CN112067473B - 一种模具钢控锻控冷过程的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出并公开了一种模具钢控锻控冷过程的实验方法，在热力模拟试验机上利用设计的专用凹头和平头不锈钢模具对模具钢进行控锻控冷实验。将所要实验的模具钢材料放置在模具中，在一定的变形工艺和冷却制度下，模拟实际锻造生产过程进行压缩实验，对其进行控制锻造和控制冷却，获得相应的锻后组织与性能。本实验方法具有便于操作、模具结构简单、变形和冷却参数控制准确、变形加热温度易控制、符合锻造生产过程实际情况等优点。
Description
技术领域
本发明属于材料技术领域，主要涉及一种模具钢控锻控冷过程的实验方法。
背景技术
锻造作为模具钢材料的主要成型方式，其产品质量受锻前加热温度及保温时间、始锻温度及终锻温度、变形量及变形速率、冷却速率等众多因素影响。模具钢材料的合金含量高，变形抗力大，热塑性差，受设备能力的限制，常规锻造过程中的控制锻造和控制冷却不易实现，一些较大的变形量也不会在常规锻造中使用或在常规锻造中难以达到，无法得到良好的组织与性能。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明提出了一种模具钢控锻控冷过程的实验方法，可以模拟实际锻造过程，并实现温度、变形量、变形速率和冷却速率的准确控制，获得常规锻造无法得到的锻后微观组织与优良的力学性能，为科研和生产技术改进提供指导作用。
本发明中的模具钢控锻控冷过程的实验方法为：
将所要实验的模具钢材料圆柱试样放置在压缩模具中，通过热力模拟试验机进行控锻控冷的压缩变形实验。所采用的压缩模具包括一对平头圆柱体不锈钢模具和一对凹头圆柱体不锈钢模具。所述平头圆柱体不锈钢模具的工作端为圆柱体的一个平面，所述凹头圆柱体不锈钢模具的工作端为圆柱体的一个平面，凹头圆柱体不锈钢模具的工作端中间有圆弧形凹面。
具体来说，所述的控锻控冷的压缩变形实验包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备模具钢材料，测量模具钢材料的奥氏体化温度；
(2)将模具钢材料加工成模具钢材料圆柱试样；
(3)将所述的一对平头圆柱体不锈钢模具固定在所述热力模拟试验机夹头内，将所述圆柱试样放置在所述的一对平头圆柱体不锈钢模具之间，圆柱试样的两端平面与平头圆柱体不锈钢模具工作端平面接触；使用热电偶等测温设备对圆柱试样温度进行监测，根据设定的变形温度、变形量、变形速率，对圆柱试样进行压缩实验，压缩实验后立即将圆柱试样置于水中淬火，保留高温变形组织；
(4)用所述的一对凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具，并将压缩后的圆柱试样沿竖直径向旋转90°置入凹头圆柱体不锈钢模具之间，此时的压缩圆柱试样呈圆鼓型，在侧面出现鼓肚凸起，凹头圆柱体不锈钢模具的工作端圆弧形所在平面与压缩圆柱试样两端平面平行，压缩圆柱试样沿鼓肚凸起外端与凹头圆柱体不锈钢模具的圆弧形凹面充分接触，根据设定的保温时间、变形温度、变形量、变形速率，对圆柱试样进行二次压缩实验，使圆柱试样沿轴向被拔长，优选的，再将圆柱试样沿轴向旋转一定角度，按照设定的保温时间、变形温度、变形量、变形速率进行再次压缩，根据设定的次数重复进行上述轴向旋转-压缩过程；变形后以设定冷却速率冷却至室温。
所述凹头圆柱体不锈钢模具的圆弧形凹面的圆弧半径为经过步骤(3)中压缩实验后的圆柱试样凸起外端半径的1～1.2倍，凹头圆柱体不锈钢模具的圆弧形凹面的圆弧圆心角为120°～150°。
优选的，所述步骤(3)中对圆柱试样温度进行监测的方法为：在圆柱试样进行压缩实验时的侧面中间焊接上两根热电偶线，热电偶线的另一端连接热模拟试验机，对圆柱试样温度进行监测。
其中步骤(1)中，测量奥氏体化温度的作用是：为步骤(3)和(4)的变形温度的设定提供理论参考。一方面，变形温度高于奥氏体化温度后，组织已经完全转变为奥氏体，奥氏体相的塑性变形能力最优，可以承受较大的变形量，因此本申请中设置的变形温度一般均高于奥氏体化温度。另一方面，奥氏体化温度下变形属于温锻范畴，组织中引入更多的位错等缺陷，增加了再结晶晶粒的形成能。
步骤(3)和(4)是模拟模具钢实际锻造中的墩粗、拔长过程，在步骤(3)的一次墩粗之后，圆柱试样会在侧边出现鼓肚凸起。由于热力模拟试验机是通过压缩模具与圆柱试样的接触对圆柱试样进行加热，在步骤(3)中圆柱试样的两端平面与平头圆柱体不锈钢模具的工作端平面接触，接触比较充分，加热情况良好。但经过一次墩粗之后，圆柱试样侧边出现鼓肚凸起，如果仍采用平头模具的话，平头模具的工作端平面与圆柱试样凸起接近于相切，接触面积很小。在模具钢的实际锻造生产过程中，由于锻件通常尺寸很大，散热很慢，能够保证合适的加热变形温度；而在热力模拟试验机上的模拟试验中，圆柱试样较小，散热相对较快，如果模具的工作端与圆柱试样接触面积太小则无法保证圆柱试样的整体温度，对圆柱试样变形温度的控制影响很大，也不符合锻造的实际情况。因而在第二次及之后的压缩实验过程中，本申请采用凹头圆柱不锈钢模具，工作端的圆弧形凹面可以与圆柱试样第一次压缩后形成的鼓肚凸起形成良好的接触或接近，有利于加热和圆柱试样的控温，更符合模具钢的实际锻造过程。
本申请中的圆柱试样在一次墩粗以后，沿竖直径向旋转90°后用一次或多次轴向旋转-压缩的方式模拟实际锻造中的拔长过程，符合实际锻造过程中的情况。
本申请的有益效果：使用热力模拟试验机对锻造过程进行模拟，相对于实际锻造过程，更容易实现对于变形量、变形速率、变形温度、冷却速率等参数的控制，实现对模具钢材料控锻控冷的目的。采用平头和凹头两组压缩模具，能够更好地模拟实际生产中的锻造过程，并且可以在热力模拟试验机上用实际生产锻造设备无法达到或实际生产中不会使用的变形量和变形速率等参数进行试验，得到能够形成良好的锻后微观组织和优良力学性能的锻造参数，为科研和生产过程提供指导作用。
附图说明
图1为本发明设计的压缩模具和圆柱试样放置方式示意图；
图2为本发明实施例1获得的H13钢的微观显微组织；
图3为本发明实施例2获得的H13钢的微观显微组织；
图4为本发明实施例3获得的Cr8Mo2SiV钢的微观显微组织；
图5为本发明实施例4获得的Cr8Mo2SiV钢的微观显微组织；
图6为本发明实施例5获得的3Cr2MnNiMo钢的微观显微组织，(a)750℃,(b)850℃,(c)950℃,(d)1050℃；
图7为本发明实施例6获得的3Cr2MnNiMo钢的微观显微组织，(a)20％,(b)40％,(c)80％。附图标记：：包括：1-圆柱试样，2-压缩模具，3-试验机夹头，4-平头圆柱体不锈钢模具及圆柱试样放置方式，5-凹头圆柱体不锈钢模具及圆柱试样放置方式。
具体实施方式
下述非限定性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本实施方式中圆柱试样的尺寸为Ф8×15mm，镦粗时压缩变形量均为50％，镦粗后的凸起外端直径为13mm，凹头圆柱体不锈钢模具的圆弧形半径设置为6.8mm，圆弧形的圆心角为120°。
实施例1
本实施例使用的压缩模具和圆柱试样放置方式如图1所示，本实施例所述控锻控冷的试验方法：将要研究的模具钢放置在压缩模具中间，利用热力模拟试验机对金属圆柱试样进行控锻控冷实验。具体包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢材料，成分为(重量百分比)：C 0.40％，Si 0.89％，Mn 0.42％，V 1.01％，Cr 5.15％，Mo 1.74％；
(2)加工(1)中的模具钢材料圆柱试样；
(3)将平头圆柱体不锈钢模具首先放置在试验机夹头内，圆柱试样夹持在一对平头圆柱体不锈钢模具中间，放置方式如图1所示，在圆柱试样侧面焊接热电偶监测圆柱试样温度，设置变形温度1050℃、变形速率1s-1、变形量50％，对圆柱试样进行镦粗，镦粗后圆柱试样立即取下置于水中淬火保留高温变形组织；
(4)将凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具固定于试验机夹头内，并将墩粗后的圆柱体圆柱试样沿竖直径向旋转90°，压缩圆柱试样沿凸起外端与凹头圆模接触，如图1所示。设置的变形温度1050℃、变形速率1s-1、变形量80％，对圆柱试样侧面进行压缩，使圆柱试样沿轴向一次拔长，拔长后圆柱试样立即取下置于水中淬火保留高温变形组织。
H13钢变形后圆柱试样的微观组织如图2所示，发生了完全再结晶，晶粒尺寸35μm，晶粒得到明显细化，显微维氏硬度为582.5HV。
实施例2
本实施例使用的压缩模具和圆柱试样放置方法与实施例1相同。具体包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备H13热作模具钢材料，成分为(重量百分比)：C 0.40％，Si 0.89％，Mn 0.42％，V 1.01％，Cr 5.15％，Mo 1.74％；
(2)加工(1)中的模具钢材料圆柱试样；
(3)将平头圆柱体不锈钢模具首先放置在试验机夹头内，圆柱试样夹持在一对平头圆柱体不锈钢模具中间，放置方式如图1所示，在圆柱试样侧面焊接热电偶监测圆柱试样温度，设置的变形温度1050℃、变形速率1s-1、变形量50％，镦粗后圆柱试样立即取下置于水中淬火保留高温变形组织；
(4)将凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具固定于试验机夹头内，并将墩粗后的圆柱体圆柱试样沿竖直径向旋转90°，压缩圆柱试样沿凸起外端与凹头圆模接触，如图1所示，设置的变形温度1050℃、变形速率1s-1、变形量60％，对圆柱试样侧面进行压缩，使圆柱试样沿轴向拔长，拔长后圆柱试样以冷却速率30℃/s冷却至室温。
H13钢变形后圆柱试样的微观组织如图3所示，组织中再结晶晶粒细小，晶粒尺寸55μm，显微维氏硬度为535HV，组织中存在着部分未再结晶区域，减小了圆柱试样开裂倾向。
实施例3
本实施例使用的压缩模具和圆柱试样放置方法与实施例1相同。具体包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备Cr8Mo2SiV冷作模具钢材料，成分为(重量百分比)：C0.98％，Si 1.02％，Mn 0.42％，Mo 2.1％,Cr 8.01％,V 0.32％；
(2)加工(1)中的模具钢材料圆柱试样；
(3)将平头圆柱体不锈钢模具首先放置在试验机夹头内，圆柱试样夹持在一对平头圆柱体不锈钢模具中间，放置方式如图1所示，在圆柱试样侧面焊接热电偶监测圆柱试样温度，设置变形温度1100℃、变形速率1s-1、变形量50％，对圆柱试样进行压缩镦粗，镦粗后圆柱试样立即取下置于水中淬火保留高温变形组织；
(4)将凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具固定于试验机夹头内，并将墩粗后的圆柱体圆柱试样沿竖直径向旋转90°，压缩圆柱试样沿凸起外端与凹头圆模接触，如图1所示，设置变形温度1050℃、变形速率1s-1、变形量30％，对圆柱试样进行第二次压缩，即第一次轴向拔长；然后再将圆柱试样沿轴向旋转90°，设置变形温度1000℃、变形速率1s-1、变形量30％，对圆柱试样进行第二次轴向拔长，变形后圆柱试样置于水中淬火保留高温变形组织。
Cr8Mo2SiV钢变形后圆柱试样的微观组织如图4所示，二次拔长后大尺寸共晶碳化物的破碎程度显著提高，溶解后再析出的粒状二次碳化物数量增多且分布更加弥散。圆柱试样显微维氏硬度值为486.4HV。
实施例4
本实施例使用的压缩模具和圆柱试样放置方法与实施例1相同。具体包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备Cr8Mo2SiV冷作模具钢，成分为(重量百分比)：C0.98％，Si 1.02％，Mn 0.42％，Mo 2.1％,Cr 8.01％,V 0.32％；
(2)加工(1)中的模具钢材料圆柱试样；
(3)将平头圆柱体不锈钢模具首先放置在试验机夹头内，圆柱试样夹持在一对平头圆柱体不锈钢模具中间，放置方式如图1所示，在圆柱试样侧面焊接热电偶监测圆柱试样温度，设置变形温度1100℃、变形速率1s-1、变形量50％，对圆柱试样进行镦粗，镦粗后圆柱试样立即取下置于水中淬火保留高温变形组织；
(4)将凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具固定于试验机夹头内，并将墩粗后的圆柱体圆柱试样沿竖直径向旋转90°，压缩圆柱试样沿凸起外端与凹头圆模接触，如图1所示，设置变形温度1100℃、变形速率5s-1、变形量50％，对圆柱试样侧面进行压缩，使圆柱试样沿轴向拔长，变形后圆柱试样置于水中淬火保留高温变形组织。
Cr8Mo2SiV钢变形后圆柱试样的微观组织如图5所示，圆柱试样显微维氏硬度为543.6HV，变形组织中以畸变的奥氏体晶粒为主，奥氏体晶粒沿拔长方向被拉长，组织中畸变能增加，存在着高位错密度的亚结构，为再结晶提供了充足的形核点。
实施例5
本实施例使用的压缩模具和圆柱试样放置方法与实施例1相同。具体包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备3Cr2MnNiMo塑料模具钢，成分为(重量百分比)：C0.36％，Si 0.20％，Mn 1.50％，Mo 0.40％,Ni 0.98％；
(2)加工(1)中的模具钢材料圆柱试样；
(3)将平头圆柱体不锈钢模具首先放置在试验机夹头内，圆柱试样夹持在一对平头圆柱体不锈钢模具中间，放置方式如图1所示，在圆柱试样侧面焊接热电偶监测圆柱试样温度，设置变形温度1050℃、变形速率1s-1、变形量50％，对圆柱试样进行镦粗，镦粗后圆柱试样立即取下置于水中淬火保留高温变形组织，制备4个墩粗圆柱试样；
(4)将凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具固定于试验机夹头内，并将墩粗后的圆柱体圆柱试样沿竖直径向旋转90°，压缩圆柱试样沿凸起外端与凹头圆模接触，如图1所示，4个圆柱试样分别设置变形温度750℃、850℃、950℃、1050℃，变形速率1s-1，变形量60％，对圆柱试样侧面进行压缩，使圆柱试样沿轴向拔长，变形后圆柱试样置于水中淬火保留高温变形组织。
3Cr2MnNiMo钢变形后试样组织如图6所示，变形温度为750℃的组织最为均匀，变形温度750℃、850℃、950℃、1050℃下的试样显微维氏硬度分别为638HV、672HV、678HV、681HV，晶粒尺寸分别为35μm、47μm、52μm、60μm。变形温度750℃位于α+γ两相区温度区间，变形过程中真应力达到450MPa，变形过程引入了更多位错，为再结晶提供了大量的形核位置，从而促进了动态再结晶过程，变形后组织中位错密度减小，再结晶程度高。
实施例6
本实施例使用的压缩模具和圆柱试样放置方法与实施例1相同。具体包括以下步骤：
(1)采用一定冶炼方法制备3Cr2MnNiMo塑料模具钢，成分为(重量百分比)：C0.36％，Si 0.20％，Mn 1.50％，Mo 0.40％,Ni 0.98％；
(2)加工(1)中的模具钢材料圆柱试样；
(3)将平头圆柱体不锈钢模具首先放置在试验机夹头内，圆柱试样夹持在一对平头圆柱体不锈钢模具中间，放置方式如图1所示，在圆柱试样侧面焊接热电偶监测圆柱试样温度，设置变形温度1050℃、变形速率1s-1、变形量50％，对圆柱试样进行镦粗，镦粗后圆柱试样立即取下置于水中淬火保留高温变形组织，制备3个墩粗圆柱试样；
(4)将凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具固定于试验机夹头内，并将墩粗后的圆柱体圆柱试样沿竖直径向旋转90°，压缩圆柱试样沿凸起外端与凹头圆模接触，如图1所示，设置变形温度1050℃、变形速率1s-1，三个墩粗圆柱试样分别采用变形量20％、40％、80％进行拔长，变形后试样置于水中淬火保留高温变形组织。
3Cr2MnNiMo钢变形后试样组织如图7所示，基体组织马氏体上弥散分布着碳化物粒子，变形量为40％时碳化物粒子含量最高，晶粒尺寸为55μm，显微维氏硬度为680HV。
Claims (7)
1.一种模具钢控锻控冷过程的实验方法，其特征在于，将所要研究的模具钢材料圆柱试样放置在压缩模具中，利用热力模拟试验机对所述圆柱试样进行控锻控冷实验，通过压缩模具与圆柱试样的接触对圆柱试样进行加热；所述的压缩模具包括：一对平头圆柱体不锈钢模具，一对凹头圆柱体不锈钢模具；所述平头圆柱体不锈钢模具的工作端为圆柱体的一个平面，所述凹头圆柱体不锈钢模具的工作端为圆柱体的一个平面，凹头圆柱体不锈钢模具的工作端中间有圆弧形凹面；
所述实验方法包括以下步骤：
（1）采用一定冶炼方法制备模具钢材料，测量模具钢材料的奥氏体化温度；
（2）将模具钢材料加工成模具钢材料圆柱试样；
（3）将所述的一对平头圆柱体不锈钢模具固定在所述热力模拟试验机夹头内，将所述圆柱试样放置在所述的一对平头圆柱体不锈钢模具之间，圆柱试样的两端平面与平头圆柱体不锈钢模具工作端平面接触；对圆柱试样温度进行监测，根据设定的变形温度、变形量、变形速率，对圆柱试样进行压缩实验，压缩实验后立即将圆柱试样置于水中淬火，保留高温变形组织；
（4）用所述的一对凹头圆柱体不锈钢模具替换平头圆柱体不锈钢模具，并将压缩后的圆柱试样沿竖直径向旋转90°置入凹头圆柱体不锈钢模具之间，凹头圆柱体不锈钢模具的工作端圆弧形所在平面与圆柱试样两端平面平行，压缩后的圆柱试样沿凸起外端与凹头圆柱体不锈钢模具的圆弧形凹面充分接触，根据设定的保温时间、变形温度、变形量、变形速率，对压缩后的圆柱试样进行二次压缩实验，变形后以设定冷却速率冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的模具钢控锻控冷过程的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
所述凹头圆柱体不锈钢模具的圆弧形凹面的圆弧半径为经过步骤（3）中压缩实验后的圆柱试样凸起外端半径的1-1.2倍，凹头圆柱体不锈钢模具的圆弧形凹面的圆弧圆心角为120°-150°。
3.根据权利要求1所述的模具钢控锻控冷过程的实验方法，其特征在于，在所述步骤（4）中的二次压缩实验之后，将圆柱试样沿轴向旋转一定角度，根据设定的保温时间、变形温度、变形量、变形速率进行再次压缩，将上述轴向旋转-压缩过程重复设定次数，再继续进行所述步骤（4）中的变形后以设定冷却速率冷却至室温的步骤。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的模具钢控锻控冷过程的实验方法，其特征在于，所述步骤（3）中对圆柱试样温度进行监测的方法为：在圆柱试样进行实验时，圆柱试样侧面中间焊接上两根热电偶线，热电偶线的另一端连接热模拟试验机，对圆柱试样温度进行监测。
5.根据权利要求2或3所述的模具钢控锻控冷过程中的实验方法，其特征在于，所述模具钢材料为H13热作模具钢，所述步骤(4)中的变形温度为1000~1050℃，变形量为45%-85%，冷却速率大于等于30℃/s，步骤（4）冷却至室温后得到圆柱试样晶粒尺寸30-60μm，显微维氏硬度在520HV-605HV范围内。
6. 根据权利要求2或3所述的模具钢控锻控冷过程中的实验方法，其特征在于，所述模具钢材料为Cr8Mo2SiV冷作模具钢，步骤(4)中对试样进行一次或多次压缩实验，使圆柱试样沿轴向拔长，所述一次或多次压缩实验变形温度为1000-1100℃，变形速率为1-10s-1，变形量为25%-60%；步骤(4)所述冷却至室温后得到的圆柱试样显微维氏硬度值为440-590 HV范围内，圆柱试样组织中溶解后再析出的粒状二次碳化物弥散分布。
7. 根据权利要求2或3所述的模具钢控锻控冷过程中的实验方法，其特征在于，所述模具钢材料为3Cr2MnNiMo冷作模具钢，所述步骤(4)中变形温度为700℃-1050℃，变形速率1s-1、变形量20%-80%；步骤(4)冷却至室温后得到的圆柱试样组织分布均匀，圆柱试样晶粒尺寸30-65μm，碳化物粒子弥散析出，显微维氏硬度在600-690 HV范围内。
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