CN114703431A - 一种热作模具钢及退火组织均匀化的热处理工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热作模具钢，其特征在于，化学成分按质量百分比包括：C 0.32~0.45、Si 1.5~1.8、Mn 0.20~0.50、Cr 3.00~3.50、Mo 1.50~1.75、V 0.80~1.20、Ni 0.80~1.20、Nb 0.06~0.10、P<0.01、S<0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。此外，本发明还公开了热作模具钢的退火组织均匀化的热处理。本发明的有益效果为：退火组织由球状珠光体组成，相比传统球化退火工艺，生产周期缩短至少6小时以上；工艺流程简单易行，有利于工业化生产，制备效率高。

Description

一种热作模具钢及退火组织均匀化的热处理工艺
技术领域
本发明涉及模具钢技术领域，特别涉及一种热作模具钢及退火组织均匀化的热处理，退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+分布均匀的球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.2~0.8 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级均为AS3级以上，根据GBT 1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准和网状碳化物标准，其退火组织评级均为2级以上。热作模具钢及退火组织均匀化的热处理，优选的，退火组织均匀化的热处理：980 ℃-0.5 h正火+840 ℃-0.5 h-760 ℃-1 h×2两次循环等温球化退火，相比传统球化退火工艺，生产周期缩短至少6小时以上。
背景技术
现代工业中模具行业的生产制造水平已引起制造行业的高度关注，工业水平的高低己成为衡量国家制造业水平的重要标志之一。热作模具钢在模具行业中应用最为广泛，其中热作模具钢中的主流钢种是H13、3Cr2W8V和5CrMnMo钢。均匀的退火组织是保证热作模具钢高强韧性的重要前提。
一般来说，热作模具钢在冶炼、热锻或热轧后组织为马氏和珠光体的混合组织，其组织硬度较高，在最终热处理前通常需退火处理，以降低材料硬度、并为后续热处理做好组织准备。
为解决上述技术问题，许多研发单位也做了诸多热作模具钢的改进和研发的探索工作，现做如下介绍：
公开号为CN 110317934 A 的专利文件提出提高H13钢退火组织均匀性的热处理工艺，本发明公开了一种提高H13钢退火组织均匀性的热处理工艺，其工艺过程为：（1）将锻造后的H13钢冷却至400～500 ℃，装入加热炉，加热温度680～750 ℃、保温2～4 h，出炉空冷；（2）所述H13钢空冷至300～400 ℃后热装炉，以50～120 ℃/h的升温速率升温至800～850 ℃预热保温、保温时间2～4 h；再以50～120 ℃/h的升温速率升温至1060～1100 ℃，炉料透保后保温1～2 h；出炉空冷至≤100 ℃；（3）将H13钢装入加热炉，升温至860～900℃、保温4～6 h；然后冷却至720～740 ℃、保温6～8 h；再升温至840～880 ℃、保温4～6h；再冷却至720～740 ℃、保温6～8 h；最后冷却至≤500 ℃，出炉空冷。此工艺避免了碳化物沿晶界呈链状分布，显著提高了材料退火组织均匀性和等向性能。
授权公告号为CN 106811580 B的发明专利“一种H13热作模具钢的球化退火工艺”，此发明中包括：(1)锻后H13钢坯料冷却至400～500 ℃，装入炉中，以25～80 ℃/h的升温速度升温至720～750 ℃预热保温，保温时间1-2 h，再以25～80 ℃/h的升温速度升温至980~1050 ℃，炉料透保后再保温3-5 h，随后炉冷至≤550 ℃空冷出炉；热装炉，以25～80℃/h的升温速度升温至900~950 ℃，炉料透保后保温0.5-1 h，空冷出炉，完成预处理过程；300~400 ℃装炉，以25～80 ℃/h的升温速度升温至880 ℃±10℃，保温4-6 h,以15-20℃/h的冷却速度冷至760 ℃±10 ℃，保温8-12 h后，以15-20℃/h的冷却速度冷至≤500℃空冷出炉。优点在于，组织中碳化物分布均匀性，细化组织，消除原始组织中的网状碳化物等缺陷、降低退火硬度。
授权公告号为CN 104060055 A的专利文件提出一种H13锻材的退火方法，其特征是锻材入炉后，以每小时不超过120 ℃的速度升温至890 ℃时，保温8小时；然后以每小时不超过50 ℃的速度炉冷，当温度至750 ℃时，保温10小时；然后以每小时不超过50 ℃的速度炉冷至500 ℃时，出炉，空冷。本发明通过延长两段保温时间，改变中间的冷却方式，延长总保温处理时间达到均匀扩散，消除了组织不均匀现象，提高了锻材成材率，降低了生产成本。
然而，上述退火工艺均针对H13钢，且生产周期至少在18 h以上，而且对新型研发的热作模具钢不一定适用。因此，为克服现有的技术缺陷，能够提高热作模具钢的退火组织中碳化物分布均匀性，细化组织，消除原始组织中的网状碳化物等缺陷、降低退火硬度，需要开发出热作模具钢以及退火组织均匀化的热处理工艺。
发明内容
为解决现有技术不能解决退火组织中碳化物分布均匀性，消除原始组织中的网状碳化物等缺陷。本发明通过成分设计和热处理工艺，提供了一种热作模具钢及退火组织均匀化的热处理工艺，以节省生产周期和节约生产成本。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种热作模具钢，其化学成分按质量百分比包括：C 0.32~0.45、Si 1.5~1.8、Mn0.20~0.50、Cr 3.00~3.50、Mo 1.50~1.75、V 0.80~1.20、Ni 0.80~1.20、Nb 0.06~0.10、P<0.01、S<0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。
上述化学成分按重量百分数计还满足：0.15≤I≤0.20，811≤A1≤829，901≤A2≤929，
其中，I=(Ni+V+Nb-Cr+Mo)/(Si+Mn+C)，
A1=728+8[Nb]-12[Mn]-26[Si]-18[Ni]+20[Cr]+65[V]+16[Mo],
A2=906-246[C]0.5-15.6[Ni]-18[Cr]+106[V]+32.6[Mo]。
此外，本发明还提供了一种热作模具钢的退火组织均匀化的热处理工艺，包括以下步骤：
（1）、冶炼：按照钢材的组成成分设计要求进行投料，在真空感应炉中熔炼并浇注成钢锭，
所述钢材的组成成分按质量百分比包括：C 0.32~0.45、Si 1.5~1.8、Mn 0.20~0.50、Cr 3.00~3.50、Mo 1.50~1.75、V 0.80~1.20、Ni 0.80~1.20、Nb 0.06~0.10、P<0.01、S<0.005，其余为Fe和不可避免的杂质；
（2）、热轧：将所述钢锭退火、热轧，热轧后空冷到室温，得到热轧板坯；
（3）、碳化物均匀化：将步骤（2）得到的热轧板坯进行步骤A、B和C中一种或多种叠加热处理；
A、等温球化退火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500~600 ℃保温1h，再以100℃/h的速度加热到830~900 ℃保温15 min~1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到740~780 ℃保温0.5~2 h，随后以100℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷；
B、正火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600-650 ℃保温1h，再以200 ℃/h的速度加热到940~1030 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷；
C、缓冷退火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500-600 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到870~900 ℃保温1~1.5 h，以150 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。
本发明的技术方案是通过如下原理及方式来实现上述目的。
（1）在准确理解高强热作模具钢 C、Si、Mn、Cr、Ni、、V、Mo、Nb多元合金化元素含量控制原理的基础上，合理设计和控制纳米贝氏体热作模具钢的各化学成分（以下均按重量百分比计）。
C：C元素具有较强的固溶强化作用，在热作模具钢中通过热处理工艺使其一部分溶入到基体中提高基体硬度和强度，另一部分与合金元素结合形成合金碳化物增强耐磨性。优选含量范围为0.32~0.45%。
Mn：Mn元素有固溶强化作用，可以提高铁素体和奥氏体的强度、硬度和淬透性。与S元素具有较强的亲和力，避免在晶界处形成FeS，消除S元素有害作用。优选含量范围为0.20~0.50%。
Si：Si元素是促使铁素体形成元素，对铁素体具有固溶强化作用。同时Si是提高回火抗力的有效元素，降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。优选含量范围为1.50~1.80%。
Mo：Mo元素具固溶强化作用，Mo溶解于奥氏体中能提高钢的淬透性。同时，Mo元素在回火时与C元素结合在马氏体中析出Mo2C，是造成二次硬化现象的主要合金元素。另外Mo元素可以防止回火脆性，提高钢的回火稳定性，使热作模具钢可以在较高温度下回火，提高塑性。优选含量范围为1.50~1.75%。
V：在热作模具钢中，V元素具有细化钢的组织和晶粒的作用，与Mo元素一样，在回火时与C元素形成VC增强二次硬化效应。同时由于VC的热稳定性，可以增加钢的回火稳定性。优选含量范围为0.80~1.20%。
Cr：Cr元素能增加钢的淬透性，可提高高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆，使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用，还增加钢的热强性。但是较高含量的Cr在淬回火过程中可以和碳形成高铬的M23C6型碳化物，高Cr碳化物热稳定性差，因此本发明采用降低Cr含量的成分设计，抑制Cr的碳化物的形成，促进C能够充分的和碳化物稳定元素V、Mo结合，形成具有尺寸细小、弥散分布和高温稳定性良好优点的MC、M2C类型碳化物，从而提高钢的热强性和热疲劳性。优选含量范围为3.00~3.50%。
Ni：Ni元素具有固溶强化和提高淬透性的作用，细化铁素体晶粒，提高热作模具钢的塑性和韧性，与Cr元素和Mo元素联合使用可以提高热作模具钢的热强性。优选含量范围为0.8~1.20%。
Nb：Nb元素与C元素的亲和力极强，NbC为含铌化合物的主要存在形式。由于NbC尺寸细小且弥散分布获得极佳的沉淀强化效果，而且对晶界起到钉扎作用，细化晶粒。同时Nb元素可以提高回火稳定性，具有二次硬化作用。优选含量范围为0.06~0.10%。
（2）除了需要合理控制各个元素的化学成分范围以外，还必须设定如下创新性的技术要求，准确调控一部分关键元素之间的相对添加量，以发挥这些元素对本发明钢强度、硬度与冲击韧性等综合力学性能的关键调控作用。
（a）通过调控关系式0.15≤I≤0.20，要求Nb、Ni、Cr、Mo、Si、Mn、V合金元素按I=(Ni+V+Nb-Cr+Mo)/(Si+Mn+C)，进行元素含量配比控制在0.15～0.20之间，以促进球状碳化物粒子形成。过高的I值使球状碳化物粒子尺寸偏大，过低的I值会使球状碳化物粒子数量偏少。
（b）通过调控关系式811≤A1≤829，901≤A2≤929，要求Nb、Ni、Cr、Mo、Si、Mn、V合金元素按“A1=728+8[Nb]-12[Mn]-26[Si]-18[Ni]+20[Cr]+65[V]+16[Mo],A2=906-246[C]0.5-15.6[Ni]-18[Cr]+106[V]+32.6[Mo]。”确定本发明热作模具钢的铁素体→奥氏体起始转变温度A1控制在811~829 ℃之间，以保证不规则碳化物的溶解，同时抑制粗大的粗大碳化物形核生长，为细组织转变、韧性改善创造动力学条件。铁素体+奥氏体→完全奥氏体起始转变温度A2控制在901~929 ℃之间，将相变温度区间控制在900 ℃范围内，以保证未溶碳化物能部分溶入基体中，同时使组织中留下部分碳化物，有利于退火过程中碳化物的形核和球化，进而改善热作模具钢的耐磨性。
本发明的有益效果是：
1、热作模具钢经退火均匀化的热处理后，退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+分布均匀的球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.2~0.8 μm。
2、热作模具钢经退火均匀化的热处理后，根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级均为AS3级以上，根据GBT 1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准和网状碳化物标准，其退火组织评级均为2级以上。
3、热作模具钢的退火组织均匀化的优选热处理：980 ℃-0.5 h+840 ℃-0.5 h-760 ℃-1 h×2（正火+2次循环等温球化退火），相比传统球化退火工艺，生产周期缩短至少6小时以上。
4、本发明的热作模具钢的合金体系控制合理，制备工艺流程简单易行，有利于工业化生产，制备效率高。
下面结合附图对本发明进行详细说明。
附图说明
图1为实施例1制备的热作模具钢的等温球化退火组织扫描电镜照片；
图2为实施例2制备的热作模具钢的4次循环等温球化退火组织扫描电镜照片；
图3为实施例3制备的热作模具钢的正火+等温球化退火组织扫描电镜照片；
图4为实施例4制备的热作模具钢的正火+等温球化退火组织扫描电镜照片；
图5为实施例5制备的热作模具钢的正火+等温球化退火组织扫描电镜照片；
图6为实施例6制备的热作模具钢的等温球化退火+正火+等温球化退火组织扫描电镜照片；
图7为实施例7制备的热作模具钢的等温球化退火+正火+缓冷退火组织扫描电镜照片；
图8为实施例8制备的热作模具钢的正火+4次循环等温球化退火组织扫描电镜照片；
图9为实施例9制备的热作模具钢的正火+2次循环等温球化退火组织扫描电镜照片；
图10为实施例10制备的热作模具钢的等温球化退火+正火+2次循环等温球化退火组织扫描电镜照片。
具体实施方式
本发明提供了一种热作模具钢，化学成分按质量百分比包括：C 0.32~0.45、Si1.5~1.8、Mn 0.20~0.50、Cr 3.00~3.50、Mo 1.50~1.75、V 0.80~1.20、Ni 0.80~1.20、Nb0.06~0.10、P<0.01、S<0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。
除此之外，上述化学成分按重量百分数计还满足：0.15≤I≤0.20，811≤A1≤829，901≤A2≤929，其中，
I=（Ni+V+Nb-Cr+Mo）/（Si+Mn+C），
A1=728+8[Nb]-12[Mn]-26[Si]-18[Ni]+20[Cr]+65[V]+16[Mo],
A2=906-246[C]0.5-15.6[Ni]-18[Cr]+106[V]+32.6[Mo]。
此外，本发明还提供了一种热作模具钢的退火组织均匀化的热处理工艺，包括以下步骤。
（1）、冶炼：按照钢材的组成成分设计要求进行投料，在真空感应炉中熔炼并浇注成钢锭。
所述钢材的组成成分按质量百分比包括：C 0.32~0.45、Si 1.5~1.8、Mn 0.20~0.50、Cr 3.00~3.50、Mo 1.50~1.75、V 0.80~1.20、Ni 0.80~1.20、Nb 0.06~0.10、P<0.01、S<0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。
（2）、热轧：将所述钢锭退火、热轧，热轧后空冷到室温，得到热轧板坯。
（3）、碳化物均匀化：将步骤（2）得到的热轧板坯进行步骤A、B和C中一种或多种叠加热处理。
A、等温球化退火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500~600 ℃保温1h，再以100℃/h的速度加热到830~900 ℃保温15 min~1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到740~780 ℃保温0.5~2 h，随后以100℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。
B、正火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600-650 ℃保温1h，再以200 ℃/h的速度加热到940~1030 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
C、缓冷退火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500-600 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到870~900 ℃保温1~1.5 h，以150 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。
下面结合具体实施例详细阐述本发明。
实施例1，参见附图1，在本实施例中。
Q1、按照质量百分比为：C 0.34、Si 1.52、Mn 0.42、Cr 3.2、Mo 1.57、V 0.89、Ni1.1、Nb 0.06、P 0.0075、S 0.0035，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、等温球化退火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到890℃保温1 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到750 ℃保温2 h，随后以100℃/h的速度炉冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：890 ℃-1h-750 ℃-2 h（等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图1。从图1中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.5~0.8 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS3级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准和网状碳化物标准，其退火组织评级均为2级。
实施例2，参见附图2，在本实施例中.
Q1、按照质量百分比为：C 0.38、Si 1.75、Mn 0.38、Cr 3.4、Mo 1.69、V 1.1、Ni0.92、Nb 0.08、P 0.0055、S 0.0032，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、等温球化退火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到840 ℃保温15 min，以150 ℃/h的速度炉冷却到750℃保温0.5 h，随后以100 ℃/h的速度重新加热至840 ℃，如此循环4次，随后以100℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：840 ℃-15 min-750 ℃-0.5 h×4（4次循环等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图2。从图2中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.4~0.8 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS3级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准和网状碳化物标准，其退火组织评级均为2级。
实施例3，参见附图3，在本实施例中：
Q1、按照质量百分比为：C 0.43、Si 1.64、Mn 0.29、Cr 3.3、Mo 1.71、V 0.98、Ni0.89、Nb 0.1、P 0.0045、S 0.0045，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、正火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到650 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到950 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷；
Q4、等温球化退火：将步骤Q3的正火装入加热炉，以100℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到880 ℃保温0.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760℃保温1 h，随后以100℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：950 ℃-0.5 h+880 ℃-0.5 h-760 ℃-1 h（正火+等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图3。从图3中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.4~0.8 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS2级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准和网状碳化物标准，其退火组织评级均为1级。
实施例4，参见附图4，在本实施例中：
Q1、按照质量百分比为：C 0.43、Si 1.64、Mn 0.29、Cr 3.3、Mo 1.71、V 0.98、Ni0.89、Nb 0.1、P 0.0045、S 0.0040，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、正火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到980 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
Q4、等温球化退火：将步骤Q3的正火装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到890 ℃保温1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760℃保温2 h，随后以100 ℃/h的速度炉冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：980 ℃-0.5 h+890 ℃-1.5 h-760 ℃-2 h（正火+等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图4。从图4中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.2~0.6 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS2级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准和网状碳化物标准，其退火组织评级均为1级。
实施例5，参见附图5，在本实施例中。
Q1、按照质量百分比为：C 0.38、Si 1.75、Mn 0.38、Cr 3.4、Mo 1.69、V 1.1、Ni0.92、Nb 0.08、P 0.0035、S 0.0050，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、正火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到1020 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
Q4、等温球化退火：将步骤Q3的正火装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100℃/h的速度加热到890 ℃保温2 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760 ℃保温2 h，随后以100 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：1020 ℃-0.5 h+890℃-2 h-760 ℃-2 h（正火+等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图5。从图5中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.2~0.4 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS2级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准评级为2级,网状碳化物标准评级均为1级。
实施例6，参见附图6，在本实施例中。
Q1、按照质量百分比为：C 0.34、Si 1.52、Mn 0.42、Cr 3.2、Mo 1.57、V 0.89、Ni1.1、Nb 0.06、P 0.0075、S 0.0032，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、等温球化退火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500℃保温1h，再以100 ℃/h的速度加热到890 ℃保温1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760 ℃保温2 h，随后以100 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。
Q4、正火：将步骤Q3的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到650 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到980 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
Q5、球化退火：将步骤Q4的正火装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到840 ℃保温1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760 ℃保温2 h，随后以100 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：890 ℃-1.5 h-760℃-2 h+980 ℃-0.5 h+840 ℃-1.5 h-760 ℃-2 h（等温球化退火+正火+等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图6。从图6中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.2~0.6 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS2级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准评级为1级,网状碳化物标准评级均为2级。
实施例7，参见附图7，在本实施例中。
Q1、按照质量百分比为：C 0.34、Si 1.52、Mn 0.42、Cr 3.2、Mo 1.57、V 0.89、Ni1.1、Nb 0.06、P 0.0075、S 0.0039，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、等温球化退火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到890 ℃保温1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760 ℃保温2 h，随后以100℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。
Q4、正火：将步骤Q3的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600-650 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到980 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
Q5、缓冷退火：将步骤Q4的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到550 ℃保温1 h，再以100℃/h的速度加热到880 ℃保温1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷至500 ℃后，出炉空冷；工艺标记为：890 ℃-1.5 h-760℃-2 h+980 ℃-0.5 h+880 ℃-1.5 h（等温球化退火+正火+缓冷退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图7。从图7中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.4~0.8 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS1级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准评级为2级,网状碳化物标准评级均为1级。
实施例8，参见附图8，在本实施例中。
Q1、按照质量百分比为：C 0.38、Si 1.75、Mn 0.38、Cr 3.4、Mo 1.69、V 1.1、Ni0.92、Nb 0.08、P 0.0035、S 0.0050，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、正火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到950 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
Q4、等温球化退火：将步骤Q3的正火装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到880 ℃保温0.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760℃保温1 h，循环4次后，最后以100 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：950℃-0.5 h+880 ℃-0.5 h-760 ℃-1 h×4（正火+4次循环等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图8。从图8中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.2~0.4 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS2级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准评级为1级,网状碳化物标准评级均为1级。
实施例9，参见附图9，在本实施例中。
Q1、按照质量百分比为：C 0.43、Si 1.64、Mn 0.29、Cr 3.3、Mo 1.71、V 0.98、Ni0.89、Nb 0.1、P 0.0045、S 0.0046，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、正火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到650 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到980 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
Q4、等温球化退火：将步骤Q3的正火装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到840 ℃保温0.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760℃保温1 h，循环2次后，最后以100 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。工艺标记为：980℃-0.5 h+840 ℃-0.5 h-760 ℃-1 h×2（正火+2次循环等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图9。从图9中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.2~0.4 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS1级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准评级为1级,网状碳化物标准评级均为1级。
实施例10，参见附图10，在本实施例中。
Q1、按照质量百分比为：C 0.34、Si 1.52、Mn 0.42、Cr 3.2、Mo 1.57、V 0.89、Ni1.1、Nb 0.06、P 0.0075、S 0.0050，Fe余量的配比，计算投料比例，经真空高频感应炉冶炼+电渣重溶后浇注成直径为Φ80 mm圆锭。
Q2、热轧：将钢锭加热至1150 ℃保温5 h进行均匀化退火，随炉冷却。之后将圆锭在1150 ℃热轧开坯成厚度为25 mm的钢板，随后空冷。
Q3、球化退火：将步骤Q2的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到890 ℃保温1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760℃保温2 h，随后以100 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷。
Q4、正火：将步骤Q3的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到980 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷。
Q5、球化退火：将步骤Q4的正火装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到890 ℃保温0.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到760℃保温2 h，循环2次，随后以100 ℃/h的速度冷至500℃后，出炉空冷。工艺标记为：890 ℃-1.5 h-760 ℃-2 h+980 ℃-0.5 h+890 ℃-0.5 h-760 ℃-2 h×2（等温球化退火+正火+2次循环等温球化退火）。
对本实施例所制得板材进行扫描电镜（SEM）分析，结果参见图10。从图10中可以看出：退火组织由球状珠光体组成，即铁素体基体+球状碳化物，其球状碳化物的尺寸为0.4~0.8 μm。根据NADCA #207-2003北美压铸协会标准H13钢，其退火组织评级为AS3级，根据GBT1299-2014工模具钢中合金工模具钢珠光体组织标准和网状碳化物标准评级均为2级。
综上所述，本发明的方案得到的热作模具钢及退火组织均匀化的热处理，制备效率高，节约成本，节省生产周期。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种热作模具钢，其特征在于，化学成分按质量百分比包括：C 0.32~0.45、Si 1.50~1.80、Mn 0.20~0.50、Cr 3.00~3.50、Mo 1.50~1.75、V 0.80~1.20、Ni 0.80~1.20、Nb 0.06~0.10、P<0.01、S<0.005，其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢中C、Si、Mn、Cr、Ni、V、Nb及Mo的化学成分配比符合：0.15≤I≤0.20，其中，
I=(Ni+V+Nb-Cr+Mo)/(Si+Mn+C)。
3.根据权利要求1所述的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢中C、Si、Mn、Cr、Ni、V、Nb及Mo的化学成分配比符合：811≤A1≤829，901≤A2≤929，其中，
A1=728+8[Nb]-12[Mn]-26[Si]-18[Ni]+20[Cr]+65[V]+16[Mo],
A2=906-246[C]0.5-15.6[Ni]-18[Cr]+106[V]+32.6[Mo]。
4.一种热作模具钢的退火组织均匀化的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）、冶炼：按照钢材的组成成分设计要求进行投料，在真空感应炉中熔炼并浇注成钢锭，
所述钢材的组成成分按质量百分比包括：C 0.32~0.45、Si 1.50~1.80、Mn 0.20~0.50、Cr 3.00~3.50、Mo 1.50~1.75、V 0.80~1.20、Ni 0.80~1.20、Nb 0.06~0.10、P<0.01、S<0.005，其余为Fe和不可避免的杂质；
（2）、热轧：将所述钢锭退火、热轧，热轧后空冷到室温，得到热轧板坯；
（3）、碳化物均匀化：将步骤（2）得到的热轧板坯进行步骤A、B和C中一种或多种叠加热处理；
A、等温球化退火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500~600 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到830~900 ℃保温15 min ~1.5 h，以150 ℃/h的速度炉冷却到740~780 ℃保温0.5~2 h，随后以100 ℃/h的速度冷至500 ℃后，出炉空冷；
B、正火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以200 ℃/h的速度加热到600~650 ℃保温1 h，再以200 ℃/h的速度加热到940~1030 ℃保温0.5 h，随后出炉空冷；
C、缓冷退火：将步骤（2）的热轧板坯装入加热炉，以100 ℃/h的速度加热到500~600 ℃保温1 h，再以100 ℃/h的速度加热到870~900 ℃保温1~1.5 h，以150 ℃/h的速度冷至500℃后，出炉空冷。
5.根据权利要求4所述的热作模具钢的退火组织均匀化的热处理工艺，其特征在于，所述热作模具钢的退火组织由球状珠光体组成。
6.根据权利要求4所述的热作模具钢的退火组织均匀化的热处理工艺，其特征在于，所述球状珠光体包括铁素体基体+分布均匀的球状碳化物。
7.根据权利要求6所述的热作模具钢的退火组织均匀化的热处理工艺，其特征在于，所述球状碳化物的尺寸为0.2~0.8 μm。
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