模具钢锻后热处理工艺

热锻模具在成形过程中，一方面在高温条件下，模具表面受到强烈的摩擦和冲击，另一方面还受到冷却液的激冷作用。 由于它能承受冷、热的交替作用，所以用于热锻。 模具钢在400～600℃时应具有足够的强度、韧性和耐磨性。 对于大型锻造模具，需要添加一定的合金元素来提高热作模具钢的淬透性，如添加Cr、Ni、Mo等，同时也提高模具钢的综合性能。

SKT4钢具有良好的韧性和耐磨性。 其在400-600℃的力学性能与室温相比几乎没有变化。 而且合金中添加了一定的合金元素，因此还具有良好的淬透性。 因此，常用于制作大、中型热锻模具。 由于钢中添加合金元素Mo，其回火脆性不敏感。 因此，SKT4模具钢是应用较广泛的热作模具钢之一。 该钢的缺点是工作温度稍低，锻坯易产生白点。 由于该钢常规热处理工艺为普通退火+氢扩退火，普通退火温度较低，冷却速度慢。 锻造模毛坯中的粗大晶粒、网状、带状、链状碳化物等缺陷很难消除。 ，氢膨胀退火时间长，严重影响热处理效率。 本文结合实际情况，对SKT4模具钢消除网状、链状碳化物、细化粗晶粒的常规热处理工艺与优化热处理工艺进行对比研究。

测试材料和方法

试验材料为SKT4模具钢，其主要化学成分与GB/T 1299-2000《合金工具钢》中国产牌号5CrNiMo钢较为接近。 SKT4钢采用EAF+VD+电渣重熔冶炼。 经过电渣重熔后进行锻造。 初锻温度控制在1100℃，终锻温度850℃，保证锻造比大于4。锻造后的SKT4钢被送入热处理炉进行后续热处理。 对试验SKT4钢的化学成分进行分析，测定氧、氮、氢。 取五组样品并计算其平均值。 结果如表1和表2所示。从表1和表2可以看出，试验SKT4钢的合金元素含量符合GB/T 1299-2000标准的要求。 P、S元素含量低，H、O、N元素含量也低。

测试结果与讨论

2.1 热处理工艺的制定

由于模具钢是亚共析钢，为了制定热处理工艺，首先要了解模具钢的Ac1和Ac3线温度。 采用JmatPro3.0软件对钢的相进行计算，计算结果如图1所示。从图1中可以看出，在常温下，该模具钢中存在比较多的平衡组织，主要是铁素体、渗碳体、碳化物和MnS等； 奥氏体化起始温度约为720℃～800℃左右，为Ac1线温度； 完全奥氏体化的温度在800℃左右，即Ac3线温度。

根据确定的Ac1和Ac3线温度，制定了两种锻后热处理方案，其工艺曲线如图2所示。常规热处理工艺（图2（a））是锻件冷却至500° C锻造后送入热处理炉。 控制加热温度，缓慢加热，使大锻件完全加热，然后在790℃保温8小时，然后在低于30℃/h的速度冷却至650℃，保温30h，进行氢膨胀退火。 总热处理时间约为60h。 优化的热处理工艺（图2（b））是锻造后，将锻件冷却至500℃，送入热处理炉。 控制加热温度，缓慢加热，使大锻件完全加热。 然后将其在 860°C 下保持 10 小时并进行空气冷却。 正火冷却至400℃，然后加热至670℃并保温25小时进行回火。 总热处理时间小于50小时。

2.2 结果与讨论

由于该钢常规热处理工艺为普通退火+氢扩退火，普通退火难以消除粗大铸态组织，网状、链状碳化物溶解不完全。 研究表明，在常规热处理前增加正火处理，可以减少钢中未溶碳化物量，细化奥氏体晶粒，减少碳化物分布不均匀，提高强度和韧性。 并且正火温度比较高。 温度越高，氢元素的扩散能力越强，可以大大减少后续的氢膨胀退火时间，从而提高效率。

图3为SKT4模具钢经不同工艺热处理后的显微组织。 从图3（a）可以看出，常规热处理工艺后SKT4钢的组织为珠光体+块状铁素体，组织较为粗大。 优化工艺热处理后的SKT4钢组织为珠光体+细小铁素体，组织细化，如图3(b)所示。 对比两条工艺路线可以看出，优化热处理工艺与常规热处理工艺的主要区别在于加热温度、保温时间和冷却速率。 从热处理温度和时间角度来看，优化后的热处理工艺一方面高温段加热温度高、保温时间长； 另一方面，在低温段，加热温度高，但保温时间短。 从冷却速度来看，优化的工艺路线为正火处理，冷却速度比常规退火速度快很多。 对于热处理工艺的高温段来说，在高温段保持较高的加热温度和较长的保温时间，有利于改善大模块铸造初期合金元素的偏析，同时增加冷却速度有利于组织的细化。 改变。 因此，从组织改善效果来看，优化后的工艺更适合SKT4模具钢的热处理。

热处理过程中的低温段具有消除应力和扩散氢的作用。 由于优化热处理工艺该段热处理时间较短，可能会造成除氢不充分，从而产生氢脆。 SKT4钢对氢脆极其敏感。 ，因此有必要对优化工艺热处理后的SKT4模具钢进行断口分析。 图4为SKT4模具钢样品的断口形貌。 从图4可以看出，样品呈脆性断裂，断口呈晶态。 用扫描电子显微镜观察，未发现氢脆现象。

为了进一步验证氢脆的可能性，对样品中的裂纹进行了观察。 形貌和附近的微观结构如图5所示。从图5中可以看出，裂纹是延性和穿晶断裂，不具有发射性。 因此，裂纹可能是锻后冷却速度过快造成的，而不是氢脆。

综上所述

1）SKT4模具钢采用常规工艺热处理后组织粗大。 其组织为珠光体+块状铁素体。 微观偏析严重，严重影响其性能。

2）正火可以细化SKT4模具钢的组织，改善合金元素的偏析。 其组织为珠光体+细小铁素体，组织显着细化。

3）优化的热处理工艺，缩短了热处理时间，提高了热处理效率，达到改善组织、无氢脆的目的。

作者：文/舞钢集团襄阳重型装备材料有限公司 刘绍友 叶希聪