一種大型模具鋼的熱處理方法與流程

2023-05-28 10:42:16

本發明屬於模具鋼技術領域，具體涉及一種大型P20(3Cr2Mo)塑料模具鋼熱處理方法。

背景技術：

大型鍛件的特點是：形大體重，生產時質量要求高，只能單件、小批量生產，並且產品生產周期長，技術條件苛刻。我國目前的重型裝備製造業中，對大型鍛件的需求量很大，對其質量要求也很高，尤其是各類高強度、高精度鍛件目前尚需進口，這已成為我國重型裝備製造業發展的瓶頸之一。

大型鍛件的生產從冶煉、鑄錠、鍛造、鍛造後熱處理到性能熱處理，要經過很多道工序，每一道工序都影響鍛件的質量，稍有偏差就可能引起缺陷，生產的難度很大，而且需要一次成功，這就要求生產前充分做好技術準備工作。重視與加強大型鍛件的生產，提高質量，降低生產成本，縮短生產周期，對於促進重型機械產品生產，發展工農業，鞏固國防，具有重要意義。對鍛件進行熱處理，不僅保證鍛造變形時有良好的塑性和低的變形抗力，而且對鍛造後的組織和性能也有很大影響。另外，通過熱處理的作用，鍛件的某部分缺陷會得到彌補，使鍛件的各種性能指標仍然能夠滿足工業發展的要求。在熱處理階段，鍛件的溫度會不斷地發生變化，與此同時，其組織結構、力學性能、導熱性和外形尺寸等都隨之發生變化，這些變化將直接影響到鍛件的鍛造性能和鍛件的質量。

淬火熱處理作為改變和提高材料性能的重要手段，在汽車、航空、運輸、建築及其它製造業領域中有著廣泛而重要的應用。基於現有的知識，比如相圖、圖、圖和淬透性曲線,已經可以對淬火工藝進行可靠的設計。隨著塑料產量的提高和應用領域的擴大，對塑料模具提出了越來越高的要求，促進了塑料模具的不斷發展。目前塑料模具正朝著高效率、高精度、高壽命方向發展，推動了塑料模具材料迅速發展。而廣泛應用的塑料模具鋼材P20已經提出新的要求，不然只能採用進口的高性能鋼材來替代，所以其P20鋼的熱處理工藝有待進一步優化改善。

公開號為「CN105695703A」，發明名稱為「一種模具鋼熱處理工藝」，公開了一種7Cr7Mo2V2Si高強韌性冷作模具鋼預備熱處理和淬火及回火的兩火直接熱處理工藝方法，從介紹的參數來看，僅對該模具鋼的硬度和耐磨性值提升有些效果，但很難達到材料內外熱處理過程冷卻速度控制基本一致，組織和性能均勻性很難保障。

申請號為「200610049263.7」，發明名稱為「一種新型鉻鋼系模具鋼及其熱處理工藝」，公開了一種Cr8Mo2V1Si模具的製造方法，然後簡單地描述了其經三火加熱的加熱溫度和保溫時間參數，很難體現淬火速度的控制，及控制均勻性保障也未體現。

申請號為「201410721290.9」，發明名稱為「一種3Cr2Mo模具鋼熱處理工藝」，公開了一種3Cr2Mo模具鋼熱處理工藝操作步驟，也是利用前期的高溫退火加淬火及回火、及滲碳工藝，可歸為兩火或三火加熱的熱處理工藝，重點為提高表面熱硬度及耐磨性，均勻性控制、內外差異也無法體現和實現。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明所要解決的技術問題是提供一種大型的P20(3Cr2Mo)模具鋼不同淬火介質組合複雜循環的新型熱處理工藝，該熱處理方法能改善P20模具鋼組織、斷面硬度值均勻性，提高模具鋼工件尺寸穩定性等。

本發明一種大型模具鋼的熱處理方法，包括以下步驟：

a、加熱溫度860～920℃，加熱時間9～24h；

b、淬火：淬火熱處理中用到了空冷、風冷、噴霧冷、水冷四種淬火介質中的至少兩種；具體為先出爐空冷2～3min，噴霧冷2～4min，然後噴水冷至表面溫度700℃，再風冷2～3min，然後繼續噴水冷至400℃，再風冷3～5min，然後繼續噴水冷至200℃，出熱處理槽空冷；

c、回火：回火溫度為520～580℃，回火時間為12～34h，橫斷面硬度為33～35/33～36HRC。

進一步的，上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中a步驟中加熱溫度為870℃，加熱時間為12h。

進一步的，上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中b步驟中淬火熱處理具體為先出爐空冷3min，噴霧冷3min，然後噴水冷至表面溫度700℃，再風冷3min，然後繼續噴水冷至400℃，再風冷4min，然後繼續噴水冷至200℃，出熱處理槽空冷，即得。

上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中所述噴霧冷中噴霧壓力為5～8MPa；優選為5.5MPa。

上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中所述風冷風速為2～4m/s；優選為2.8m/s。

上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中所述水冷的水壓為7～16MPa；優選為12MPa。

進一步的，上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中c步驟回火溫度為530℃，回火時間為2.5h，橫斷面硬度為34.5～35.5HRC。

本發明的一種P20模具鋼熱處理方法，採用了不同介質多次淬火工藝，對工件內外晶粒細化等級趨於基本一致，能改善P20模具鋼的組織、斷面硬度值均勻性，根據斷面尺寸厚度可調節上述溫度、時間參數，在實際生產中能夠保證產品保持較高的性能和尺寸穩定性。

具體實施方式

本發明一種大型模具鋼的熱處理方法，包括以下步驟：

a、加熱溫度860～920℃，加熱時間9～24h；

b、淬火：淬火熱處理中用到了空冷、風冷、噴霧冷、水冷四種淬火介質中的至少兩種；具體為先出爐空冷2～3min，噴霧冷2～4min，然後噴水冷至表面溫度700℃，再風冷2～3min，然後繼續噴水冷至400℃，再風冷3～5min，然後繼續噴水冷至200℃，出熱處理槽空冷；

c、回火：回火溫度為520～580℃，回火時間為12～34h，橫斷面硬度為33～35/33～36HRC。

斷面硬度表示模具鍛件沿寬度和厚度邊切開後的平面，硬度值代表這個面上的對角線上的任意位置點的硬度值。

鍛件通過大型電加熱爐加熱，其溫度由溫度控制器控制，通過熱電偶傳感器測得鍛件在爐壁兩側、上下兩面上各4個不同位置的溫度點合計24個，傳送到溫度變送器上實現反饋控制，從而保障爐內溫升的均勻性。

進一步的，上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中a步驟中加熱溫度為870℃，加熱時間為12h。

本發明採用多介質多工步循環淬火方法，熱處理後產品硬度、組織均勻性更好。

進一步的，上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中b步驟中淬火熱處理具體為先出爐空冷3min，噴霧冷3min，然後噴水冷至表面溫度700℃，再風冷3min，然後繼續噴水冷至400℃，再風冷4min，然後繼續噴水冷至200℃，出熱處理槽空冷，即得。

上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中所述噴霧冷中噴霧壓力為5～8MPa；優選為5.5MPa。

上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中所述風冷風速為2～4m/s；優選為2.8m/s。

上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中所述水冷的水壓為7～16MPa；優選為12MPa。

進一步的，上述一種大型模具鋼的熱處理方法，其中c步驟回火溫度為530℃，回火時間為2.5h，橫斷面硬度為34.5～35.5HRC。

下面結合實施例對本發明的具體實施方式做進一步的描述，並不因此將本發明限制在所述的實施例範圍之中。

實施例1

一種550×1300mm斷面P20模具鋼熱處理工藝，該鍛件通過大型電加熱爐加熱，其溫度由溫度控制器控制，通過熱電偶傳感器測得鍛件在爐壁兩側、上下兩面上各4個不同位置的溫度點合計24個，傳送到溫度變送器上實現反饋控制，保障爐內溫升的均勻性，包含以下步驟：

P20模具鋼鍛後空冷，在淬火熱處理中用到了空氣冷、風冷、噴霧冷、水冷等四種淬火介質，噴霧壓力用5.5MPa，風冷風速2.8m/s，水冷水壓為12MPa，實現本發明目的涉及的CG738模具鋼熱處理工藝技術方案，具體為：

(1)加熱溫度870℃，加熱時間12h，

(2)淬火：出爐空冷3min，噴霧冷3min，然後噴水冷至表面中心溫度700℃，再風冷3min，然後繼續噴水冷至400℃，再風冷4min，然後繼續噴水冷至200℃，出熱處理槽空冷；

(3)回火：530℃回火，回火時間12.5h，橫斷面硬度為34.5～35.5HRC。

斷面晶粒級別為5.8級。

實施例2

一種820×1300mm斷面P20模具鋼熱處理工藝，該鍛件通過大型電加熱爐加熱，其溫度由溫度控制器控制，通過熱電偶傳感器測得鍛件在爐壁兩側、上下兩面上各4個不同位置的溫度點合計24個，傳送到溫度變送器上實現反饋控制，保障爐內溫升的均勻性，包含以下步驟：

P20模具鋼鍛後空冷，在淬火熱處理中用到了空氣冷、風冷、噴霧冷、水冷等四種淬火介質，噴霧壓力用8MPa，風冷風速3m/s，水冷水壓為12MPa，實現本發明目的涉及的P20模具鋼熱處理工藝技術方案，具體為：

(1)加熱溫度920℃，加熱時間24h，

(2)淬火：出爐空冷3min，噴霧冷4min，然後噴水冷至表面中心溫度700℃，再風冷3min，然後繼續噴水冷至400℃，再風冷4min，然後繼續噴水冷至200℃，出熱處理槽空冷；

(3)回火：550℃回火，回火時間28h，橫斷面硬度為33～35HRC。

斷面晶粒級別為5.6級。

本發明實施例1至2通過對鍛後加熱的模具鋼錠在熱處理控制槽中，循環採用不同淬火介質組合變化，無需多火加熱熱處理，能耗低，生產效率高，同時，組合式淬火有利於提高淬火冷卻的均勻性和減少工件變形，熱處理後斷面邊心部硬度差值控制在2HRC左右水平；成功解決了攀長鋼大型模具鋼鍛件硬度不均、易產生體積形變等問題，提高了產品的一次合格率；同時，由於無需經多次加熱後熱處理，降低能源消耗、表面氧化燒損，提高了產品表面質量，可以起到降本增效的經濟作用，具有在攀長鋼其他鍛件熱處理產品及國內同行業推廣應用的市場前景。

對比例1

一種550×1300mm斷面P20模具鋼熱處理工藝，具體為：

P20模具鋼鍛後空冷，在淬火熱處理中用到的淬火介質為空氣冷，實現本發明目的涉及的CG738模具鋼熱處理工藝技術方案，包含以下步驟：

(1)加熱溫度870℃，加熱時間12h，

(2)淬火：出爐直接空冷至200℃，再出熱處理槽空冷；

(3)回火：530℃回火，回火時間12.5h，橫斷面硬度為24～29HRC。

斷面晶粒級別為4.8級。

可見，單一空氣冷淬火介質，淬火能力較弱，淬火後回火產品硬度值低，晶粒粗大，性能較差。

對比例2

一種820×1300mm斷面P20模具鋼熱處理工藝，具體為：

P20模具鋼鍛後空冷，在淬火熱處理中用到的淬火介質為噴水冷，實現本發明目的涉及的CG738模具鋼熱處理工藝技術方案，包含以下步驟：

(1)加熱溫度870℃，加熱時間12h，

(2)淬火：出爐空冷2min，噴霧冷3min，然後噴水冷淬火至200℃，再出熱處理槽空冷；

(3)回火：530℃回火，回火時間28h，橫斷面硬度為34～39HRC。

斷面晶粒級別為6.3級。

對比例1～2通過對鍛後加熱的模具鋼錠在熱處理控制槽中，採用單一淬火介質或者區別於實施例中的不同淬火介質組合方式進行淬火出來後，發現，採用對比例1～2的淬火方式，得到的斷面邊心部硬度差值在偏高或偏低，且使得該方法得到的大型模具鋼鍛件硬度值波動大、易產生體積形變、產品合格率低、能耗高、表面出現淬火裂紋等質量等問題。