CN115074492B - 一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，将热作模具钢进行高温固溶；高温固溶之后淬冷介质冷却，随后以10～30℃/min的速率随炉升温至AC1线下20～70℃保温30～60分钟；保温之后，在淬冷介质冷却至40～100℃，再升温至AC3线上70～120℃进行奥氏体化；保温之后，在淬冷介质中冷却至100～200℃，将冷却后的热作模具钢进行预回火，再进行回火处理，本发明所得的热作模具钢碳化物均匀弥散分布，回火稳定性好，热疲劳性能较常规热处理工艺显著提升；热处理到同样硬度后，冲击功较常规热处理工艺有很大提高；且本发明工艺成本低廉、可操作性强。
Description
技术领域
本发明公开一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，属于材料热处理工艺技术领域。
背景技术
模具是加工制造产业中最重要的工艺装备，模具制造水平是衡量一个国家制造业水平的重要标志。热作模具钢是液态金属成型的主要工具，广泛应用于热挤压模、压铸模、热锻模等领域。其在服役过程中不仅会受到反复加热和冷却产生的热应力导致的热疲劳，而且还会受到冲击载荷的作用。热疲劳和韧性是影响热作模具钢使用寿命的重要因素，因此对模具的硬度、冲击韧性、红硬性和抗热疲劳性，提出了更高的要求。
H13钢是目前使用最广泛及最具代表性的热作模具钢。众所周知，热疲劳裂纹容易在晶界扩展，现阶段提高热作模具钢的热疲劳性能主要通过加入合金元素，让其实现固溶强化以及第二相强化，来抑制热疲劳裂纹萌生与扩展。
“双碳”目标的提出，对制造业未来的发展提出了新的使命和任务。开发一种适用于低成本，简单易行的热处理工艺，来提升H13热作模具钢热疲劳性能的方法成为生产中的迫切需求。
发明内容
本发明提出一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，改进热处理工艺进行工艺控制，可操作性高、成本低廉、工艺简单，本发明工艺通过调控晶界以及马氏体板条宽度来提升热疲劳性能，所制备的H13热作模具钢具有良好的淬透性、红硬性、冲击韧性和热疲劳性能等。
本发明技术方案如下：
一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)将准备好的热作模具钢置于箱式电阻炉内，进行高温固溶，让其合金元素充分溶解及大部分碳化物溶解；
(2)步骤(1)中经过高温固溶之后的试样，在淬冷介质中冷却至100～200℃，随后将热作模具钢以10～30℃/min的速率随炉升温至AC1线下20～70℃保温30～60分钟；
(3)步骤(2)中经过保温之后的试样，在淬冷介质中冷却至40～100℃，随后将热作模具钢置于热处理电阻炉内进行奥氏体化；
(4)将步骤(3)中经过保温之后的试样，在淬冷介质中冷却至100～200℃，将冷却后的热作模具钢进行预回火，再进行回火处理。
步骤(1)热作模具钢为H13热作模具钢，其化学成分按重量百分比计，如下：C：0.32％～0.45％，Si：0.80％～1.20％，Mn：0.20％～0.50％，Cr：4.75％～5.50，Mo：1.10％～1.75％，V：0.80％～1.20％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为铁和其他不可避免杂质元素。
步骤(1)高温固溶具体工艺是：以80～180℃/min的速率升温AC3线上190～240℃的温度保温10～15分钟。
步骤(2)和步骤(4)的淬冷介质为机油，步骤(3)的淬冷介质为空气。
步骤(3)奥氏体化具体工艺是：以80～180℃/min的速率升温至AC3线上70～120℃的温度保温20～40分钟。
步骤(4)预回火具体工艺是：以10～30℃/min的速率升温至400～450℃，保温时间30～60分钟。
步骤(4)回火处理的具体工艺是：升温至560～600℃保温120～240分钟，进行回火处理，然后空冷至40～100℃，再次重复升温至相同温度保温相同时间进行回火处理，重复2～3次。本发明的有益效果：
(1)本发明进行高温固溶处理，可以消除高温固溶对晶粒度的影响，通过在AC1线下20～70℃预沉淀出细小弥散碳化物，以此为奥氏体化形核提供附着点。
(2)本发明处理工艺，较常规热处理工艺提升了80～100J的冲击功。
(3)本发明处理工艺在热疲劳循环1000次后，较常规热处理工艺主裂纹长度减少了250～260μm，裂纹宽度减少了7～24μm，表面硬度提高了5～10HRC，具有良好的热疲劳性能。
(4)本发明采用碳化物均匀预沉淀处理通过控制奥氏体形核率和晶界迁移率实现了奥氏体晶粒超细化。
(5)本发明通过控制淬火冷却终止温度并结合中温预回火调节马氏体/残余奥氏体界面碳原子分布实现了马氏体板条的超细化；通过控制回火过程中碳化物析出行为实现了抑制热疲劳裂纹萌生和热疲劳裂纹扩展路径多极分化，提高了热疲劳性能。
附图说明
图1为经过抛光腐蚀之后的金相对比图(a对比例1热处理试样，b实施例1热处理试样)；
图2为热疲劳循环1000次后扫描电镜对比图(a对比例1热处理试样，b实施例1热处理试样)。
具体实施方式
本发明提出的一种提升热作模具钢性能的热处理工艺，为使本发明要解决的技术问题、技术方案和有益效果更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。实施例将当前广泛应用的H13热作模具钢作为研究对象，其化学成分按重量百分比计，如下：C：0.32％～0.45％，Si：0.80％～1.20％，Mn：0.20％～0.50％，Cr：4.75％～5.50，Mo：1.10％～1.75％，V：0.80％～1.20％，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为铁和其他不可避免杂质元素，H13热作模具钢为均质退火之后得到的产品；实施例中使用的热作模具钢产品规格是15*10*10mm。
实施例1
一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)将准备好的热作模具钢置于箱式电阻炉内，以80℃/min的速率升温AC3线上190℃的温度即1050℃，先进行一次高温固溶，待试样合金元素充分溶解以及大部分碳化物溶解后保温，保温时间为15分钟；
(2)将保温后的热作模具钢在淬冷介质机油中冷却至100℃，随后将热作模具钢以10℃/min的速率随炉升温至AC1线下70℃的温度即730℃，保温时间为60分钟；
(3)将保温后的试样在淬冷介质空气中冷却至40℃，随后将热作模具钢置于热处理电阻炉内，以80℃/min的速率升温至AC3线上70℃的温度即930℃，将其进行奥氏体化，保温时间为40分钟；
(4)然后将保温后的热作模具钢在淬冷介质机油中冷却至100℃，将冷却后的热作模具钢以10℃/min的速率升温至400℃进行预回火，保温时间60分钟；
(5)最后将预回火后的热作模具钢升温至560℃进行回火处理，保温时间240分钟，然后空冷至40℃，重复升温560℃进行回火处理，保温时间240分钟，重复2次。
实施例2
一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)将准备好的热作模具钢置于箱式电阻炉内以180℃/min的速率升温AC3线上240℃的温度即1100℃，先进行一次高温固溶，待试样合金元素充分溶解以及大部分碳化物溶解后保温，保温时间为10分钟；
(2)将保温后的热作模具钢在淬冷介质机油中冷却至200℃，随后将热作模具钢以30℃/min的速率随炉升温至AC1线下20℃的温度即780℃，保温时间为30分钟；
(3)将保温后的试样在淬冷介质空气中冷却至100℃，随后将热作模具钢置于热处理电阻炉内以180℃/min的速率升温至AC3线上120℃的温度即980℃，将其进行奥氏体化，保温时间为20分钟；
(4)然后将保温后的热作模具钢在淬冷介质机油中冷却至200℃，将冷却后的热作模具钢以30℃/min的速率升温至450℃进行预回火，保温时间30分钟；
(5)最后将预回火后的热作模具钢升温至600℃进行回火处理，保温时间120分钟，然后空冷至100℃，重复升温600℃进行回火处理，保温时间120分钟，重复3次。
实施例3
一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，包括以下步骤：
(1)将准备好的热作模具钢置于箱式电阻炉内以120℃/min的速率升温AC3线上220℃的温度即1080℃，先进行一次高温固溶，待试样合金元素充分溶解以及大部分碳化物溶解后保温，保温时间为12分钟；
(2)将保温后的热作模具钢在淬冷介质机油中冷却至150℃，随后将热作模具钢以20℃/min的速率随炉升温至AC1线下50℃的温度即750℃，保温时间为40分钟；
(3)将保温后的试样在淬冷介质空气中冷却至60℃，随后将热作模具钢置于热处理电阻炉内以100℃/min的速率升温至AC3线上90℃的温度即950℃，将其进行奥氏体化，保温时间为30分钟；
(4)然后将保温后的热作模具钢在淬冷介质机油中冷却至150℃，将冷却后的热作模具钢以20℃/min的速率升温至420℃进行预回火，保温时间40分钟；
(5)最后将预回火后的热作模具钢升温至580℃进行回火处理，保温时间180分钟，然后空冷至80℃，重复升温580℃进行回火处理，保温时间180分钟，重复2次。
对比例1
(1)将准备好的热作模具钢置于箱式电阻炉内以80℃/min的速率升温AC3线上190℃的温度即1050℃，先进行一次高温固溶，待试样合金元素充分溶解以及大部分碳化物溶解后保温，保温时间为15分钟；
(2)待试样油冷至100℃，将其进行回火处理，回火温度为560℃，保温时间240分钟，然后空冷至40℃，重复升温560℃进行回火处理，保温时间240分钟，重复2次。
图1为经过抛光腐蚀之后的金相对比图(a对比例1热处理试样，b实施例1热处理试样)；从图中可以看出，对比例1得到的热作模具钢晶界粗大、板条马氏体较宽，在使用过程中存在着因韧性不足而崩裂，热疲劳性能不够理想等问题，不能满足热作模具钢的要求，经过实施例1处理的工艺较常规热处理后的工艺有效调控了晶界和马氏体板条宽度。
在冲击性能上，如表1所示，经过实施例1处理的热作模具钢较常规热处理后的热作模具钢冲击功提升了80～100J。
在热疲劳性能上，如图2和表2所示，经过热疲劳循环1000次后本发明处理的工艺主裂纹较常规热处理后的工艺主裂纹长度减少了250～260μm，裂纹宽度减少了7～24μm；热疲劳循环1000次数后的表面硬度，如表3所示，经过本发明循环1000次处理较常规热处理后的工艺表面硬度提高了5～10HRC。
表1经不同热处理工艺后冲击功
表2经不同热处理工艺热疲劳循环1000次后裂纹长度与宽度
表3经不同热处理工艺热疲劳循环1000次后表面硬度
Claims (3)
1.一种提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将热作模具钢进行高温固溶；
所述高温固溶具体工艺是：以80~180℃/min的速率升温AC3线上190~240℃保温10~15分钟；
（2）步骤（1）高温固溶之后的试样，在淬冷介质中冷却至100~200℃，随后以10~30℃/min的速率升温至AC1线下20~70℃保温30~60分钟；
（3）步骤（2）经过保温之后的试样，在淬冷介质中冷却至40~100℃，随后进行奥氏体化；
所述奥氏体化具体工艺是：以80~180℃/min的速率升温至AC3线上70~120℃保温20~40分钟；
（4）将步骤（3）经过保温之后的试样，在淬冷介质中冷却至100~200℃，进行预回火，再进行回火处理，所述预回火具体工艺是：以10~30℃/min的速率升温至400~450℃，保温30~60分钟；所述回火处理的具体工艺是：升温至560~600℃保温120~240分钟进行回火处理，然后空冷至40~100℃，再次升温保温进行回火处理，重复2~3次。
2.根据权利要求1所述提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，其特征在于，步骤（1）热作模具钢的化学成分按重量百分比计，如下：C：0.32%~0.45％，Si：0.80%~1.20％，Mn：0.20%~0.50%，Cr：4.75%~5.50，Mo：1.10%~1.75%，V：0.80%~1.20%，P≤0.03％，S≤0.03％，余量为铁和其他不可避免杂质元素。
3.根据权利要求1所述提升热作模具钢热疲劳性能的热处理工艺，其特征在于，步骤（2）和步骤（4）的淬冷介质为机油，步骤（3）的淬冷介质为空气。
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| Q-P-T工艺中C配分对4Cr5MoSiV1Ti钢力学性能的影响;韩文奎 等;材料热处理学报;第42卷(第5期);第96-103页 * |
| 改善H13热作模具钢性能的措施;沈利群;模具技术(第2期);第71-75页 * |
| 谭彦显 主编.模具材料及表面强化处理.北京理工大学出版社,2011,(第1版),第191-192页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115074492A (zh) | 2022-09-20 |
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