一种热锻模具热处理方法及其应用与流程

本发明涉及模具热处理技术领域，具体涉及一种热锻模具热处理方法及其应用。

背景技术：

热锻模具作为重要的基础工艺装备，主要用于再结晶温度以上的固态金属的锻造成型，广泛应用于汽车工业、机械制造工业等领域。随着科技进步，现代工业制造业不断走向大型化、精密化，卡车、轮船等的规格也趋于大型化，而曲轴、连杆、齿轮等是发动机中承受载荷并传递动力的重要零部件，比如：大型曲轴形状复杂，在高温高应力环境下服役，工况条件恶劣，工作过程中受力情况复杂，而大型曲轴一般是采用模具热锻成形，所以热锻模具在工作过程中会承受剧烈急冷、急热循环，较高的冲击载荷，复杂的多向应力，以及苛刻的摩擦、磨损。这就要求热锻模具具有较高的高温强度及高温硬度，较高的冲击韧性和断裂韧性，高的抗热疲劳性能，以及较高的耐回火性及抗氧化能力等。

材料的合理选择是提高热锻模具寿命首要的一种手段，但是若要保证其使用性能和使用寿命，还需要对热锻模具进行正确的热处理，热处理质量是决定锻模使用寿命最关键的因素。目前国内外对热锻模具钢一般采用油淬、喷射冷油、水-空气混合喷雾、硝酸盐盐浴等方法，这些方法是在保证模具不被淬裂的前提下，较适用于一般中小型以下的模具，基本能够保证有良好的淬硬性，但是对于大型热锻模具钢，油淬的冷速不一定能够保证大模块心部淬硬，从而模块组织均匀性得不到有效保证。

技术实现要素：

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供了一种热锻模具热处理方法及其在制备大型热锻模具中的应用。其具体技术方案如下：

本发明在第一方面提供了一种热锻模具热处理方法，包括以下步骤：

步骤1、将工件放入淬火炉中以第一升温速率加热至第一温度并保温；

步骤2、将工件在淬火炉中以第二升温速率加热至第二温度并保温

步骤3、将工件在淬火炉中以第三升温速率加热至第三温度并保温；

步骤4、将工件在淬火炉中以第四升温速率加热至第四温度并保温；

步骤5、将工件出炉预冷，然后水冷淬火；

步骤6、将工件放入回火炉保温回火，出炉空冷至室温；

其中，保温时间按照工件有效尺寸、装炉量和装炉方式选择。

优选地，上述步骤1中，第一升温速率为≤100℃/h，第一温度为300～400℃。

优选地，上述步骤2中，第二升温速率为≤100℃/h，第二温度为600～700℃。

优选地，上述步骤3中，第三升温速率为≤100℃/h，第三温度为800～900℃。

优选地，上述步骤4中，第四升温速率为≤100℃/h，第四温度为1000～1060℃。

优选地，上述步骤5中，将工件出炉预冷至表面900～950℃，然后水冷淬火至表面最高温度点≤150℃。

优选地，上述步骤6中，回火温度为520～600℃，回火次数不小于三次。

本发明还提供了一种优选的热锻模具热处理方法，包括以下步骤：

步骤1、将工件放入淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至350℃并保温；

步骤2、将工件在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至650℃并保温；

步骤3、将工件在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至850℃并保温；

步骤4、将工件在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至1010℃并保温；

步骤5、将工件出炉预冷至表面900℃，然后水冷淬火至表面最高温度点≤100℃并保温；

步骤6、将工件放入回火炉保温回火，出炉空冷至室温；

其中，保温时间按照工件有效尺寸、装炉量和装炉方式选择。

优选地，上述步骤6中，回火四次；

第一次：将工件放入回火炉530℃回火，出炉空冷至室温；

第二次：将工件放入回火炉580℃回火并保温，出炉空冷至室温；

第三次：将工件放入回火炉600℃回火并保温，出炉空冷至室温；

第四次：将工件放入回火炉550℃回火并保温，出炉空冷至室温，以获得最佳硬度42～44hrc。

本发明在第二方面提供了上述热锻模具热处理方法在制备大型热锻模具中的应用，能大幅度提高热锻模具的淬透性和淬硬性，表面质量良好，获得38～48hrc的硬度，心表获得均匀的马氏体组织，并具有极佳的强韧性，高的抗回火软化性能、热稳定性能和热疲劳性能，3‰以内的模块热处理变形量，满足大型热锻模具的服役要求。

本发明与现有技术相比较，具有如下显著优点：

(1)本发明首次采用大型热锻模具水淬工艺，大幅度提高大型模具的淬透性和淬硬性，保证大型模具心表组织的均匀性，均获得马氏体组织。

(2)通过数值模拟大型模具的温度场、组织场和加热冷却变形规律，结合实际材料制定准确的水淬热处理工艺，对淬火的温度、奥氏体化保温时间，水淬时间和出水后大型模具心表温度等参数进行精确控制。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。所以凡是不脱离本发明所公开的原理下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。

附图说明

图1示出了本发明较优实施例中大型曲轴用热锻模具实物图；

图2示出了本发明较优实施例中大型曲轴用热锻模具水淬热处理工艺仿真模拟图；

图3示出了实例1中400mm厚热锻模具淬回火硬度变化图；

图4示出了实例1中400mm厚热锻模具淬回火变形量图；

图5示出了实例2中380mm厚热锻模具淬回火硬度变化图；

图6示出了实例2中380mm厚热锻模具淬回火变形量图；

图7示出了本发明较优实施例中所采用的热锻模具热处理工艺曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

先根据deform软件模拟尺寸为1600×500×400mm³的大型热锻模具的温度场、组织场和加热冷却变形规律，从而得到热处理模拟工艺。具体模拟过程如下：①三维软件建模并导入至deform软件中；②网格划分并设置材料属性；③设置模拟参数，如材料换热系数，模拟工艺，环境温度等；④检查程序，开始模拟；⑤模拟后处理，得到不同部位温度及组织变化随水冷时间的曲线，通过各节点在不同方向的位移可得出模块的加热和冷却变形规律。

结合图2可知，本实施例的材料较长且轴对称，故采用中对半剖的方式建立图2左侧所示的三维模型，节点p1为模型中切面的中心点，p2和p4为模型中切面的1/4直径处，p3、p5和p6为模型中切面的棱边点，p7为模型的顶角处。图2右侧为不同部位温度随水冷时间的曲线，由于工艺要求，在水淬后心部温度要求不低于450-500℃，实际工况下不可能测得心部温度，故通过图2可知，心部p1点≤℃时的水冷时间为54min(除去空中预冷10min)。

再根据材料实际情况，制定合适的热处理工艺曲线，然后测量模具的原始尺寸，并将热电偶焊接固定在模具各待测位置，然后按以下具体步骤进行热处理：

步骤1、将工件放入淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至350℃并保温7h；

步骤2、在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至650℃并保温7h；

步骤3、在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至850℃并保温7h；

步骤4、在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至1010℃并保温9h；

步骤5、将工件出炉预冷至表面900℃左右，然后水冷淬火至表面最高温度点≤100℃；

步骤6、将工件第一次入回火炉530℃保温20h回火，出炉空冷至室温；

步骤7、第二次入回火炉580℃保温20h回火，出炉空冷至室温；

步骤8、第二次入回火炉590℃保温20h回火，出炉空冷至室温；

步骤9、第四次入回火炉550℃保温16h回火，出炉空冷至室温。

经上述每次热处理冷却至室温后，用大型游标卡尺测量模具长、宽和高各边的尺寸，并且用便携式硬度计测试其硬度。由测试结果可知，第一次回火后，在二次硬化峰附近，硬度最高可达到54.7hrc，随后再经过三次回火降至40.5～42.0hrc之间，见附图3；淬火热处理平均变形量约为2.894‰，回火约为0.532‰，见附图4。

实施例2

先根据deform软件模拟尺寸为1600×500×380mm³的大型热锻模具的温度场、组织场和加热冷却变形规律，从而得到热处理模拟工艺。具体模拟过程如下：①三维软件建模并导入至deform软件中；②网格划分并设置材料属性；③设置模拟参数，如材料换热系数，模拟工艺，环境温度等；④检查程序，开始模拟；⑤模拟后处理，得到不同部位温度及组织变化随水冷时间的曲线，通过各节点在不同方向的位移可得出模块的加热和冷却变形规律。

结合图2可知，本实施例的材料较长且轴对称，故采用中对半剖的方式建立图2左侧所示的三维模型，节点p1为模型中切面的中心点，p2和p4为模型中切面的1/4直径处，p3、p5和p6为模型中切面的棱边点，p7为模型的顶角处。图2右侧为不同部位温度随水冷时间的曲线，由于工艺要求，在水淬后心部温度要求不低于450-500℃，实际工况下不可能测得心部温度，故通过图2可知，心部p1点≤℃时的水冷时间为44min(除去空中预冷10min)。

再根据材料实际情况，制定合适的热处理工艺曲线，然后测量模具的原始尺寸，并将热电偶焊接固定在模具各待测位置(主要是大面中心、端面中心、心部)，然后按以下具体步骤进行热处理：

步骤1、将工件放入淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至350℃并保温7h；

步骤2、在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至650℃并保温7h；

步骤3、在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至850℃并保温7h；

步骤4、在淬火炉中以60℃/h的升温速率加热至1010℃并保温9h；

步骤5、将工件出炉预冷至表面900℃左右，然后水冷淬火至表面最高温度点≤100℃；

步骤6、将工件第一次入回火炉530℃保温20h回火，出炉空冷至室温；

步骤7、第二次入回火炉585℃保温20h回火，出炉空冷至室温；

步骤8、第二次入回火炉590℃保温20h回火，出炉空冷至室温；

步骤9、第四次入回火炉540℃保温16h回火，出炉空冷至室温。

经上述每次热处理冷却至室温后，用大型游标卡尺测量模具长、宽和高各边的尺寸，并且用便携式硬度计测试其硬度。由测试结果可知，第一次回火后，在二次硬化峰附近，硬度最高可达到54.5hrc，随后再经过三次回火降至40.0～41.5hrc之间，见附图5；淬火后的热处理平均变形量约为2.745‰，回火约为0.532‰，见附图6。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。