一种大型高合金模具特殊热处理工艺的制作方法

本发明属于热处理工艺技术领域，具体涉及一种大型高合金模具特殊热处理工艺。

背景技术：

在机械制造工业领域金属材料形变加工行业，几乎所有的作业模具，都必经热处理淬火、回火处理。但不管如何淬火回火，淬火工序始终是整个热处理工艺过程各工序中的重中之重，而淬火工序的加热方法确定，尤为重要。传统热处理淬火加热方法，尽管选取温度值很有考究，工艺设计一般根据模具的材料牌号和服役条件以及设备现状来选取其淬火加热温度参量，加热保温到时后，预冷淬火，但其所采用的淬火加热模式都基本一致。

图1示出了现时所普遍采用的热处理淬火加热模式，其在预热结束后升温至淬火合适温度，进行保持温度完成一次淬火后即进入冷却步骤。上述普遍采用的传统热处理淬火加热模式，对于众多的较小型模具，还不易发现什么问题，但对于像300kg以上较大或600kg以上的特大型模具就存在比较大的问题，尤其是对于那些要求模具表面高耐磨和高红硬性的服役状况来说，用上述传统淬火加热模式进行热处理的高合金钢模具，不是耐磨性不尽人意，就是模具变形、开裂非常严重，模具的报废量较大。这就迫使人们选择中、低端加热淬火的方法来进行模具热处理，以解决模具开裂报废量大的问题，这种办法有一定的效果，但锻造产品生产效率低，由于表面磨损较快，模具返修工作量十分巨大，当生产量大时，生产模具和锻制产品的进度往往跟不上，综合效益并不理想。

技术实现要素：

针对以上技术问题，本发明提供一种适合较大型高合金模具使用的特殊热处理淬火工艺，其满足表面高红硬性和高抗腐蚀性的要求，有效避免及减少模具报废，降低能耗。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大型高合金模具特殊热处理工艺，包括以下步骤：

(1)对模具进行预热；

(2)对模具继续加热，使其温度到达自身淬火温度下限区间，然后保持温度进行第一阶段淬火处理；

(3)对模具进行加热，使其快速升温至自身淬火温度上限区间，然后保持温度进行第二阶段淬火处理，第一阶段淬火处理时间、第二阶段淬火处理时间以及两者之间的升温时间的比例为80±5：5：15±5；

(4)对模具进行预冷，然后再进行快速冷却，完成淬火处理。

作为优选的实施方式，第一阶段淬火处理和第二阶段淬火处理之间的升温时间不大于15分钟。

作为优选的实施方式，步骤(1)对模具进行预热处理分为两个阶段进行，第一阶段前的升温速度不大于180℃/小时，第二阶段和第一阶段之间的升温速度不大于150℃/小时。

作为优选的实施方式，第一阶段淬火处理前的升温速度不大于120℃/小时。

作为优选的实施方式，第一阶段淬火处理时间、第二阶段淬火处理时间以及两者之间的升温时间的比例为80：5：15。

本发明的有益效果是：本发明针对较大型高合金钢模具传统热处理加热模式的现状，根据金属材料的相变理论，热传导和热力学原理，对其传统热处理加热模式进行改造，采用两段加热淬火的办法，在保证整块模具具有足够高的强度的同时，确保了表面高红硬性和高耐磨及高抗腐蚀性；模具淬火后，相对较粗大的马氏体仅限于表层，占整块模具截面的比例不会超过20％，因而模具整体冲击韧性良好，不易出现那种解理断裂状况，这就有效地避免或减少了模具的报废；模具在高温加热时间总体可比传统模式大为缩短，因而可以节约能源，降低设备损耗。

附图说明

图1为传统模具热处理淬火加热模式示意图；

图2为本发明的特殊热处理淬火加热模式示意图；

图3为应用本发明对ST1钢进行热处理淬火的加热模式示意图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实施例对本发明作进一步的描述。

本发明适合对300kg以上较大或600kg以上的特大型模具进行热处理淬火使用。下面参照图2对本发明的热处理工艺进行详细描述。

步骤(1)，对模具进行预热。此步骤与传统热处理工艺相似，一般分为两个阶段进行。先进行第一次加热升温后保持温度，进行第一阶段预热，然后进行第二次加热升温后保持温度，进行第二阶段预热。第一阶段前的升温速度不大于180℃/小时，第二阶段和第一阶段之间的升温速度不大于150℃/小时。

步骤(2)，对模具继续加热，使其温度到达自身淬火温度下限区间，然后保持温度进行第一阶段淬火处理。如图所示，第一阶段淬火处理前的升温阶段与步骤(1)中的处理阶段统称为预热阶段。具体实施时，第一阶段淬火处理前的升温速度不大于120℃/小时。

步骤(3)，对模具进行加热，使其快速升温至自身淬火温度上限区间，然后保持温度进行第二阶段淬火处理。第一阶段淬火处理和第二阶段淬火处理之间的升温时间不大于15分钟。第一阶段淬火处理时间、第二阶段淬火处理时间以及两者之间的升温时间的比例为80±5：5：15±5，优选为80：5：15。

步骤(4)，对模具进行预冷，然后再进行快速冷却，完成淬火处理。

淬火加热方法采用上述创造性改造后,实践证明可以产生如下积极效果：

1、在保证整块模具具有足够高的强度的同时，确保了表面高红硬性和高耐磨及高抗腐蚀性，这主要是因为短时间快速高温加热的作用，表面融入了一定量的合金元素到奥氏体中所致，温度越高，溶入量越大，作用越大。但是，当超过一定的温度范围时，温度越高，模具的材质性能又会变坏，所以温度选择必须合适。

2、由于模具淬火后，相对较粗大的马氏体仅限于表层，占整块模具截面的比例不会超过20％。因而模具整体冲击韧性良好，不易出现那种解理断裂状况，这就有效地避免或减少了模具的报废。

3、由于模具在高温加热短时，在高温加热时间总体可比传统模式大为缩短，因而可以节约能源，降低设备损耗。

为比较清楚地说明此新工艺模式，现就以ST1高合金钢转向节模具淬火为例，叙述其本加热模式特点。

研究表明，ST1钢在1060～1150℃加热淬火均可得到较好的热处理强化效果，而依其规律，对较大型模具，则以1100～1150℃加热淬火，取得最好的综合效果，温度再高就易开裂，温度再低，耐磨性稍差，芯部强度也会降低，又反而会增大变形开裂倾向。当采用本发明两级加热淬火，便可有效调和上述矛盾，其效果显而易见，工艺过程如图3所示。

ST1钢较大型转向节模具外形体积为500×380×290mm，总重量为400kg左右，一般采用真空加热炉加热油淬，当模具经过两次预热之后，模具内外温度基本一致，已经为高温加热减少热应力做好了准备。在温度为1090±10℃的第一阶段淬火处理加热结束后，模具整体已实现了奥氏体化，此时若淬火冷却，因溶入奥氏体中的合金元素较少，尽管硬度完全可以上去，但模具表面的红硬性较低，经后续高温回火，硬度会下降得较快，因而在高温、热蚀、冲击磨擦恶劣条件下服役，使用寿命不长。

但是，当我们在第一阶段高温奥氏体化条件下迅速升温到本模具钢的淬火上限温度。模具由表及里出现一个温度梯度，最表层的几十毫米内温度较高，钢中的合金元素迅速溶解到奥氏体中。由于高温加热时间较短，晶粒长大不会十分严重，正是在其还来不及长大或刚要开始长大的情况下，模具又进入了预冷过程，在高温状态下溶入表层的合金元素预冷时不可能那么快的析出，经过预冷达到模具内外温差基本一致。随后在较快的冷却过程中溶入奥氏体中的Cr、Mo、V、W等合金元素保留在淬火马氏体中，获得固溶强化。最后经过几次高温回火产生弥散强化，获得极高的表面硬度和很高的红硬性；而由于淬火加热升温时间短，加之高合金钢导热系数比较低，模具的横截面积比较大，在模具高温短时加热结束时，其模具的截面中心位置温度上升并不高，模具绝大部分位置晶粒很细，因而在淬火结束后，距表面40～50mm之内的次表面至中心位置具有韧性极高的低碳低合金马氏体或下贝氏体组织，经高温回火后，具有极好的综合机械性能，因而使模具表面在高温工作状态下具有高耐磨、耐热、耐腐蚀优势的同时，模具的抗开裂能力大为提高，从而有效地减少或消灭模具早期开裂报废事故。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。