CN115449595A - 一种提高h13热作模具钢退火组织均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及热作模具钢生产技术领域，具体涉及一种提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，包括将化学成分冶炼、精炼、锻造、去应力退火、正火预处理、球化退火所得；其中，在精炼的RH炉真空脱气阶段向铁水中喂入含Ce的复合线。本发明利用稀土Ce净化钢液、变质夹杂、细化晶粒和微合金化作用等传承特性，抑制C与Cr、Mo、V等合金元素在晶界处的偏聚，减轻铸态组织中的枝晶偏析，以达到提高组织均匀性和碳化物分布均匀性的目的。同时，本发明简化了锻后预处理工艺，不仅节约了能源，还提高了生产效率。

Description

一种提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法
技术领域
本发明涉及热作模具钢生产技术领域，具体涉及一种提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法。
背景技术
模具是工业生产中的基础工艺装备，是一种高附加值的高精密型产品，其技术水平高低已经成为衡量一个国家制造业水平的重要标志。H13钢是用途较为广泛的一种空淬硬化热作模具钢，此类钢常服役于高温高压、急冷急热和交变载荷环境下，热疲劳失效是其最主要的失效形式。一般认为，在热疲劳裂纹萌生阶段其强度占主导地位，而在裂纹扩展阶段其塑韧性占主导地位；较高的强度可抵抗裂纹萌生，而良好的塑韧性可阻碍裂纹扩展。
H13钢因含有较多的Cr、Mo、V等元素，与C元素在晶界处富集导致其铸态组织存在明显的枝晶偏析，这些偏析经锻造或轧制后呈带状分布，随后会遗传到退火组织中，导致组织中碳化物尺寸、分布及密集程度产生差异，在后续的淬、回火过程，偏析带间的组织转变存在差异，组织的不均匀性影响H13钢的综合性能。稀土在钢中具有净化钢液、变质夹杂、细化晶粒和微合金化等作用，充分利用微量稀土在H13钢制备过程中的传承特性，再进行适当的热加工工艺后可获得强韧性较好的含稀土H13热作模具钢，提高了模具的使用寿命。
CN201310167869.0公开了一种高品质H13稀土模具钢及其生产方法，其不足之处在于锻后对锻件迅速水冷至350～450℃后进行球化退火，冷速较快且未进行去应力退火，加大了冷却过程中由于锻坯内外温差过大造成材料开裂的风险；另外，锻后未做预处理而直接进行球化退火，将无法消除沿晶界分布的网状和链状碳化物，势必会降低退火组织的均匀性。
CN201710076783.5公开了一种H13热作模具钢的球化退火工艺，其不足之处在于组织均匀化和碳化物溶解过程需在980～1050℃温度范围保温3～5h，保温时间较长，不利于节约资源，增加了生产成本，降低了生产效率。
CN201910536450.5公开了一种提高H13钢退火组织均匀性的热处理工艺，其不足之处在于球化退火前为了碳化物充分回溶再析出需在1060～1100℃保温1～2h，固溶温度较高，奥氏体晶粒粗化，导致材料性能降低，降低了模具的使用寿命；另外球化退火时采用两次球化方法，导致该阶段耗时长，势必会降低生产效率。
CN202010394621.8公开了一种用于H13钢等温球化退火工艺，其不足之处在于采用多次锻造，工艺流程长，降低了生产效率；另外，锻后采用两次淬火预处理的方式，能源消耗较大，增加了生产成本。
发明内容
针对退火组织的均匀性差及生产效率低等技术问题，本发明提供一种提高H13钢退火组织均匀性的热处理工艺，可获得碳化物颗粒尺寸适中、分布均匀的退火组织，同时简化了锻后预处理工艺，提高生产效率。
本发明提供一种提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，包括将化学成分冶炼、精炼、锻造、去应力退火、正火预处理、球化退火所得；其中，在精炼的RH炉真空脱气阶段向铁水中喂入含Ce的复合线。
进一步的，化学成分以百分含量计包括：C 0.37％～0.42％，Si 0.80％～1.20％，Mn0.20％～0.50％，Cr 5.00％～5.50％，Mo 1.20％～1.75％，V 0.80％～1.00％，P≤0.015％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质。
进一步的，精炼工艺为，RH炉真空脱气处理时真空度≤200Pa，保压时间≥12min，纯脱气时间≥10min，软吹时间≥15min。
进一步的，在铁水中全氧含量≤16ppm时喂入含Ce的复合线。
进一步的，含Ce的复合线包括如下百分含量的成分：Ce 20％、Mg 10％、C 2％，余量为Fe；其中以Ce计，占钢含量的0.008％～0.015％。
进一步的，锻造工艺为，炉温≤800℃时将钢坯投入加热炉，预热15～30min后以30～100℃/h的升温速度升温至1190±10℃，炉料透保后保温1～2h，取出沿轴向进行三墩三拔锻造。
进一步的，去应力退火的工艺为，将锻造后的钢坯冷却至480±20℃，装入炉中以30～100℃/h的升温速度升温至730±20℃，炉料透保后保温2-3h，出炉空冷。
进一步的，正火预处理的工艺为，将钢坯空冷至400±50℃后装炉，以30～100℃/h的升温速度升温至820±20℃预热保温，保温时间1.5～2h，再以30～100℃/h的升温速度升温至1030±30℃，炉料透保后保温1-1.5h，出炉空冷。
进一步的，球化退火的工艺为，钢坯空冷至≤150℃后装入加热炉，以30～100℃/h的升温速度升温至860±10℃，保温2h，以18±2℃/h的冷却速度冷却至750±10℃，保温5h后以17±2℃/h的冷却速度冷却至600℃，再以28±2℃/h的冷却速度冷却至≤500℃出炉空冷。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明从成分设计上添加微量Ce元素，利用稀土Ce净化钢液、变质夹杂、细化晶粒和微合金化作用等传承特性，抑制C与Cr、Mo、V等合金元素在晶界处的偏聚，减轻铸态组织中的枝晶偏析，以达到提高组织均匀性和碳化物分布均匀性的目的，从而获得冶金质量较好的原始组织，为后续获得碳化物颗粒尺寸适中、分布均匀的退火组织做好准备。
(2)本发明在精炼炉真空除气阶段喂入含Ce的复合线，可提高Ce元素的收得率。
(3)本发明制得的H13热作模具钢经稀土处理后碳化物聚集减少、偏析减轻，锻后经正火预处理，即可让晶界附近处的合金碳化物充分溶入到奥氏体中，使得原始组织中的链状、网状碳化物溶解，简化了锻后预处理工艺，不仅节约了能源，还提高了生产效率。
(4)本发明获得的H13钢退火组织与传统退火工艺获得的退火组织相比，具有工艺流程短、球化效果好、力学性能优异的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明具体实施方式实施例1制得H13钢退火处理后金相组织照片。
图2是本发明具体实施方式对比例制得H13钢退火处理后金相组织照片。
图3是本发明具体实施方式实施例1制得H13钢退火处理后SEM组织形貌照片。
图4是本发明具体实施方式对比例制得H13钢退火处理后SEM组织形貌照片。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如下实施例采用的含Ce的复合线均包括如下百分含量的成分：Ce 20％、Mg 10％、C 2％，余量为Fe。
实施例1
本发明所述的一种提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法包括以下步骤：
(1)冶炼：化学成分按如下重量百分数设计：C 0.37％％，Si 0.80％，Mn 0.2％，Cr5.00％，Mo 1.20％，V 0.80％，P≤0.015％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质，将上述化学成分冶炼；
(2)精炼：冶炼后精炼，具体为，在RH炉真空除气阶段喂入含Ce的复合线，以Ce计，占钢含量的0.008％，喂入时全氧量为16ppm，RH炉真空脱气处理时真空度≤200Pa，保压时间为12min，纯脱气时间为10min，软吹时间为15min；
(3)锻造：炉温800℃时将钢毛坯放入加热炉中，预热20min后以80℃/h的升温速度升温至1195℃，炉料透保后保温1.5h，取出沿轴向经“三墩三拔”工艺锻成Ф70mm的棒材；
(4)去应力退火：将锻造后的棒材冷却至490℃，装入炉中以80℃/h的升温速度升温至740℃，炉料透保后保温2h，出炉空冷；
(5)正火预处理：将所述步骤(4)处理的棒材空冷至400℃后热装炉，以80℃/h的升温速度升温至840℃预热保温1.5h，再以80℃/h的升温速度升温至1050℃，炉料透保后保温1h，出炉空冷，完成预处理过程；
(6)球化退火：将所述步骤(4)处理的棒材空冷至150℃后装入加热炉，以80℃/h的升温速度升温至870℃，保温2h，以20℃/h的冷却速度冷却至760℃，保温5h后以19℃/h的冷却速度冷却至600℃，再以30℃/h的冷却速度冷却至≤500℃出炉空冷。
实施例2
本发明所述的一种提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法包括以下步骤：
(1)冶炼：化学成分按如下重量百分数设计：C 0.42％，Si 1.20％，Mn 0.50％，Cr5.50％，Mo 1.75％，V 1.00％，P≤0.015％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质，将上述化学成分冶炼；
(2)精炼：冶炼后精炼，具体为，在RH炉真空除气阶段喂入含Ce的复合线，以Ce计，占钢含量的0.015％，喂入时全氧量为15ppm，RH炉真空脱气处理时真空度≤200Pa，保压时间为14min，纯脱气时间为12min，软吹时间为17min；
(3)锻造：炉温780℃时将钢毛坯放入加热炉中，预热25min后以50℃/h的升温速度升温至1186℃，炉料透保后保温2h，取出沿轴向经“三墩三拔”工艺锻成Ф50mm的棒材；
(4)去应力退火：将锻造后的棒材冷却至480℃，装入炉中以50℃/h的升温速度升温至748℃，炉料透保后保温2.5h，出炉空冷；
(5)正火预处理：将所述步骤(4)处理的棒材空冷至450℃后热装炉，以50℃/h的升温速度升温至830℃预热保温2h，再以50℃/h的升温速度升温至1040℃，炉料透保后保温1.5h，出炉空冷，完成预处理过程；
(6)球化退火：将所述步骤(4)处理的棒材空冷至130℃后装入加热炉，以50℃/h的升温速度升温至860℃，保温2h，以17℃/h的冷却速度冷却至750℃，保温5h后以15℃/h的冷却速度冷却至600℃，再以26℃/h的冷却速度冷却至≤500℃出炉空冷。
设置对比例，对比例工艺与实施例1不同的是，在步骤(2)中，不喂入含Ce的复合线。
图1、图2分别为实施例1及对比例制得的H13钢心部试样退火态金相组织照片；图3、图4分别为实施例1及对比例制得的H13钢心部试样SEM组织形貌照片，由上图可以看出，本发明实施例制得H13钢沿晶界呈网状和链状分布的碳化物消除，颗粒尺寸细小、分布均匀，具有更好的球化效果。
实施例1、2及对比例制得H13钢经1030℃×30min油冷淬火+580℃×2h两次空冷回火的热处理工艺后，检测其力学性能。具体力学性能数据见表1。
表1实施例1、2及对比例制得H13钢回火处理后力学性能数据
Figure BDA0003825105390000061
由表1可以看出，经本发明实施例较对比例制得H13钢力学性能相近，符合H13钢板使用性能要求。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，包括将化学成分冶炼、精炼、锻造、去应力退火、正火预处理、球化退火所得；其中，在精炼的RH炉真空脱气阶段向铁水中喂入含Ce的复合线。
2.如权利要求1所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，化学成分以百分含量计包括：C 0.37％～0.42％，Si 0.80％～1.20％，Mn 0.20％～0.50％，Cr5.00％～5.50％，Mo 1.20％～1.75％，V 0.80％～1.00％，P≤0.015％，S≤0.003％，其余为Fe及不可避免的杂质。
3.如权利要求1所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，精炼工艺为，RH炉真空脱气处理时真空度≤200Pa，保压时间≥12min，纯脱气时间≥10min，软吹时间≥15min。
4.如权利要求3所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，在铁水中全氧含量≤16ppm时喂入含Ce的复合线。
5.如权利要求1所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，含Ce的复合线包括如下百分含量的成分：Ce 20％、Mg 10％、C 2％，余量为Fe；其中以Ce计，占钢含量的0.008％～0.015％。
6.如权利要求1所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，锻造工艺为，炉温≤800℃时将钢坯投入加热炉，预热15～30min后以30～100℃/h的升温速度升温至1190±10℃，炉料透保后保温1～2h，取出沿轴向进行三墩三拔锻造。
7.如权利要求1所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，去应力退火的工艺为，将锻造后的钢坯冷却至480±20℃，装入炉中以30～100℃/h的升温速度升温至730±20℃，炉料透保后保温2-3h，出炉空冷。
8.如权利要求1所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，正火预处理的工艺为，将钢坯空冷至400±50℃后装炉，以30～100℃/h的升温速度升温至820±20℃预热保温，保温时间1.5～2h，再以30～100℃/h的升温速度升温至1030±30℃，炉料透保后保温1～1.5h，出炉空冷。
9.如权利要求1所述的提高H13热作模具钢退火组织均匀性的方法，其特征在于，球化退火的工艺为，钢坯空冷至≤150℃后装入加热炉，以30～100℃/h的升温速度升温至860±10℃，保温2h，以18±2℃/h的冷却速度冷却至750±10℃，保温5h后以17±2℃/h的冷却速度冷却至600℃，再以28±2℃/h的冷却速度冷却至≤500℃出炉空冷。
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