[发明专利]H13模具钢热处理方法以及通过其获得的H13模具钢

说明书

技术领域

本发明涉及合金的热处理方法，特别是H13模具钢的热处理方法。本发明还涉及通过该处理方法获得的H13模具钢。

背景技术

4Cr5MoSiV1(美标H13模具钢)为一种合金热作模具钢，其在从室温到650℃的温度下具有良好的综合力学性能和热强性、抗冷热疲劳性能及抗液态金属冲蚀性，已经广泛地用于锻造压力机模具、铝合金压铸模具和热挤压用模具。它被认为是当前世界上应用最广泛的一类热作模具钢。从1995年以来，H13模具钢一直是国内应用最广的热作模具钢。H13模具钢生产中最常见也最难消除的显微组织不均匀性-带状组织是由于钢液冷却过程中合金元素在树枝晶各部分分布不均匀造成的，这种枝晶偏析在随后的轧制过程中会沿着轧向分布，例如在图1中所详细示出的。图1为电渣重熔后的钢锭不经锻造直接进入高温扩散退火，高温扩散后进行锻造(两镦两拔)，然后等温球化退火。

在钢中产生铁素体-珠光体相间分布的带状组织使钢材的力学性能产生方向性：横向塑性韧性降低，切削性能和表面光洁度变差。该带状组织会导致工件在工作过程中沿着铁素体-珠光体两相的交界处开裂，缩短工件的使用寿命，因此在生产过程中一般要求带状组织不大于2级别。

目前消除带状组织通常的做法是将电渣重熔后的钢锭直接加热到较高温度，然后进行长时间保温来进行高温扩散退火。长时间高温扩散退火能改善元素的不均匀分布状况，也能溶解偏析带中存在的大块共晶碳化物，使其尺寸减小，减轻一次共晶碳化物对钢材力学性能的影响。但高温扩散有以下2个方面的不足：1)为达到最优的扩散效果，要尽可能地提高扩散温度，增加扩散时间，最大限度地降低金属元素的偏析指数；高温和长时间扩散会造成脱碳及晶粒的异常长大现象，并且钢锭会出现大量氧化损失；和2)高温扩散后需要采用特殊的细化方法来恢复长大的晶粒。

在目前普遍采用的扩散退火工艺中，直接将电渣重熔锭进行扩散退火。在此情况下，由于未经锻造的重熔锭的枝晶较大，所以偏析元素需要扩散较大的距离，因此高温扩散需要长的停留时间。对于经过锻造后的钢锭，其内部缺陷增多，因元素与位错钉扎等导致元素较难扩散。

针对上述问题，本发明人进行了深入的研究，并且成功找到了解决方法，从而做出本发明。具体而言，本发明采用扩散退火前锻造，细化树枝晶，缩短扩散距离，并通过三阶段的保温最大限度地消除晶粒内和晶粒间的缺陷，从而为扩散创造最优的条件，最终基本消除了带状组织。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种H13模具钢的热处理方法，以解决上述问题。

在一个方面，提供一种H13模具钢热处理方法。所述方法包括以下步骤：(1)采用两镦两拔工艺，将经过电渣重熔得到的钢锭进行一次加热锻造，所述一次加热锻造包括将经过加热锻造的钢锭加热至850℃至1180℃，以破碎树枝晶和枝晶间的偏聚区，其中始锻温度为1180℃，终锻温度为850℃；(2)对经过锻造的钢锭进行三阶段保温处理，所述三阶段保温处理可以包括：第一阶段保温，其中以4-5℃/分钟的速度将钢锭加热到390℃至410℃的温度，然后进行保温，保温时间为90-100s/1mm厚钢材；第二阶段保温，其中以4-5℃/分钟的速度将钢锭加热到640℃至660℃的温度，然后进行保温，保温时间为70-110s/1mm厚钢材；和第三阶段保温，其中以4-5℃/分钟的速度将钢锭加热到890℃至910℃的温度，然后进行保温，保温时间为60-110s/1mm厚钢材；(3)将经过保温处理的钢锭进行扩散退火；(4)采用两镦两拔工艺对钢锭进行二次加热锻造；和(5)对所得钢锭进行等温球化退火。

所述三阶段保温处理促使钢锭在三个不同温度区域发生不同变化以获得最佳的扩散条件：第一阶段主要是晶粒内部点缺陷的变化，减少晶粒内部畸变，降低畸变能，使得晶粒内部更均匀，从而有利于合金元素的扩散；第二阶段主要是消除晶粒内部的大部分异号刃位错，减少位错与溶质原子间的钉扎作用力，消除位错对溶质原子运动的限制；第三阶段主要用于促使同号的刃位错平行排列形成亚晶界，即形成合金元素扩散的快速通道。通过上述三阶段保温之后，钢锭组织结构获得最佳的扩散条件。

特别地，所述三个温度阶段让材料分别在各自的温度区间发生三种不同的组织变化：晶体内部空位等点缺陷变化、晶粒及晶界处位错等线缺陷变化、树枝晶间均匀化及孪晶变化，所有这些都会给成分的均匀化创造最优的扩散条件。

根据前述方面的方法，所述二次加热锻造可以包括将经过加热锻造的钢锭加热至850℃至1180℃，以破碎树枝晶和枝晶间的偏聚区，其中始锻温度为1180℃，终锻温度为850℃。