H13模具鋼熱處理方法以及通過其獲得的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)金屬沖蝕性，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，H13模具鋼一直是國內(nèi)應(yīng)用最廣的熱作模具鋼。 H13模具鋼生產(chǎn)中最常見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程 中合金元素在樹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程中會沿著 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。該帶狀組織會導(dǎo)致工件在工作過程中沿 著鐵素體-珠光體兩相的交界處開裂，縮短工件的使用壽命，因此在生產(chǎn)過程中一般要求 帶狀組織不大于2級別。
[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)行長時間保溫來進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散退火。長時間高溫?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鋼材 力學(xué)性能的影響。但高溫?cái)U(kuò)散有以下2個方面的不足：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)散時間，最大限度地降低金屬元素的偏析指數(shù)；高溫和長時間擴(kuò) 散會造成脫碳及晶粒的異常長大現(xiàn)象，并且鋼錠會出現(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)化方法來恢復(fù)長大的晶粒。
[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 需要長的停留時間。對于經(jīng)過鍛造后的鋼錠，其內(nèi)部缺陷增多，因元素與位錯釘扎等導(dǎo)致元 素較難擴(kuò)散。
[0006] 針對上述問題，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)化樹枝晶，縮短擴(kuò)散距離，并通過三階段 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)明的一個目的在于提供一種H13模具鋼的熱處理方法，以解決上述問題。
[0008] 在一個方面，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)過加熱鍛造的鋼錠加熱至850°C至1180°C，以破碎樹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)對經(jīng)過鍛造的鋼錠進(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，保溫時間為60-llOs/lmm厚鋼材；（3)將經(jīng)過保溫處理的鋼錠 進(jìn)行擴(kuò)散退火；(4)采用兩鐓兩拔工藝對鋼錠進(jìn)行二次加熱鍛造；和（5)對所得鋼錠進(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 號刃位錯，減少位錯與溶質(zhì)原子間的釘扎作用力，消除位錯對溶質(zhì)原子運(yùn)動的限制；第三階 段主要用于促使同號的刃位錯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、晶粒及晶界處位錯等線缺陷變化、樹枝晶間均勻化及孿晶 變化，所有這些都會給成分的均勻化創(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)過加熱鍛造的鋼錠加熱 至850°C至1180°C，以破碎樹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) 過的距離較長，短時高溫?cái)U(kuò)散不會有明顯的均勻化效果。與此相比，在本發(fā)明的方法中，通 過第一步的鍛乳變形工藝，破碎了樹枝晶及元素偏聚區(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，在對高溫?cái)U(kuò)散退火后，可以利用兩鐓兩拔工藝對鋼錠進(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 鋼錠保溫1-3小時，然后降溫至740°C至760°C并且保溫3-5小時，最后將鋼錠隨爐冷卻到 500°C出爐。通過該等溫球化退火，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， 通過鍛乳破碎鑄態(tài)的粗大樹枝晶，改變了合金元素?cái)U(kuò)散環(huán)境。進(jìn)一步地，通過結(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。
【附圖說明】
[0018] 圖1顯示通過常規(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顯示通過本發(fā)明方法的一個實(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] 下面通過具體的實(shí)施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本領(lǐng)域的普 通技術(shù)人員會理解，提供