H13模具钢热处理方法以及通过其获得的h13模具钢的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 4Cr5MoSiVl(美标H13模具钢）为一种合金热作模具钢，其在从室温到650°C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乳制过程中会沿着 乳向分布，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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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】
[0007] 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。
[0008] 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°C至1180°C，以破碎树枝晶和枝晶间的偏聚区，其中始 锻温度为1180°C，终锻温度为850°C;(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°C/分钟的速度将钢锭加热到390°C 至410°C的温度，然后进行保温，保温时间为90-lOOs/lmm厚钢材；第二阶段保温，其中 以4-5°C/分钟的速度将钢锭加热到640°C至660°C的温度，然后进行保温，保温时间为 70-110s/lmm厚钢材；和第三阶段保温，其中以4-5°C/分钟的速度将钢锭加热到890°C至 910°C的温度，然后进行保温，保温时间为60-llOs/lmm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。
[0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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°C至1180°C，以破碎树枝晶和枝晶间的偏聚区，其中始锻温度为1180°C，终锻温度为 850。。。
[0012] 在常规的模具钢中，铸态的钢锭往往晶粒粗大，合金元素偏聚区域集中，扩散所经 过的距离较长，短时高温扩散不会有明显的均匀化效果。与此相比，在本发明的方法中，通 过第一步的锻乳变形工艺，破碎了树枝晶及元素偏聚区，缩短了扩散所需距离并且增加了 元素的扩散路径。
[0013] 根据前述方面的方法，在高温下的扩散退火可以包括将钢锭以10°C/min-15°C/ min的升温速度加热到1230°C至1250°C，保温5-7小时左右，然后将钢锭随炉冷却至室温。 经高温扩散退火后，所得钢锭的化学成分均匀性得到明显改善。
[0014] 根据前述方面的方法，在对高温扩散退火后，可以利用两镦两拔工艺对钢锭进行 二次加热锻造，以改善组织的均匀性并提高力学性能。
[0015] 根据前述方面的方法，所述等温球化退火可以包括在860°C至890°C的温度下对 钢锭保温1-3小时，然后降温至740°C至760°C并且保温3-5小时，最后将钢锭随炉冷却到 500°C出炉。通过该等温球化退火，可以进一步细化钢锭中的晶粒。
[0016] 在另一方面中，本发明提供一种H13模具钢，所述H13模具钢可以采用上述方面中 所述的方法来制造。
[0017] 在上文所述的减轻或消除H13模具钢的带状组织的锻造和热处理的联合方法中， 通过锻乳破碎铸态的粗大树枝晶，改变了合金元素扩散环境。进一步地，通过结合精细的分 步热处理工艺，促进了合金元素的充分扩散，从而成功减轻或甚至消除了H13模具钢中的 带状组织。另外，通过上述方法获得的H13模具钢具有良好的金相组织、适当的硬度以及良 好的加工性。
【附图说明】
[0018] 图1显示通过常规热处理工艺获得的H13模具钢的带状组织100倍显微组织；
[0019] 图2显示通过本发明方法的一个实施方案获得的H13模具钢的带状组织100倍显 微组织；和
[0020] 图3是根据本发明方法的一个实施方案的热处理工艺曲线。
【具体实施方式】
[0021] 下面通过具体的实施例并结合附图对本发明进行进一步的详细说明。本领域的普 通技术人员会理解，提供