H13模具鋼熱處理方法以及通過(guò)其獲得的h13模具鋼的制作方法

　　【技術(shù)領(lǐng)域】

　　[0001] 本發(fā)明涉及合金的熱處理方法，特別是H13模具鋼的熱處理方法。本發(fā)明還涉及 通過(guò)該處理方法獲得的H13模具鋼。

　　【背景技術(shù)】

　　[0002] 4Cr5MoSiVl(美標(biāo)H13模具鋼）為一種合金熱作模具鋼，其在從室溫到650°C的溫 度下具有良好的綜合力學(xué)性能和熱強(qiáng)性、抗冷熱疲勞性能及抗液態(tài)金屬?zèng)_蝕性，已經(jīng)廣泛 地用于鍛造壓力機(jī)模具、鋁合金壓鑄模具和熱擠壓用模具。它被認(rèn)為是當(dāng)前世界上應(yīng)用最 廣泛的一類熱作模具鋼。從1995年以來(lái)，H13模具鋼一直是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最廣的熱作模具鋼。 H13模具鋼生產(chǎn)中最常見(jiàn)也最難消除的顯微組織不均勻性-帶狀組織是由于鋼液冷卻過(guò)程 中合金元素在樹(shù)枝晶各部分分布不均勻造成的，這種枝晶偏析在隨后的乳制過(guò)程中會(huì)沿著 乳向分布，例如在圖1中所詳細(xì)示出的。圖1為電渣重熔后的鋼錠不經(jīng)鍛造直接進(jìn)入高溫 擴(kuò)散退火，高溫?cái)U(kuò)散后進(jìn)行鍛造（兩鐓兩拔），然后等溫球化退火。

　　[0003] 在鋼中產(chǎn)生鐵素體-珠光體相間分布的帶狀組織使鋼材的力學(xué)性能產(chǎn)生方向性： 橫向塑性韌性降低，切削性能和表面光潔度變差。該帶狀組織會(huì)導(dǎo)致工件在工作過(guò)程中沿 著鐵素體-珠光體兩相的交界處開(kāi)裂，縮短工件的使用壽命，因此在生產(chǎn)過(guò)程中一般要求 帶狀組織不大于2級(jí)別。

　　[0004] 目前消除帶狀組織通常的做法是將電渣重熔后的鋼錠直接加熱到較高溫度，然后 進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間保溫來(lái)進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火。長(zhǎng)時(shí)間高溫?cái)U(kuò)散退火能改善元素的不均勻分布狀 況，也能溶解偏析帶中存在的大塊共晶碳化物，使其尺寸減小，減輕一次共晶碳化物對(duì)鋼材 力學(xué)性能的影響。但高溫?cái)U(kuò)散有以下2個(gè)方面的不足：1)為達(dá)到最優(yōu)的擴(kuò)散效果，要盡可 能地提高擴(kuò)散溫度，增加擴(kuò)散時(shí)間，最大限度地降低金屬元素的偏析指數(shù)；高溫和長(zhǎng)時(shí)間擴(kuò) 散會(huì)造成脫碳及晶粒的異常長(zhǎng)大現(xiàn)象，并且鋼錠會(huì)出現(xiàn)大量氧化損失；和2)高溫?cái)U(kuò)散后需 要采用特殊的細(xì)化方法來(lái)恢復(fù)長(zhǎng)大的晶粒。

　　[0005] 在目前普遍采用的擴(kuò)散退火工藝中，直接將電渣重熔錠進(jìn)行擴(kuò)散退火。在此情況 下，由于未經(jīng)鍛造的重熔錠的枝晶較大，所以偏析元素需要擴(kuò)散較大的距離，因此高溫?cái)U(kuò)散 需要長(zhǎng)的停留時(shí)間。對(duì)于經(jīng)過(guò)鍛造后的鋼錠，其內(nèi)部缺陷增多，因元素與位錯(cuò)釘扎等導(dǎo)致元 素較難擴(kuò)散。

　　[0006] 針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明人進(jìn)行了深入的研究，并且成功找到了解決方法，從而做出 本發(fā)明。具體而言，本發(fā)明采用擴(kuò)散退火前鍛造，細(xì)化樹(shù)枝晶，縮短擴(kuò)散距離，并通過(guò)三階段 的保溫最大限度地消除晶粒內(nèi)和晶粒間的缺陷，從而為擴(kuò)散創(chuàng)造最優(yōu)的條件，最終基本消 除了帶狀組織。

　　【發(fā)明內(nèi)容】

　　[0007] 本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種H13模具鋼的熱處理方法，以解決上述問(wèn)題。

　　[0008] 在一個(gè)方面，提供一種H13模具鋼熱處理方法。所述方法包括以下步驟：（1)采 用兩鐓兩拔工藝，將經(jīng)過(guò)電渣重熔得到的鋼錠進(jìn)行一次加熱鍛造，所述一次加熱鍛造包括 將經(jīng)過(guò)加熱鍛造的鋼錠加熱至850°C至1180°C，以破碎樹(shù)枝晶和枝晶間的偏聚區(qū)，其中始 鍛溫度為1180°C，終鍛溫度為850°C;(2)對(duì)經(jīng)過(guò)鍛造的鋼錠進(jìn)行三階段保溫處理，所述三 階段保溫處理可以包括：第一階段保溫，其中以4-5°C/分鐘的速度將鋼錠加熱到390°C 至410°C的溫度，然后進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為90-lOOs/lmm厚鋼材；第二階段保溫，其中 以4-5°C/分鐘的速度將鋼錠加熱到640°C至660°C的溫度，然后進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為 70-110s/lmm厚鋼材；和第三階段保溫，其中以4-5°C/分鐘的速度將鋼錠加熱到890°C至 910°C的溫度，然后進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為60-llOs/lmm厚鋼材；（3)將經(jīng)過(guò)保溫處理的鋼錠 進(jìn)行擴(kuò)散退火；(4)采用兩鐓兩拔工藝對(duì)鋼錠進(jìn)行二次加熱鍛造；和（5)對(duì)所得鋼錠進(jìn)行等 溫球化退火。

　　[0009] 所述三階段保溫處理促使鋼錠在三個(gè)不同溫度區(qū)域發(fā)生不同變化以獲得最佳的 擴(kuò)散條件：第一階段主要是晶粒內(nèi)部點(diǎn)缺陷的變化，減少晶粒內(nèi)部畸變，降低畸變能，使得 晶粒內(nèi)部更均勻，從而有利于合金元素的擴(kuò)散；第二階段主要是消除晶粒內(nèi)部的大部分異 號(hào)刃位錯(cuò)，減少位錯(cuò)與溶質(zhì)原子間的釘扎作用力，消除位錯(cuò)對(duì)溶質(zhì)原子運(yùn)動(dòng)的限制；第三階 段主要用于促使同號(hào)的刃位錯(cuò)平行排列形成亞晶界，即形成合金元素?cái)U(kuò)散的快速通道。通 過(guò)上述三階段保溫之后，鋼錠組織結(jié)構(gòu)獲得最佳的擴(kuò)散條件。

　　[0010] 特別地，所述三個(gè)溫度階段讓材料分別在各自的溫度區(qū)間發(fā)生三種不同的組織變 化：晶體內(nèi)部空位等點(diǎn)缺陷變化、晶粒及晶界處位錯(cuò)等線缺陷變化、樹(shù)枝晶間均勻化及孿晶 變化，所有這些都會(huì)給成分的均勻化創(chuàng)造最優(yōu)的擴(kuò)散條件。

　　[0011] 根據(jù)前述方面的方法，所述二次加熱鍛造可以包括將經(jīng)過(guò)加熱鍛造的鋼錠加熱 至850°C至1180°C，以破碎樹(shù)枝晶和枝晶間的偏聚區(qū)，其中始鍛溫度為1180°C，終鍛溫度為 850。。。

　　[0012] 在常規(guī)的模具鋼中，鑄態(tài)的鋼錠往往晶粒粗大，合金元素偏聚區(qū)域集中，擴(kuò)散所經(jīng) 過(guò)的距離較長(zhǎng)，短時(shí)高溫?cái)U(kuò)散不會(huì)有明顯的均勻化效果。與此相比，在本發(fā)明的方法中，通 過(guò)第一步的鍛乳變形工藝，破碎了樹(shù)枝晶及元素偏聚區(qū)，縮短了擴(kuò)散所需距離并且增加了 元素的擴(kuò)散路徑。

　　[0013] 根據(jù)前述方面的方法，在高溫下的擴(kuò)散退火可以包括將鋼錠以10°C/min-15°C/ min的升溫速度加熱到1230°C至1250°C，保溫5-7小時(shí)左右，然后將鋼錠隨爐冷卻至室溫。 經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散退火后，所得鋼錠的化學(xué)成分均勻性得到明顯改善。

　　[0014] 根據(jù)前述方面的方法，在對(duì)高溫?cái)U(kuò)散退火后，可以利用兩鐓兩拔工藝對(duì)鋼錠進(jìn)行 二次加熱鍛造，以改善組織的均勻性并提高力學(xué)性能。

　　[0015] 根據(jù)前述方面的方法，所述等溫球化退火可以包括在860°C至890°C的溫度下對(duì) 鋼錠保溫1-3小時(shí)，然后降溫至740°C至760°C并且保溫3-5小時(shí)，最后將鋼錠隨爐冷卻到 500°C出爐。通過(guò)該等溫球化退火，可以進(jìn)一步細(xì)化鋼錠中的晶粒。

　　[0016] 在另一方面中，本發(fā)明提供一種H13模具鋼，所述H13模具鋼可以采用上述方面中 所述的方法來(lái)制造。

　　[0017] 在上文所述的減輕或消除H13模具鋼的帶狀組織的鍛造和熱處理的聯(lián)合方法中， 通過(guò)鍛乳破碎鑄態(tài)的粗大樹(shù)枝晶，改變了合金元素?cái)U(kuò)散環(huán)境。進(jìn)一步地，通過(guò)結(jié)合精細(xì)的分 步熱處理工藝，促進(jìn)了合金元素的充分?jǐn)U散，從而成功減輕或甚至消除了H13模具鋼中的 帶狀組織。另外，通過(guò)上述方法獲得的H13模具鋼具有良好的金相組織、適當(dāng)?shù)挠捕纫约傲?好的加工性。

　　【附圖說(shuō)明】

　　[0018] 圖1顯示通過(guò)常規(guī)熱處理工藝獲得的H13模具鋼的帶狀組織100倍顯微組織；

　　[0019] 圖2顯示通過(guò)本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案獲得的H13模具鋼的帶狀組織100倍顯 微組織；和

　　[0020] 圖3是根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案的熱處理工藝曲線。

　　【具體實(shí)施方式】

　　[0021] 下面通過(guò)具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員會(huì)理解，提供

　　這些實(shí)施例僅僅是為了舉例說(shuō)明，便于更好地理解本發(fā)明，而無(wú)意 于將本發(fā)明限制于這些實(shí)施例。

　　[0022] 實(shí)施例1

　　[0023] H13模具鋼的熱處理方法，其包括以下步驟：

　　[0024] 步驟1.將經(jīng)電渣重熔后得到的H13鋼錠進(jìn)行加熱鍛造，采用兩鐓兩拔工藝，加熱 至850-1180°C，以破碎樹(shù)枝晶及枝晶間的偏聚區(qū)，其中始鍛溫度1180°C，終鍛溫度850°C;

　　[0025] 第一次鐓粗至原鋼錠高度的50%以下，設(shè)備為蘭石重工3150T自由鍛壓機(jī)，隨后 拔長(zhǎng)至原長(zhǎng)度120%。第一次鐓拔后的過(guò)程坯返爐回?zé)瑫r(shí)間至少3小時(shí)；

　　[0026] 第二次鐓拔后的過(guò)程坯加熱至1240°C并保溫6小時(shí)，再拔長(zhǎng)成型，此過(guò)程分兩次 完成，第一天兩次鐓拔，第二天成型。過(guò)程坯應(yīng)預(yù)留1.5以上的拔比。

　　[0027] 步驟2.第一階段保溫：鍛壓后的鋼錠置于熱處理爐中，按4_5°C/分鐘的速度先 加熱到390-4KTC，保溫時(shí)間按90-llOs/lmm厚鋼板計(jì)算，不出爐，直接進(jìn)入下一階段保溫 階段。

　　[0028] 步驟3.第二階段保溫：繼續(xù)將鋼錠以4-5°C/min的速度加熱到640-660°C，保溫 時(shí)間為70-110s/lmm厚鋼材。

　　[0029] 步驟4.第三階段保溫：繼續(xù)將第二階段保溫后的鋼材以同樣的速度加熱到 890-9KTC，保溫時(shí)間為60-llOs/lmm厚鋼材。所述三個(gè)保溫階段的升溫和保溫過(guò)程在圖3 中詳細(xì)示出。

　　[0030]步驟5.高溫?cái)U(kuò)散退火：鋼錠快速加熱至1230_1250°C，保溫6小時(shí)左右，然后隨爐 冷至室溫。

　　[0031] 步驟6.再次鍛壓：與步驟1相同，采用兩鐓兩拔工藝再次對(duì)鋼錠熱鍛壓，以進(jìn)一步 改善組織，提高力學(xué)性能。

　　[0032] 步驟7.等溫球化退火：將再次鍛壓后的鋼錠置于熱處理爐中加熱到860~890°C 并保溫2h，降溫到740~760°C等溫4h，爐冷到500°C左右出爐。鋼錠在此退火狀態(tài)下具有 良好的金相組織、適當(dāng)?shù)挠捕群土己玫募庸ば浴亩玫綆罱M織減少的H13模具鋼。

　　[0033] 對(duì)上述實(shí)施例1中制得的鋼錠在顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖2所示。在圖2中， 明顯可見(jiàn)鋼錠中的各組分均勻分散，沒(méi)有明顯的帶狀組織。

　　[0034] 進(jìn)一步地，將在實(shí)施例1中制備的H13模具鋼與常規(guī)模具鋼經(jīng)統(tǒng)一調(diào)質(zhì)后進(jìn)行沖 擊試驗(yàn)及硬度測(cè)試比較，結(jié)果如下。

　　[0035] 1、硬度

　　[0036] 淬回火后的鋼錠硬度測(cè)試采用臺(tái)式洛氏硬度計(jì)測(cè)試，根據(jù)GB/T230對(duì)樣品進(jìn)行 測(cè)試，結(jié)果如下表1所示：

　　[0037] 表 1

　　[0038]

　　[0039] 由表1可見(jiàn)，通過(guò)本申請(qǐng)中描述的方法制備的鋼錠經(jīng)過(guò)淬回火后，其硬度相比一 般方法較高。

　　[0040] 2、沖擊韌性

　　[0041 ] 沖擊試驗(yàn)根據(jù)《GB/T229-2007金屬夏比缺口沖擊試驗(yàn)方法》，采用擺錘式?jīng)_擊機(jī) 試驗(yàn)，結(jié)果如下表2所示：

　　[0042] 表 2

　　[0043]

　　[0044] 由表2可見(jiàn)，鋼錠的沖擊韌性值在長(zhǎng)、寬兩個(gè)方向上均比一般方法高，而在厚度方 向的沖擊韌性值稍低于一般方法。

　　[0045] 3、非金屬夾雜

　　[0046] 表 3

　　[0047]

　　[0049] 表3中0、0. 5、1表示夾雜物尺寸長(zhǎng)度級(jí)別，各類型夾雜物具體數(shù)值詳見(jiàn)《GB/T 10561-2005鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》。由測(cè)定結(jié)果可以看出： 由本發(fā)明制得的鋼錠A型硫化物夾雜、B型鋁酸鹽夾雜的細(xì)系比常規(guī)工藝小一個(gè)評(píng)級(jí)級(jí)別， 而C型硅酸鹽夾雜與普通工藝相同。

　　[0050] 4、有害元素

　　[0051]H13模具鋼中雜質(zhì)元素可由鋼包精煉、電渣重熔及爐外精煉解決。鋼錠經(jīng)過(guò)上述精 煉方法后，雜質(zhì)元素含量已經(jīng)控制的很好，精煉后鋼錠化學(xué)成分與GB/T1299-2000比較如 下表4所示：

　　[0052]表 4

　　[0053]

　　[0054] 由表4可見(jiàn)，主要合金元素及P、S含量控制的很好，其中有害元素P、S的含量遠(yuǎn)高 于GB/T1299-2000 的要求。

　　【主權(quán)項(xiàng)】

　　1. 一種H13模具鋼熱處理方法，其特征在于包括以下步驟： (1) 采用兩鐓兩拔工藝對(duì)經(jīng)過(guò)電渣重熔得到的鋼錠進(jìn)行一次加熱鍛造，所述一次加熱 鍛造包括將經(jīng)過(guò)電渣重熔得到的鋼錠加熱至850°C至1180°C，其中始鍛溫度為1180°C，終 鍛溫度為850°C ; (2) 對(duì)經(jīng)過(guò)一次鍛造的鋼錠進(jìn)行三階段保溫處理，所述三階段保溫處理包括： 第一階段保溫，其中以4-5°C /分鐘的速度將鋼錠加熱到390°C至410°C的溫度，然后進(jìn) 行保溫，保溫時(shí)間為90-100s/lmm厚鋼材； 第二階段保溫，其中繼續(xù)以4-5°C /分鐘的速度將鋼錠加熱到640°C至660°C的溫度，然 后進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為70-110s/lmm厚鋼材；和 第三階段保溫，其中繼續(xù)以4-5°C /分鐘的速度將鋼錠加熱到890°C至910°C的溫度，然 后進(jìn)行保溫，保溫時(shí)間為60-110s/lmm厚鋼材； (3) 將經(jīng)過(guò)保溫處理的鋼錠進(jìn)行擴(kuò)散退火； (4) 采用兩鐓兩拔工藝對(duì)經(jīng)過(guò)擴(kuò)散退火的鋼錠進(jìn)行二次加熱鍛造；和 (5) 對(duì)所得鋼錠進(jìn)行等溫球化退火。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述擴(kuò)散退火包括將鋼錠以KTC / min-15°C /min的升溫速度加熱到1230°C至1250°C，保溫5-7小時(shí)，然后將鋼錠隨爐冷卻至 室溫。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述二次加熱鍛造包括將經(jīng)過(guò)擴(kuò)散退 火得到的鋼錠加熱至850°C至1180°C，其中始鍛溫度為1180°C，終鍛溫度為850°C。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述等溫球化退火包括在860°C至 890°C的溫度下對(duì)鋼錠保溫1-3小時(shí)，然后降溫至740°C至760°C并且保溫3-5小時(shí)，最后將 鋼錠隨爐冷卻到500°C出爐。5. -種H13模具鋼，其是根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法制造的。

　　【專利摘要】本發(fā)明涉及H13模具鋼熱處理方法以及通過(guò)其獲得的H13模具鋼。所述方法包括以下步驟：采用兩鐓兩拔工藝對(duì)經(jīng)過(guò)電渣重熔后得到的鋼錠進(jìn)行加熱鍛造；對(duì)經(jīng)過(guò)鍛造后的鋼錠進(jìn)行三階段保溫處理，所述三階段保溫處理包括：在390℃至410℃的溫度下進(jìn)行第一階段保溫，保溫時(shí)間為90-100s/1mm厚鋼材；在640℃至660℃的溫度下進(jìn)行第二階段保溫，保溫時(shí)間為70-110s/1mm厚鋼材；和在890℃至910℃的溫度下進(jìn)行第三階段保溫，保溫時(shí)間為60-110s/1mm厚鋼材。另外，本發(fā)明還涉及通過(guò)上述方法制得的H13模具鋼。

　　【IPC分類】C21D6/00, C21D8/00

　　【公開(kāi)號(hào)】CN105002337

　　【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510432234

　　【發(fā)明人】張代軒, 薛道榮

　　【申請(qǐng)人】北京奧普科星技術(shù)有限公司

　　【公開(kāi)日】2015年10月28日

　　【申請(qǐng)日】2015年7月21日