CN116287583B - 一种含铌热作模具钢5CrNiMoV及其热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法，包括如下步骤：等温退火预处理；高温淬火处理：将经等温退火预处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放入热处理炉内进行高温处理，然后随炉降温100～200℃，再将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的工作面先浸入冷却油介质中冷却一段时间，然后将其整体浸入到冷却油介质中冷却至180～200℃，最后取出空冷至室温；一次回火处理；二次回火处理。本发明通过等温退火预处理、高温淬火处理、一次回火处理和二次回火处理，尤其是高温淬火处理方法的改进，有效改善了小尺寸含铌热作模具钢5CrNiMoV的高温热稳定性和高温热疲劳性。
Description
技术领域
本发明涉及热作模具钢领域，特别是涉及一种适合于小尺寸含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法。
背景技术
热作模具钢工作条件的主要特点是与热态金属相接触，因此，对其高温性能要求较高。5CrNiMoV热作模具钢与传统的5CrNiMo热作模具钢相比，具有冲击韧性好、淬透性好、制造成本低等优点，广泛用于制造各种大中型锻锤模以及切边模。
含铌热作模具钢5CrNiMoV由于添加微量铌元素后，使其在加热过程中奥氏体晶粒更好细化，从而进一步增强了高温热稳定性和高温热疲劳性能，是当前广泛应用于大型锻模和压力机锻锤的一种微合金热作模具钢，其界面尺寸、厚度通常均大于400mm。中国专利CN 104046915 B公开了一种大截面压铸用高性能热作模具钢及其制备工艺，其通过配方的改进和热处理工艺，制备出在室温到700℃下表面裂纹均匀的热作模具钢。
随着科技的进步，小型精密铸件得到了快速的发展，适用于小型精密铸件的小尺寸热作模具钢的应用越来越多。但本申请发明人在实现本申请实施例中厚度及截面长度、宽度尺寸均≤400mm的小尺寸热作模具钢发明技术方案的过程中，发现上述技术至少存在如下技术问题：
采用上述热处理工艺处理小尺寸热作模具钢时，小尺寸热作模具钢表面由于加热被氧化形成脱碳层，降低了表面硬度，同时氧化层影响了表面质量及模具尺寸精度；在高于600℃的服役温度下使用，热作模具钢的表面硬度下降明显，且存在一定程度的疲劳裂纹，高温热稳定性有待进一步提高。
发明内容
本发明通过提供一种含铌热作模具钢5CrNiMoV及其热处理方法，解决了现有技术中小尺寸热作模具钢存在的上述问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法，包括如下步骤：
（1）等温退火预处理：将制备好的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件置于退火炉中进行等温退火预处理；
（2）高温淬火处理：将步骤（1）中经等温退火预处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放入热处理炉内进行高温处理，然后随炉降温100～200℃，再将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的工作面先浸入冷却油介质中冷却一段时间，然后将其整体浸入到冷却油介质中冷却至180～200℃，最后取出空冷至室温；
所述高温处理的工艺条件为：先将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件随炉以20～30℃/min的速率加热至900～930℃，然后恒温保持7～8h；
所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的工作面先在冷却油介质冷却20~35min；
（3）一次回火处理：将高温淬火处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，进行一次回火处理；
（4）二次回火处理：将一次回火处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中进行二次回火处理。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（1）中，所述等温退火预处理的工艺条件为：温度600～630℃，时间3.5～5h。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（2）中，所述高温处理的工艺条件为：先将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件随炉以20～30℃/min的速率加热至900～930℃，然后恒温保持7～8h。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（3）中，所述一次回火处理的工艺条件为：将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件以20～30℃/min的速率随炉加热至580～600℃，然后保温回火处理11～12h，随后取出空冷至室温。
在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（4）中，所述二次回火处理的工艺条件为：将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于520～540℃的热处理炉中，保温5～6h，随后取出空冷至室温。
在本发明一个较佳实施例中，所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的厚度≤400mm。
在本发明一个较佳实施例中，所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的宽度≤400mm，长度≤400mm。
为解决上述技术问题，本发明还提供了一种含铌热作模具钢5CrNiMoV，其特征在于，采用上述热处理方法处理得到。
在本发明一个较佳实施例中，所述含铌热作模具钢5CrNiMoV包括如下组分：
C 为0.48～0.56wt%，Si 为0.18～0.25wt%，Cr为 0.9～1.1wt%，Mn为0.5～0.8wt%，Cu为0.09～0.12wt%，Ni为1.35～1.55wt%，Mo为1.6～2.0wt%，V为0.6～0.8wt%，Nb为0.03～0.06wt%，P为0～0.011wt%，S为0～0.003wt%，其余为Fe。
本发明的有益效果是：本发明一种含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法，通过等温退火预处理、高温淬火处理、一次回火处理和二次回火处理，尤其是高温淬火处理方法的改进，有效改善了小尺寸含铌热作模具钢5CrNiMoV的高温热稳定性和高温热疲劳性，经本发明的热处理方法处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件在600℃的高温工作环境下的表面硬度高，不产生热疲劳裂纹，能够适应700℃以上的工作环境，从而进一步拓宽了含铌热作模具钢5CrNiMoV的应用范围和使用寿命，市场前景广阔。
附图说明
图1是本发明含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法流程示意图；
图2是本发明实施例1中经热处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件经600℃工作温度后的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
请参阅图1和图2，本发明实施例包括：
实施例1
一种小尺寸含铌热作模具钢5CrNiMoV工件，其尺寸为：长度400mm，宽度400mm，厚度400mm。
所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件包括如下化学成分：C 为0.48wt%，Si 为0.18wt%，Cr为 0.9wt%，Mn为0.5wt%，Cu为0.09wt%，Ni为1.35wt%，Mo为1.6wt%，V为0.6wt%，Nb为0.03wt%，P为0.011wt%，S为0.003wt%，其余为Fe。
对上述小尺寸含铌热作模具钢5CrNiMoV工件进行热处理，具体包括如下步骤：
（1）等温退火预处理
将制备好的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件（以下简称工件）置于610℃退火炉中等温退火预处理4h，该等温退火预处理工艺不仅能够避免工件出现加热不足或过热现象，还能保证过冷奥氏体转变完成时间最短，同时工件的表面和心部全部完成了奥氏体的转变，整体达到组织均匀化最高的程度；
（2）高温淬火处理：将等温退火预处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放入热处理炉内，并随炉以30℃/min的加热速度加热至910℃，保温7h，然后随炉降温至790℃，迅速将所述工件从热处理炉内取出，并将其工作面先浸入常温冷却油介质中冷却35min后，再将整个工件置于常温冷却油介质中，待所述工件温度降至190℃后，迅速离开冷却油，进行空冷至室温；
上述高温淬火工艺能够确保工件中形成更多的针状马氏体和性能优良的下贝氏体混合组织，从而提高其综合性能；
另外，通过工作面先油冷一段时间后再整体冷却的方式，有利于提高工作面的淬透层厚度，从而提高工作面的耐磨性和耐疲劳性能；
（3）一次回火处理：将上述高温淬火处理的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，并以25℃/min的加热速度随炉加热至590℃，保温11h，然后取出空冷至室温；
（4）二次回火处理：在上述一次回火处理的基础上，将所述热处理炉的炉温降低至530℃，然后将经过一次回火处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，恒温保持5h，然后取出空冷至室温，完成二次回火处理，得到热处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件。
实施例2
一种小尺寸含铌热作模具钢5CrNiMoV工件，其尺寸为：长度350mm，宽度350mm，厚度350mm。
所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件包括如下化学成分：C 为0.52wt%，Si 为0.21wt%，Cr为1.0wt%，Mn为0.65wt%，Cu为0.10wt%，Ni为1.45wt%，Mo为1.8wt%，V为0.7wt%，Nb为0.45wt%，P为0.008wt%，S为0.002wt%，其余为Fe。
对上述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件进行热处理，具体包括如下步骤：
（1）等温退火预处理
将制备好的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件置于620℃退火炉中等温退火预处理4.5h；
（2）高温淬火处理：将等温退火预处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放入热处理炉内，并随炉以30℃/min的加热速度加热至905℃，保温7.5h，然后随炉降温至785℃，迅速将所述工件从热处理炉内取出，并将其工作面先浸入常温冷却油介质中冷却30min后，再将整个工件置于常温冷却油介质中，待所述工件温度降至190℃后，迅速离开冷却油，进行空冷至室温；
（3）一次回火处理：将上述高温淬火处理的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，并以30℃/min的加热速度随炉加热至595℃，保温11.5h，然后取出空冷至室温；
（4）二次回火处理：在上述一次回火处理的基础上，将所述热处理炉的炉温降低至535℃，然后将经过一次回火处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，恒温保持5.5h，然后取出空冷至室温，完成二次回火处理，得到热处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件。
实施例3
一种小尺寸含铌热作模具钢5CrNiMoV工件，其尺寸为：长度300mm，宽度300mm，厚度300mm。
所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件包括如下化学成分：C 为0.56wt%，Si 为0.25wt%，Cr为1.1wt%，Mn为0.8wt%，Cu为0.12wt%，Ni为1.55wt%，Mo为2.0wt%，V为0.8wt%，Nb为0.06wt%，P为0.009wt%，S为0.025wt%，其余为Fe。
对上述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件进行热处理，具体包括如下步骤：
（1）等温退火预处理
将制备好的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件置于630℃退火炉中等温退火预处理5h；
（2）高温淬火处理：将等温退火预处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放入热处理炉内，并随炉以25℃/min的加热速度加热至920℃，保温8h，然后随炉降温至800℃，迅速将所述工件从热处理炉内取出，并将其工作面先浸入常温冷却油介质中冷却25min后，再将整个工件置于常温冷却油介质中，待所述工件温度降至190℃后，迅速离开冷却油，进行空冷至室温；
（3）一次回火处理：将上述高温淬火处理的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，并以25℃/min的加热速度随炉加热至600℃，保温12h，然后取出空冷至室温；
（4）二次回火处理：在上述一次回火处理的基础上，将所述热处理炉的炉温降低至540℃，然后将经过一次回火处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，恒温保持6h，然后取出空冷至室温，完成二次回火处理，得到热处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件。
对比例1
与实施例1相比，在高温淬火过程中，含铌热作模具钢5CrNiMoV工件从热处理炉中取出后，直接整体浸入到常温冷却油介质中进行冷却处理。
对比例2
与对比例1相比，等温退火预处理的工艺条件为温度730℃。
对比例3
与对比例1相比，高温淬火温度为1100℃。
对上述实施例1-3及对比例1-3处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件依据国标，进行表面硬度、冲击韧性和高温热疲劳性能测试，测试结果如下表1所示。
表1
由表1中的测试数据可知，本发明的热处理方法能够有效提高小尺寸热作模具钢在600℃以上的高温热稳定性、表面硬度和耐疲劳性能。经本发明的方法处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件在室温下具有优异的表面硬度和冲击韧性，在600℃工作条件下，其表面硬度降低微小，表面没有生成疲劳裂纹，具有优异的表面硬度、高温热稳定性和抗高温热疲劳性能，在600℃不产生高温热疲劳，有效解决了现有技术中的含铌热作模具钢5CrNiMoV在600℃的工作条件下存在热疲劳的缺点。
另外，通过本发明的热处理方法处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件在700℃条件下虽然有一定程度的热疲劳裂纹产生，但裂纹尺寸较小，表面硬度仍较理想，能够适应更高温度下的作业。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）等温退火预处理：将制备好的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件置于退火炉中进行等温退火预处理；所述等温退火预处理的工艺条件为：温度600～630℃，时间3.5～5h；
（2）高温淬火处理：将步骤（1）中经等温退火预处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放入热处理炉内进行高温处理，然后随炉降温100～200℃，再将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的工作面先浸入冷却油介质中冷却一段时间，然后将其整体浸入到冷却油介质中冷却至180～200℃，最后取出空冷至室温；
所述高温处理的工艺条件为：先将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件随炉以20～30℃/min的速率加热至900～930℃，然后恒温保持7～8h；
所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的工作面先在冷却油介质冷却20~35min；
（3）一次回火处理：将高温淬火处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中，进行一次回火处理；
（4）二次回火处理：将一次回火处理后的含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于热处理炉中进行二次回火处理；
所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的厚度≤400mm；
所述含铌热作模具钢5CrNiMoV包括如下组分：
C 为0.48～0.56wt%，Si 为0.18～0.25wt%，Cr为 0.9～1.1wt%，Mn为0.5～0.8wt%，Cu为0.09～0.12wt%，Ni为1.35～1.55wt%，Mo为1.6～2.0wt%，V为0.6～0.8wt%，Nb为0.03～0.06wt%，P为0～0.011wt%，S为0～0.003wt%，其余为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述一次回火处理的工艺条件为：将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件以20～30℃/min的速率随炉加热至580～600℃，然后保温回火处理11～12h，随后取出空冷至室温。
3.根据权利要求1所述的一种含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法，其特征在于，所述步骤（4）中，所述二次回火处理的工艺条件为：将所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件放置于520～540℃的热处理炉中，保温5～6h，随后取出空冷至室温。
4.根据权利要求1所述的一种含铌热作模具钢5CrNiMoV的热处理方法，其特征在于，所述含铌热作模具钢5CrNiMoV工件的宽度≤400mm，长度≤400mm。
5.一种含铌热作模具钢5CrNiMoV，其特征在于，采用权利要求1-4任一项所述的热处理方法处理得到。
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