一种细化热作模具钢晶粒的热变形方法

文献发布时间：2023-06-19 16:09:34

技术领域

本发明属于金属材料热加工工艺领域，特别是提供了一种细化热作模具钢晶粒的热变形方法。

背景技术

热作模具钢是一种适合制造再结晶温度以上的固态金属或高温液态金属成形模具用的合金工具钢，如锤锻模、压铸模、热挤压模等。热作模具服役条件苛刻，需长时间承受高温、高载荷、受热和冷却，大型锤锻模需要承受的冲击力高达上百MN，模腔温度可达300-400℃，热挤压模可达500-800℃。因此，要求热作模具钢除了具有较高的热塑变抗力、高温强度、高温硬度和较好的冲击韧性外，还要具备良好的耐疲劳性和抗回火稳定性，才能满足在特殊服役条件下的工作需求。采用合理的热变形工艺，提高热作模具钢的组织均匀性、调整晶粒形态、改善晶粒粗大现象，是提高模具使用寿命的有效途径。

常用的细化晶粒的方法是对材料进行热变形，使材料内部发生再结晶形核和长大，形成均匀细小的等轴晶，从而达到细化晶粒、调整晶粒形态、消除热变形过程中变形缺陷的目的。该方法较简单，但由于热变形过程受到多种因素(变形温度、应变速率、应变量)的综合影响，难以确定合适的奥氏体再结晶温度和保温时间。当奥氏体再结晶温度过低时，孕育期较长，形核率较低，随着保温时间的延长，晶粒长大造成晶粒粗大现象；而当再结晶温度过高时，孕育期短，晶粒快速长大，也会造成再结晶晶粒粗大。材料发生不完全动态再结晶时，会在晶界处聚集大量位错群，形成细小等轴的再结晶晶粒，出现典型的“项链状组织”；完全动态再结晶后继续保温会出现晶粒长大导致的晶粒粗大现象。因此需结合热加工图确定适宜的热变形工艺参数，通过细化晶粒达到稳定性能的目的。热加工图是基于动态材料模型(DMM)和耗散理论，将功率耗散图和失稳图叠加起来的一种研究材料热变形行为的新方法，可将失稳区和显微组织对比分析，确定细化热作模具钢晶粒的热变形工艺参数并进行优化，为实际生产提供理论指导。

目前暂未看到有将热变形方法和热加工图结合起来细化热作模具钢晶粒、确定细化热作模具钢晶粒的最佳热变形工艺参数、提高其力学性能的相关专利，细化其他锻件晶粒的专利大多采用的是正火+淬火+回火的热处理方式，但这类工艺较为复杂，工序时间较长，效率低下。

发明内容

本发明提供一种细化热作模具钢晶粒的热变形方法，通过控制变形参数，使热作模具钢发生完全动态再结晶，达到细化晶粒、调整晶粒形态的目的，有效地改善了热作模具钢的粗大组织，提高了热作模具钢的力学性能。本发明利用该热变形方法使热作模具钢的晶粒变得均匀、细小，平均晶粒尺寸小于10μm，且操作过程容易控制、工序简单、加工周期短，能大幅提高热作模具钢晶粒细化的效率，将失稳区和显微组织结合对比分析，确定细化热作模具钢晶粒的热变形工艺参数并进行优化，为实际生产提供指导。

本发明具体技术方案如下：

一种细化热作模具钢晶粒的热变形方法，将热作模具钢加热并保温，使热作模具钢内外温度均匀，之后快速冷却到热变形温度，以特定应变速率对热作模具钢进行热变形，达到真应变后快速冷却至室温，完成热作模具钢的热变形处理。

所述热作模具钢的化学组成及质量百分比含量：C：0.5-0.6％、Cr：0.8-1.1％、Mn：0.5-0.8％、Mo：0.35-0.5％、Ni：1.4-1.8％、V：0.1-0.3％、Si：≤0.35％、S：≤0.03％、P：≤0.03％，余量为Fe。

所述加热速率根据热作模具钢尺寸和加热设备能力决定，一般不高于2℃/s。

所述保温温度为热作模具钢AC

所述保温时间不低于10min，使心部和表面温差低于10℃。

所述保温段快速冷却至变形温度和热变形达到真应变后快速冷却至室温的冷却速率不低于5℃/s。

所述变形温度在奥氏体化温度或以下，而大部分热轧、热变形都是在奥氏体化温度以上变形，温度升高容易导致晶粒长大；优选地，由热加工图与微观组织结合分析得到细化热作模具钢晶粒的变形温度范围为800-870℃，应变速率范围为0.001-0.05s

本发明与现有技术相比具有如下优点和效果：

(1)本发明通过控制变形温度、应变速率和变形量，使热作模具钢发生完全动态再结晶，达到细化晶粒、调整晶粒形态的目的，有效地改善了热作模具钢不均匀的粗大组织。

(2)本发明热变形过程中即可完成动态再结晶，达到细化晶粒的目的，减少了二次热处理工艺，简化了工序，缩短了热处理时间，大幅度提高了细化热作模具钢晶粒的效率。

(3)一般的热轧、热变形工艺都是在奥氏体化温度以上进行的，本发明采用的变形温度均在奥氏体化温度及以下，可一定程度阻止晶粒长大。

(4)本发明热作模具钢热变形过程始终恒温，避免了因大幅度升温、降温造成的温度梯度，防止了再结晶组织的不均匀性，避免出现机械失稳现象。

(5)本发明将热加工图和微观组织分析相结合，确定了细化热作模具钢晶粒的最佳热变形工艺区间，为提高热作模具的质量和延长其使用寿命提供技术支撑，为实际生产提供理论指导。

附图说明

图1为未经细化处理的热作模具钢原始微观组织；

图2为细化热作模具钢晶粒的热变形工艺图；

图3为对比例1细化处理的热作模具钢微观组织；

图4为对比例2细化处理的热作模具钢微观组织；

图5为实施例1细化处理的热作模具钢微观组织；

图6为实施例2细化处理的热作模具钢微观组织；

图7为实施例4细化处理的热作模具钢微观组织；

图8为实施例5细化处理的热作模具钢微观组织。

具体实施方式

下面结合对比例和实施例对本发明的具体实施方式做详细说明。

本发明实施例中使用的未经细化处理的热作模具钢，其化学组成及质量百分比含量：C：0.5-0.6％、Cr：0.8-1.1％、Mn：0.5-0.8％、Mo：0.35-0.5％、Ni：1.4-1.8％、V：0.1-0.3％、Si：≤0.35％、S：≤0.03％、P：≤0.03％，余量为Fe，其原始微观组织如图1所示，晶粒粗大且不均匀，平均晶粒尺寸约为21.20μm；按照图2所示的热变形工艺对其进行处理，具体工艺如下实施例。

对比例1