CN112458257A - 一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：淬火、高温回火、深冷处理、低温回火。该工艺改变了模具钢内部金相组织结构，使得模具钢淬火后的残余奥氏体转变成低温回火马氏体，并且是弥散状态分布在高温回火马氏体的基体周围，达到了改变其力学性能的效果，模具钢的室温抗拉强度达到2000MPa，耐磨性显著提高；同时提高了铝型材生产效率，降低了铝型材的生产成本和缩短了铝型材的生产周期。

Description

一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺

技术领域

本发明属于热处理方法领域，具体涉及一种铝型材挤压模具钢热处理工艺。

背景技术

铝型材是一种在高温高压下挤压成型的通用型材，因此用于制造铝型材的挤压模具必须能够承受较高的工作温度和工作压力。常规的铝型材挤压成型过程如图1所示，铝挤压型材的生产是在挤压机的作用下，通过挤压杆100向铝棒101传递压力，铝棒被强制压入铝挤压模具102的模腔，强迫铝金属在模腔内流动，最终在其模孔的工作带103流出成型，得到型材104；铝挤压模具服役的条件非常恶劣，要求模具有很高的强度来承受挤压应力，尤其是其模孔的工作带，不仅承受巨大的多向挤压应力，还承受着巨大摩擦应力，工作带还需具备很强的耐磨损能力，为了满足铝型材挤压模具苛刻的服役条件，通常采用4Cr5MoSiV1热作模具钢制作。

4Cr5MoSiV1钢(H13钢)是所有热作模具钢中使用最广泛的钢号之一。该钢具有较高的热强度和硬度在中温条件下具有很好的韧性热疲劳性能和一定的耐磨性，由于钢材的强韧性不够，通常会造成型腔边缘或局部塌陷、断裂而早期失效。同时，由于在工作时与高温熔融金属相接触，模具在冷却过程中受到急冷急热的热冲击，模具温差较大，也容易导致热疲劳失效。为适应热作模具恶劣的工作环境，防止模具在使用中产生早期断裂及热疲劳，通常要求热处理后的模具应当有高的高温硬度、高温耐磨性、耐冲击性能、断裂韧性及回火稳定性，因此，回火工艺对模具性能的提高起着至关重要的作用。

模具钢常规热处理工艺：淬火工艺温度为1040℃，快速冷却；后续进行两次高温回火，高温回火温度为580℃。常规热处理工艺各工艺阶段金相组织结构分析结果如下：模具钢在1040℃奥氏体化保温结束时，此时金相组织结构为奥氏体和少量未溶解到奥氏体中的碳化物；此时对模具钢进行快速冷却，在温度接近马氏体转化点Ms(～335℃)时，奥氏体开始向马氏体转化，连续冷却至室温，此时温度离马氏体转变终了点Mf(～-65℃)相差约100℃，因此还存在部分尚未转化的奥氏体，称为残余奥氏体。

残余奥氏体的形成原因有以下两个方面：1、马氏体的转变是在一定温度范围内进行，即在马氏体开始转变点Ms至马氏体转变终了点Mf之间进行，在连续冷却过程中出现温度停顿和降温速度减慢，都会增大奥氏体的稳定性和残余奥氏体的量；2、奥氏体转变成马氏体过程中，会发生晶格改组，奥氏体属于面心立方晶格系，马氏体属于体心立方晶格系，面心立方晶格的原子结构排列比体心立方晶格的原子结构排列更致密，即面心立方晶格系的奥氏体的比容小于体心立方晶格系的马氏体，在奥氏体向马氏体转变过程中，材料体积发生膨胀，对尚未转变的奥氏体构成很大的压应力，导致奥氏体转变空间被压缩，失去转变的条件，也会使得奥氏体向马氏体转变不能进行彻底。

因此，4Cr5MoSiV1模具钢在1040℃奥氏体化后，快速冷却到室温时，其金相组织结构为马氏体、残余奥氏体和少量的未溶碳化物；580℃第一次高温回火时，过饱和的碳原子从马氏体中析出，与合金元素结合形成碳化物，使得马氏体的晶格畸变减少，空间被释放；在随后冷却到室温的过程中，温度接近马氏体转变Ms点(335℃)时，残余奥氏体开始向马氏体转变，一直冷却至室温，部分残余奥氏体转变成马氏体，其金相组织结构为高温回火马氏体、马氏体和残余奥氏体；580℃第二次高温回火时，将第一次回火冷却过程中形成的马氏体中的碳原子析出，又释放了小部分空间，在随后的冷却到室温的过程中，又有极小量残余奥氏体转变成马氏体，其金相组织结构为高温回火马氏体、残余奥氏体和极少量马氏体，残余奥氏体的硬度很低，耐磨性很差，常规热处理工艺最终金相组织结构示意图如图2所示，其中极少量的马氏体200和残余奥氏体202分布于高温回火马氏体I 201基体周围。

模具钢常规热处理工艺完成，可投入使用，模具的模孔工作带服役一段时间后，会出现磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损，从而导致模孔变大，造成挤压铝型材的尺寸超出公差范围，模具失效，报废处理，因此模具的模孔工作带过早磨损是制约着提高挤压铝型材生产效率的瓶颈，先进的热处理工艺方法可以改变其内部的金相组织结构，是提高模孔工作带耐磨损性的途径之一，因此需要探索发现新的热处理工艺方法，改变其模孔的工作带的内部金相组织结构，提高模孔工作带的耐磨损性，来延长模具的使用寿命，提高挤压铝型材的生产效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种延长铝型材挤压模具钢的使用寿命的热处理工艺。

为此，本发明提出一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，能够提高模孔工作带的耐磨损性。

本发明最关键的构思在于：采用淬火、高温回火、深冷处理和低温回火来控制模具最终金相组织结构。

模具钢在各阶段金相组织结构为：模具钢在淬火奥氏体保温结束后，此时金相结构为奥氏体和少量未溶解到奥氏体中的碳化物，对模具钢进行快速冷却至室温，金相结构转化为马氏体、残余奥氏体和少量未溶碳化物；高温回火时，过饱和的碳原子从马氏体中析出，马氏体的晶格畸变减少，空间被释放，在随后的冷却到室温的过程中，温度接近为马氏体转变点Ms(335℃)时，残余奥氏体开始向马氏体转变，一直冷却至室温，部分残余奥氏体转变成马氏体，其金相组织结构为高温回火马氏体、马氏体和残余奥氏体；深冷处理时，模具钢温度保持在低于马氏体转变终了点Mf(～-65℃)以下，奥氏体向马氏体的转变能增大，残余奥氏体转变成马氏体，残余奥氏体接近为零，其金相组织结构为高温回火马氏体和马氏体；低温回火后，其金相组织结构为高温回火马氏体和低温回火马氏体，低温回火马氏体的硬度比高温回火马氏体硬度要高，耐磨性好；最终实现模具钢金相组织结构为低温回火马氏体弥散分布于高温回火马氏体基体周围。

位错运动切行绕过低温回火马氏体如图4所示，模具原子排列结构存在不整齐的情况，出现错位排列，称为位错，直线和弯曲箭头代表位错的运动方向，位错运动时需要绕过低温回火马氏体II 400。

根据本发明的实施方式的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢控制温度1050～1060℃保温，保温结束后冷却至室温；

S2：高温回火：将步骤S1处理后模具钢控制温度580～590℃保温，保温结束后冷却至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2处理后模具钢控制温度零下135～零下125℃保温，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3处理后控制温度130～150℃保温，保温结束后冷却至室温。

热处理过程中时，在模具钢透热的情况下，其保温时间对性能影响很小，热处理温度对性能影响大，淬火加热温度越高，其晶粒越粗大，对力学性能影响越大，尤其会使模具钢韧性降低。

根据本发明的一些实施方式，步骤S1所述保温时间为180～240min。

保温时间t＝akD，其中t为加热时间；a为加热系数(单位：分钟/毫米)；D为挤压模具有效厚度(单位：毫米)；k为装炉修正系数，挤压模具取2.0；该公式是淬火的保温时间的计算方法，后续高温回火的保温时间是淬火保温时间的1.5倍，低温回火时间是淬火保温时间的2倍，深冷处理的保温时间是淬火保温时间的3倍。根据本发明的一些实施方式，步骤S1所述冷却方式为油冷。

根据本发明的一些实施方式，所述油冷介质为真空淬火油，介质温度为60～80℃。

淬火冷却方式对模具钢的力学性能影响很大，水冷却速度最快，但是组织结构转变应力和冷热应力太大，两者叠加在一起超过模具钢强度会导致模具开裂；风冷的冷却速度太慢，溶解在奥氏体中的碳原子结合成碳化物从晶界上析出，弱化晶界，力学性能降低；一般采用油冷，冷却速度温和，满足4Cr5MoSiV1热作钢CCT曲线的要求。

根据本发明的一些实施方式，步骤S2所述保温时间为270～360min。

根据本发明的一些实施方式，步骤S2所述冷却方式为空冷。

根据本发明的一些实施方式，所述空冷为空气中自然冷却。

根据本发明的一些实施方式，步骤S3所述保温时间为540～720min。

根据本发明的一些实施方式，步骤S3的空热方式为空气中自然回温。

根据本发明的一些实施方式，步骤S4所述保温时间为360～480min。

根据本发明的一些实施方式，步骤S4所述冷却方式为空冷。

根据本发明的一些实施方式，所述室温为20～30℃。

根据本发明的一些实施方式，所述模具钢为4Cr5MoSiV1模具钢。

根据本发明实施方式的一种铝型材挤压模具的热处理工艺，至少具有如下有益效果：模具钢在高温回火后，部分残余奥氏体转变为马氏体，再经过深冷处理后，剩余的残余奥氏体转变为位错密度更高、较硬、更稳定、耐磨性和耐热性更高的马氏体，再经过低温回火后，将深冷处理转变得到的马氏体，转变为低温回火马氏体，并且呈弥散状态分布在高温回火马氏体的基体上，在挤压应力作用下，微观上位错运动要切行或绕过这些低温回火马氏体，需要消耗更多的能量，宏观上模具钢展现强度更高，耐磨能力更强。

本发明工艺过程包括淬火、高温回火、深冷处理、低温回火四个步骤，改变了模具内部金相组织结构，让淬火后的残余奥氏体转变成低温回火马氏体，且弥散状态分布在高温回火马氏体的基体上，从而改变模具钢力学性能，模具钢的室温抗拉强度相比常规热处理工艺高200MPa，达到2000MPa，同时模具钢耐磨性显著提高，依据实施例数据表明，一套挤压直径30的毫米实心铝型材模具，可挤压铝型材60吨(现有水平为40吨)，相比生产效率提高三分之一，降低铝型材的生产成本和缩短铝型材的交货周期。

附图说明

图1为铝型材挤压成型示意图；

图2为常规热处理工艺最终金相组织结构示意图；

图3为本申请热处理工艺最终金相组织结构示意图；

图4为位错运动切行绕过低温回火马氏体示意图；

图5为实施例一金相图谱；

图6为实施例二金相图谱；

图7为对比例一金相图谱；

图8为对比例二金相图谱；

图9为对比例三金相图谱；

图10为对比例四金相图谱；

图11为对比例五金相图谱。

标号说明：

挤压杆100、铝棒101、模具102、工作带103、型材104、马氏体200、高温回火马氏体I201、残余奥氏体202、高温回火马氏体II 300、低温回火马氏体I 301、低温回火马氏体II400。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。实施例中所使用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所使用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到的试剂和材料。本发明所称I、II并不代表需要同时出现或意味着先后顺序，仅为便于区分。

本发明的实施例一为：一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢(4Cr5MoSiV1钢)控制温度为1050℃，保温180分钟，保温结束后采用油冷至室温；

S2：高温回火：将步骤S1所得模具钢控制温度为580℃，保温270分钟，保温结束后空冷至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2所得模具钢控制温度为零下125℃，保温540分钟，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3所得模具钢控制温度为130℃，保温360分钟，保温结束后空冷至室温。

本发明的实施例二：一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢(4Cr5MoSiV1钢)控制温度为1060℃，保温180分钟，保温结束后采用油冷至室温；

S2：高温回火：将步骤S1所得模具钢控制温度为590℃，保温270分钟，保温结束后风冷至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2所得模具钢控制温度为零下135℃，保温540分钟，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3所得模具钢控制温度为150℃，保温360分钟，保温结束后空冷至室温。

经实施例一～二热处理工艺制得的最终金相组织的结构示意图如图3所示，包括高温回火马氏体II 300和低温回火马氏体I 301，其中，低温回火马氏体I 301弥散分布于高温回火马氏体II 300基体周围。

本发明的对比例一为：一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢(4Cr5MoSiV1钢)控制温度为1050℃，保温180分钟，保温结束后采用油冷至室温；

S2：高温回火：将步骤S1所得模具钢控制温度为580℃，保温270分钟，保温结束后空冷至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2所得模具钢控制温度为零下100℃，保温540分钟，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3所得模具钢控制温度为130℃，保温360分钟，保温结束后空冷至室温。

本发明的对比例二为：一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺方法，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢(4Cr5MoSiV1钢)控制温度为1050℃，保温180分钟，保温结束后采用油冷至室温；

S2：高温回火：将步骤S1所得模具钢控制温度为580℃，保温270分钟，保温结束后空冷至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2所得模具钢控制温度为零下100℃，保温540分钟，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3所得模具钢控制温度为180℃，保温360分钟，保温结束后空冷至室温。

本发明的对比例三为：一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢(4Cr5MoSiV1钢)控制温度为1040℃，保温180分钟，保温结束后采用油冷至室温；

S2：高温回火：将步骤S1所得模具钢控制温度为580℃，保温270分钟，保温结束后空冷至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2所得模具钢控制温度为零下125℃，保温540分钟，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3所得模具钢控制温度为130℃，保温360分钟，保温结束后空冷至室温。

本发明的对比例四为：一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢(4Cr5MoSiV1钢)控制温度为1080℃，保温180分钟，保温结束后采用油冷至室温；

S2：高温回火：将步骤S1所得模具钢控制温度为600℃，保温270分钟，保温结束后风冷至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2所得模具钢控制温度为零下125℃，保温540分钟，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3所得模具钢控制温度为100℃，保温360分钟，保温结束后空冷至室温。

本发明的对比例五为：一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺方法，包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢(4Cr5MoSiV1钢)控制温度为1050℃，保温180分钟，保温结束后采用油冷至室温；

S2：深冷处理：将步骤S2所得模具钢控制温度为零下125℃，保温540分钟，保温结束后空热至室温；

S3：高温回火：将步骤S1所得模具钢控制温度为580℃，保温270分钟，保温结束后空冷至室温；

S4：低温回火：将步骤S3所得模具钢控制温度为130℃，保温360分钟，保温结束后空冷至室温。

实施例一～二和对比例一～五各性能测试方法如下：

1、抗拉强度：按国标GB/T228-2010要求，同批次钢材纵向取样，试样直径10毫米，长度100毫米，按照实施例和对比例的热处理工艺方法完成后，在100吨的拉伸试验机进行拉伸实验，得出来的数据。

2、耐磨性：按国标GB/T34501-2017要求，同批次钢材纵向取样，试样长*宽*高为15毫米*15毫米*5毫米，并磅好试样重量，按照实施例和对比例的热处理工艺方法完成后，在自动金相磨抛机上磨削5小时，取下试样，再次磅试样的重量，两次重量差除以磨削前重量，得出的商，即为耐磨性，商的表示符号为G，G值越小，耐磨性越好。

3、金相图谱：按ADCA北美压铸协会技术标准要求，同批次钢材横向取样，试样长*宽*高为15毫米*15毫米*10毫米，按照实施例和对比例的热处理工艺方法完成后，试样经过磨抛百分之四的硝酸酒精溶液腐蚀后，在金相显微镜放大500倍，观察到对比例和实施例最终热处理组织结构图谱。

4、可挤压型材：采用同批次钢材，制造成同款铝型材挤压模具，按照实施例和对比例的热处理工艺方法完成后，在挤压机实际挤压出的铝型材的吨数。

实施例一～二与对比例一～五性能结果对比见表1。

表1实施例一～二与对比例一～五性能对比结果

实施例一金相图谱如图5所示，从图5可得出实施例一制得模具钢金相图谱结构为高温回火马氏体和低温回火马氏体，低温回火马氏体弥散分布在高温回火马氏体的基体上，模具的强度硬度达到了最佳配合，在挤压压应力的作用下，模具内的位错运动要切行和绕过这些弥散的低温回火马氏体，要消耗更大的能量，模具展现出优良耐磨性，一套模具可以挤压60吨铝型材。

实施例二金相图谱如图6所示，从图6可得出实施例二组织结构为高温回火马氏体和低温回火马氏体，回火温度对耐磨性有影响，回火温度越高，模具的强度硬度降低，耐磨性也降低，590℃高温回火的模具强度硬度要比580℃高温回火的强度硬度要低些，因此一套模具挤压铝型材的产量与实施例1对比少2吨。

对比例一金相图谱如图7所示，从图7可得出对比例一组织结构为高温回火马氏体、低温回火马氏体和极少量的残余奥氏体，主要是由于深冷处理温度采用零下100℃，深冷温度高，残余奥氏体完全转变为马氏体的动能不足，还有有极少量的残余奥氏体未完全转变成马氏体，残余奥氏体的强度硬度比较低，耐磨性也相对差些，因此一套模具挤压铝型材的产量与实施例一对比要少4吨。

对比例二金相图谱如图8所示，从图8可得出对比例二组织结构为高温回火马氏体、低温回火马氏体和极少量的残余奥氏体，主要是由于深冷处理温度采用零下100℃，深冷温度高，残余奥氏体完全转变为马氏体的动能不足，还有有极少量的残余奥氏体未完全转变成马氏体，残余奥氏体的强度硬度比较低，加上低温回火温度采用的是180℃，双重影响下，因此一套模具挤压铝型材的产量与实施例对比少6吨。

对比例三金相图谱如图9所示，从图9可得出对比例三组织结构为高温回火马氏体和低温回火马氏体，模具淬火温度采用1040℃，相比淬火温度采用1050℃的，残余奥氏体的量相对要少些，导致低温回火马氏体的量也少些，弥散分布的低温回火马氏体的量要少些，所以耐磨性相比淬火温度采用1050℃～1060℃要些差些，因此一套模具挤压铝型材的产量与实施例对比少8吨。

对比例四金相图谱如图10所示，从图10可得出对比例四组织结构为高温回火马氏体和低温回火马氏体，由于淬火温度高，虽然残余奥氏体的量多，弥散分布的低温回火马氏体的量也多，G值低耐磨性好，但是奥氏体晶粒粗大，其晶粒直径平均有21.5微米，韧性降低，断裂前吸收能量的能力降低，模具在使用中出现脆性断裂，因此一套模具挤压铝型材的产量与常规热处理少10吨，与实施例1对比少30吨。

对比例五金相图谱如图11所示，从图11可得出对比例五组织结构为高温回火马氏体，为单相组织结构，淬火后进行深冷处理，再进行高温回火，其金相组织转变成单一的高温回火马氏体组织结构，与常规热处理的组织结构相比，只是没有残余奥氏体，耐磨性比常规热处理稍好，因此一套模具比常规热处理的模具可多挤压2吨铝型材，但是相比对比例1要少挤压18吨铝型材。

综上所述，本发明提供的模具钢热处理工艺，改变了模具钢内部金相组织结构，使得模具钢淬火后的残余奥氏体转变成低温回火马氏体，并且是弥散状态分布在高温回火马氏体的基体周围，达到了改变其力学性能的效果，模具钢的室温抗拉强度达到2000MPa，耐磨性显著提高，生产数据表明，一套挤压直径30的毫米实心铝型材模具，可挤压铝型材60吨，采用常规热处理的模具钢其产量仅为40吨，相比生产效率提高三分之一，降低了铝型材的生产成本和缩短了铝型材的生产周期，具有良好的工业应用前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：包括以下步骤：

S1：淬火：将模具钢控制温度1050～1060℃保温，保温结束后冷却至室温；

S2：高温回火：将步骤S1处理后模具钢控制温度580～590℃保温，保温结束后冷却至室温；

S3：深冷处理：将步骤S2处理后模具钢控制温度零下135～零下125℃保温，保温结束后空热至室温；

S4：低温回火：将步骤S3处理后控制温度130～150℃保温，保温结束后冷却至室温。

2.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：步骤S1所述保温时间为180～240min。

3.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：步骤S1所述冷却方式为油冷；所述油冷介质为真空淬火油，介质温度为60～80℃。

4.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：步骤S2所述保温时间为270～360min。

5.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：步骤S2所述冷却方式为空冷。

6.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：步骤S3所述保温时间为540～720min。

7.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：步骤S4所述保温时间为360～480min。

8.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：步骤S4所述冷却方式为空冷。

9.根据权利要求1所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：所述室温为20～30℃。

10.根据权利要求1至9任一项所述的一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺，其特征在于：所述模具钢为4Cr5MoSiV1模具钢。

Images