CN114990292B - 一种用于热作模具钢的热处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于热作模具钢的热处理方法，具体涉及热作模具领域，包括S1)、退火，S2)、淬火，S3)、高温回火，S4)、渗碳，S5)、质检。本发明通过一阶二阶的预热升温处理，使其内热应力可以更加均匀的扩散，并在淬火后通过多阶冷却，使模具钢冷却更充分稳定，减少形变的产生，同时配合一次回火和二次回火，使其在较高温度下才能进行马氏体的分解和残余奥氏体的转变，使碳化物保持较大的弥散度，从而提高了模具钢后续使用过程中在满足中心硬度的前提下并具有回火软化的抗力及抗热疲劳性，且一次和二次的阶段回火，有效的避免了在500℃时因模具钢内铬系元素而产生二次硬化的现象，有利于保证其韧性，进而使其在高温挤压下导热更快。
Description
技术领域
本发明涉及热作模具技术领域，更具体地说，本发明涉及一种用于热作模具钢的热处理方法。
背景技术
热作模具钢是指适宜于制作对金属进行热变形加工的模具用的合金工具钢，如热锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等，由于热作模具长时间处于高温高压条件下工作，因此，要求模具材料具有高的强度、硬度及热稳定性，特别是应有高热强性、热疲劳性、韧性和耐磨性，热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺，在从石器时代进展到铜器时代和铁器时代的过程中，热处理的作用逐渐为人们所认识。
在模具的制造过程中通常会采用热处理获得处理后的模具钢，使其具有一定的金属性能，但是对于部分热作的塑料模具来说，传统的模具钢使用过程中的耐磨性和抗热疲劳性能较差，导致其不能很好的满足塑料模具热挤压时的使用，为此提出一种用于热作模具钢的热处理方法。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种用于热作模具钢的热处理方法，本发明所要解决的技术问题是：提高模具钢的耐磨性和抗热疲劳性，使其更好的满足热作的塑料模具应用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于热作模具钢的热处理方法，该热作模具钢以重量百分比计由下列组份组成：C0.250～0.30％，Mn1.50～1.70％，Si0.70～1.20％，W1.60～2.00％，Mo0.10～0.20％，V1.60～1.80％，Ni1.20～1.50％，Cr4.50～5.10％，Co0.2～0.6％，S≤0.010％，P≤0.03％，其余量为Fe；
所述热作模具钢的热处理方法包括以下步骤：
S1)、退火：
S11)、将工件加热到850℃～880℃，保温时间为2～4h；
S12)、空冷，使炉内温度降至500±10℃；
S2)、淬火：
S21)、一阶段预热：升温速率1℃～5℃/min，升温至550±10℃；
S22)、二阶段预热：升温速率5℃～12℃/min，升温至850±10℃；
S23)、高温冷却：步骤S22)中最终温度冷却至600℃，冷却速度为5℃～12℃/min；
中温冷却：从600℃冷却至450℃，冷却速度为5℃～8℃/min；
低温冷却：从450℃冷却至250℃，冷却速度为3℃～5℃/min；
S3)、高温回火：
S31)、一次回火：淬火后温度≤250℃后装炉，升温使其炉内温度保持在550℃～650℃，保温时间为2～3h；
二次回火：温度≤650℃后装炉，升温使其炉内温度保持在520℃～620℃，保温时间为2～2.5h；
S32)、对步骤二次回火后的模具钢进行冷却；
S4)、渗碳：
S41)、将步骤S32)中降至室温的模具钢置于活性渗碳介质中并加热到900℃～950℃，保温30～40h；
S42)、表面淬火：通过双频淬火感应器对步骤S41)中的模具钢进行表面淬火；
S43)、低温回火：淬火后温度≤150℃后装炉，升温使其炉内温度保持在150℃～250℃，保温时间为2～3h；
S44)、然后取出模具钢冷区至室温，即完成热作模具钢的热处理；
S5)、质检。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S23)中冷却方法为油冷、空冷、水冷中的任意一种。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S32)中冷却方法为油冷，并使其冷却至室温。
在一个优选地实施方式中，所述热作模具钢内的碳含量在0.25～0.3％。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S42)中双频淬火感应器的频率为200hz～300hz,感应线圈高度为70～120cm，淬火温度为1000℃～1250℃。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S5)包括以下步骤：
S51)：通过厚度检测仪器对渗碳后的模具钢进行碳层的检测，碳层的厚度为≥0.9为合格；
S52)：通过硬度检验工具对模具钢表面的三个不同位置进行硬度检测取平均值。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S5)还包括以下步骤：
S53)：通过二维金相试样磨面对模具钢进行金相检验；
S54)：步骤S51)、S52)和S53)中均合格的模具钢则为最终产品，而其中某一步骤或多种步骤均未合格则回流次品区等待回收。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过一阶二阶的预热升温处理，使其内热应力可以更加均匀的扩散，并在淬火后通过多阶冷却，使模具钢冷却更充分稳定，减少形变的产生，同时配合一次回火和二次回火，使其在较高温度下才能进行马氏体的分解和残余奥氏体的转变，使碳化物保持较大的弥散度，从而提高了模具钢后续使用过程中在满足中心硬度的前提下并具有回火软化的抗力及抗热疲劳性，且一次和二次的阶段回火，有效的避免了在500℃时因模具钢内铬系元素而产生二次硬化的现象，有利于保证其韧性，进而使其在高温挤压下导热更快，综合力学性能得到进一步提升。
2、本发明通过对调质后的模具钢进行进一步的渗碳处理，使得渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，使得模具钢中心硬度增强的前提下表面仍具有很好的硬度和耐磨性，从而保证了模具钢在长时间热挤压下及型腔受热温度高环境下的稳定使用，使其不易发生开裂形变等情况。
具体实施方式
下面将结合本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本发明提供了一种用于热作模具钢的热处理方法，该热作模具钢以重量百分比计由下列组份组成：C0.250～0.30％，Mn1.50～1.70％，Si0.70～1.20％，W1.60～2.00％，Mo0.10～0.20％，V1.60～1.80％，Ni1.20～1.50％，Cr4.50～5.10％，Co0.2～0.6％，S≤0.010％，P≤0.03％，其余量为Fe；
热作模具钢的热处理方法包括以下步骤；
S1)、退火：
S11)、将工件加热到850℃，保温时间为2～4h；
S12)、空冷，使炉内温度降至500±10℃；
S2)、淬火：
S21)、一阶段预热：升温速率1℃～5℃/min，升温至550±10℃；
S22)、二阶段预热：升温速率5℃～12℃/min，升温至850±10℃；
一阶二阶的预热升温处理，使其内热应力可以更加均匀的扩散，并在淬火后通过多阶冷却，使模具钢冷却更充分稳定，减少形变的产生；
S23)、高温冷却：步骤S22)中最终温度冷却至600℃，冷却速度为5℃～12℃/min；
步骤S23)中冷却方法为油冷、空冷、水冷中的任意一种；
中温冷却：从600℃冷却至450℃，冷却速度为5℃～8℃/min；
低温冷却：从450℃冷却至250℃，冷却速度为3℃～5℃/min；
S3)、高温回火：
S31)、一次回火：淬火后温度≤250℃后装炉，升温使其炉内温度保持在550℃，保温时间为2～3h；
二次回火：温度≤650℃后装炉，升温使其炉内温度保持在520℃，保温时间为2～2.5h；
一次回火和二次回火，使其在较高温度下才能进行马氏体的分解和残余奥氏体的转变，使碳化物保持较大的弥散度，从而提高了模具钢后续使用过程中在满足中心硬度的前提下并具有回火软化的抗力及抗热疲劳性，且一次和二次的阶段回火，有效的避免了在500℃内因模具钢内铬系元素而产生二次硬化的现象，有利于保证其韧性；
S32)、对步骤二次回火后的模具钢进行冷却；
热作模具钢内的合金元素在一次回火和二次回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性；
步骤S32)中冷却方法为油冷，并使其冷却至室温；
步骤S2)淬火加步骤S3)高温回火即完成对热作模具钢的调质，通过对其进行调质处理，使其获得很高的韧性和强度，有良好的综合机械性能；
S4)、渗碳：
S41)、将步骤S32)中降至室温的模具钢置于活性渗碳介质中并加热到900℃，保温30～40h；
S42)、表面淬火：通过双频淬火感应器对步骤S41)中的模具钢进行表面淬火；
步骤S42)中双频淬火感应器的频率为200hz～300hz,感应线圈高度为70～120cm，淬火温度为1000℃～1250℃；
通过渗碳后淬火，工件表面产生压缩内应力﹐有利于提高工件的疲劳强度；
S43)、低温回火：淬火后温度≤150℃后装炉，升温使其炉内温度保持在150℃～250℃，保温时间为2～3h；
低温回火有利于马氏体二次分解形成索氏体，可以得到良好的机械性能；
S44)、然后取出模具钢冷区至室温，即完成热作模具钢的热处理；
渗碳可分为为气体渗碳、固体渗碳﹑液体渗碳和碳氮共渗，而步骤S4)中则采用的是气体渗碳，即将热作模具钢装入密闭的渗碳炉内，通入气体渗剂(甲烷、乙烷等)或液体渗剂(煤油或苯、酒精、丙酮)中的一种，在高温下分解出活性碳原子，渗入工件表面，从而获得具有很好硬度和耐磨性的热作模具钢；
S5)、质检；
步骤S5)包括以下步骤：
S51)：通过厚度检测仪器对渗碳后的模具钢进行碳层的检测，碳层的厚度为≥0.9为合格；
S52)：通过硬度检验工具对模具钢表面的三个不同位置进行硬度检测取平均值；
S53)：通过二维金相试样磨面对模具钢进行金相检验，金相检验主要是通过采用定量金相学原理，运用二维金相试样磨面或薄膜的金相显微组织的测量和计算来确定合金组织的三维空间形貌，从而建立合金成分、组织和性能间的定量关系，辅助工作人员对热作模具钢进行进一步的测定处理；
S54)：步骤S51)、S52)和S53)中均合格的模具钢则为最终产品，而其中某一步骤或多种步骤均未合格则回流次品区等待回收。
实施例2：
本发明提供了一种用于热作模具钢的热处理方法，该热作模具钢以重量百分比计由下列组份组成：C0.250～0.30％，Mn1.50～1.70％，Si0.70～1.20％，W1.60～2.00％，Mo0.10～0.20％，V1.60～1.80％，Ni1.20～1.50％，Cr4.50～5.10％，Co0.2～0.6％，S≤0.010％，P≤0.03％，其余量为Fe；
热作模具钢的热处理方法包括以下步骤；
S1)、退火：
S11)、将工件加热到865℃，保温时间为2～4h；
S12)、空冷，使炉内温度降至500±10℃；
S2)、淬火：
S21)、一阶段预热：升温速率1℃～5℃/min，升温至550±10℃；
S22)、二阶段预热：升温速率5℃～12℃/min，升温至850±10℃；
S23)、高温冷却：步骤S22)中最终温度冷却至600℃，冷却速度为5℃～12℃/min；
步骤S23)中冷却方法为油冷、空冷、水冷中的任意一种；
中温冷却：从600℃冷却至450℃，冷却速度为5℃～8℃/min；
低温冷却：从450℃冷却至250℃，冷却速度为3℃～5℃/min；
S3)、高温回火：
S31)、一次回火：淬火后温度≤250℃后装炉，升温使其炉内温度保持在600℃，保温时间为2～3h；
二次回火：温度≤650℃后装炉，升温使其炉内温度保持在580℃，保温时间为2～2.5h；
S32)、对步骤二次回火后的模具钢进行冷却；
步骤S32)中冷却方法为油冷，并使其冷却至室温；
S4)、渗碳：
S41)、将步骤S32)中降至室温的模具钢置于活性渗碳介质中并加热到930℃，保温30～40h；
S42)、表面淬火：通过双频淬火感应器对步骤S41)中的模具钢进行表面淬火；
步骤S42)中双频淬火感应器的频率为200hz～300hz,感应线圈高度为70～120cm，淬火温度为1000℃～1250℃；
S43)、低温回火：淬火后温度≤150℃后装炉，升温使其炉内温度保持在150℃～250℃，保温时间为2～3h；
S44)、然后取出模具钢冷区至室温，即完成热作模具钢的热处理；
S5)、质检；
步骤S5)包括以下步骤：
S51)：通过厚度检测仪器对渗碳后的模具钢进行碳层的检测，碳层的厚度为≥0.9为合格；
S52)：通过硬度检验工具对模具钢表面的三个不同位置进行硬度检测取平均值；
S53)：通过二维金相试样磨面对模具钢进行金相检验；
S54)：步骤S51)、S52)和S53)中均合格的模具钢则为最终产品，而其中某一步骤或多种步骤均未合格则回流次品区等待回收。
实施例3：
本发明提供了一种用于热作模具钢的热处理方法，该热作模具钢以重量百分比计由下列组份组成：C0.250～0.30％，Mn1.50～1.70％，Si0.70～1.20％，W1.60～2.00％，Mo0.10～0.20％，V1.60～1.80％，Ni1.20～1.50％，Cr4.50～5.10％，Co0.2～0.6％，S≤0.010％，P≤0.03％，其余量为Fe；
热作模具钢的热处理方法包括以下步骤；
S1)、退火：
S11)、将工件加热到880℃，保温时间为2～4h；
S12)、空冷，使炉内温度降至500±10℃；
S2)、淬火：
S21)、一阶段预热：升温速率1℃～5℃/min，升温至550±10℃；
S22)、二阶段预热：升温速率5℃～12℃/min，升温至850±10℃；
S23)、高温冷却：步骤S22)中最终温度冷却至600℃，冷却速度为5℃～12℃/min；
步骤S23)中冷却方法为油冷、空冷、水冷中的任意一种；
中温冷却：从600℃冷却至450℃，冷却速度为5℃～8℃/min；
低温冷却：从450℃冷却至250℃，冷却速度为3℃～5℃/min；
S3)、高温回火：
S31)、一次回火：淬火后温度≤250℃后装炉，升温使其炉内温度保持在650℃，保温时间为2～3h；
二次回火：温度≤650℃后装炉，升温使其炉内温度保持在620℃，保温时间为2～2.5h；
S32)、对步骤二次回火后的模具钢进行冷却；
步骤S32)中冷却方法为油冷，并使其冷却至室温；
S4)、渗碳：
S41)、将步骤S32)中降至室温的模具钢置于活性渗碳介质中并加热到950℃，保温30～40h；
S42)、表面淬火：通过双频淬火感应器对步骤S41)中的模具钢进行表面淬火；
步骤S42)中双频淬火感应器的频率为200hz～300hz,感应线圈高度为70～120cm，淬火温度为1000℃～1250℃；
S43)、低温回火：淬火后温度≤150℃后装炉，升温使其炉内温度保持在150℃～250℃，保温时间为2～3h；
S44)、然后取出模具钢冷区至室温，即完成热作模具钢的热处理；
S5)、质检；
步骤S5)包括以下步骤：
S51)：通过厚度检测仪器对渗碳后的模具钢进行碳层的检测，碳层的厚度为≥0.9为合格；
S52)：通过硬度检验工具对模具钢表面的三个不同位置进行硬度检测取平均值；
S53)：通过二维金相试样磨面对模具钢进行金相检验；
S54)：步骤S51)、S52)和S53)中均合格的模具钢则为最终产品，而其中某一步骤或多种步骤均未合格则回流次品区等待回收。
实施例4：
分别取上述实施例1-3所制得的热作模具钢进行红硬性、冲击韧性、导热系数和抗拉强度性能的测定，每个实施例取五件，共十五件工件，取每个实施例五件内热作模具钢测定系数的平均值，得到以下数据：
由上表可知，实施例2中退火温度(865℃)、一次回火(600℃)、二次回火(580℃)和渗碳温度(930℃)均处于最优界值，在对其进行测定后较于传统的热作模具钢具有很好的回火软化的抗力、抗热疲劳性、导热性能及很好的硬度和耐磨性，综合力学性能得到很大提升。
最后：本发明公开和提出的一种用于热作模具钢的热处理方法，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件等环节实现，尽管本发明的技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的技术进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术，特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。
Claims (6)
1.一种用于热作模具钢的热处理方法，其特征在于：该热作模具钢以重量百分比计由下列组份组成：C0.250～0.30％，Mn1.50～1.70％，Si0.70～1.20％，W1.60～2.00％，Mo0.10～0.20％，V1.60～1.80％，Ni1.20～1.50％，Cr4.50～5.10％，Co0.2～0.6％，S≤0.010％，P≤0.03％，其余量为Fe；
所述热作模具钢的热处理方法包括以下步骤：
S1)、退火：
S11)、将工件加热到850℃～880℃，保温时间为2～4h；
S12)、空冷，使炉内温度降至500±10℃；
S2)、淬火：
S21)、一阶段预热：升温速率1℃～5℃/min，升温至550±10℃；
S22)、二阶段预热：升温速率5℃～12℃/min，升温至850±10℃；
S23)、高温冷却：步骤S22)中最终温度冷却至600℃，冷却速度为5℃～12℃/min；
中温冷却：从600℃冷却至450℃，冷却速度为5℃～8℃/min；
低温冷却：从450℃冷却至250℃，冷却速度为3℃～5℃/min；
S3)、高温回火：
S31)、一次回火：淬火后温度≤250℃后装炉，升温使其炉内温度保持在550℃～650℃，保温时间为2～3h；
二次回火：温度≤650℃后装炉，升温使其炉内温度保持在520℃～620℃，保温时间为2～2.5h；
S32)、对步骤二次回火后的模具钢进行冷却；
S4)、渗碳：
S41)、将步骤S32)中降至室温的模具钢置于活性渗碳介质中并加热到900℃～950℃，保温30～40h；
S42)、表面淬火：通过双频淬火感应器对步骤S41)中的模具钢进行表面淬火；
S43)、低温回火：淬火后温度≤150℃后装炉，升温使其炉内温度保持在150℃～250℃，保温时间为2～3h；
S44)、然后取出模具钢冷区至室温，即完成热作模具钢的热处理；
S5)、质检。
2.根据权利要求1所述的一种用于热作模具钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤S23)中冷却方法为油冷、空冷、水冷中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的一种用于热作模具钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤S32)中冷却方法为油冷，并使其冷却至室温。
4.根据权利要求1所述的一种用于热作模具钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤S42)中双频淬火感应器的频率为200hz～300hz，感应线圈高度为70～120cm，淬火温度为1000℃～1250℃。
5.根据权利要求1所述的一种用于热作模具钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤S5)包括以下步骤：
S51)：通过厚度检测仪器对渗碳后的模具钢进行碳层的检测，碳层的厚度为≥0.9为合格；
S52)：通过硬度检验工具对模具钢表面的三个不同位置进行硬度检测取平均值。
6.根据权利要求5所述的一种用于热作模具钢的热处理方法，其特征在于：所述步骤S5)还包括以下步骤：
S53)：通过二维金相试样磨面对模具钢进行金相检验；
S54)：步骤S51)、S52)和S53)中均合格的模具钢则为最终产品，而其中某一步骤或多种步骤均未合格则回流次品区等待回收。
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