水冷时，在步骤S1所述高温固溶前还包括如下步骤：

去应力退火：将锻造后的模具钢装炉，以≤120℃/h升温至720～760℃，根据所述模具钢厚度或直径按照40～60mm/h进行保温，保温后随炉冷却至300～350℃出炉。

4.如权利要求1所述的模具钢中碳化物弥散化的预热处理方法，其特征在于，

所述锻造后的模具钢经过充分锻造，总变形量超过6，锻造加热温度不低于1100℃，锻造尺寸达到既定要求。

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