[发明专利]一种铝型材挤压模具钢的热处理工艺

说明书

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。

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。