一种4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法
阅读说明：本技术 一种4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法 (Method for regulating and controlling mechanical properties of 4Cr5MoSiV1 alloy steel ) 是由 董世运 闫世兴 赵轩 吕耀辉 刘晓亭 夏丹 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法,包括如下步骤：(1)对4Cr5MoSiV1合金钢粉末进行预处理；(2)对基板材料进行预处理；(3)采用激光立体成型工艺,制备4Cr5MoSiV1合金钢成型件；(4)对第(3)步获得的4Cr5MoSiV1合金钢成型件进行热处理。本发明的4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法,可在保证成型件具有优良拉伸性能和延展性能的前提下,明显降低热处理过程中的加热温度和加热时间,进而实现短周期、低能耗以及高性能4Cr5MoSiV1合金钢的制备。(The invention provides a method for regulating and controlling mechanical properties of 4Cr5MoSiV1 alloy steel, which comprises the following steps: (1) pretreating 4Cr5MoSiV1 alloy steel powder; (2) pre-treating a substrate material; (3) preparing a 4Cr5MoSiV1 alloy steel molding piece by adopting a laser three-dimensional molding process; (4) and (4) carrying out heat treatment on the 4Cr5MoSiV1 alloy steel formed piece obtained in the step (3). The method for regulating and controlling the mechanical properties of the 4Cr5MoSiV1 alloy steel can obviously reduce the heating temperature and the heating time in the heat treatment process on the premise of ensuring that a formed part has excellent tensile property and ductility, thereby realizing the preparation of the 4Cr5MoSiV1 alloy steel with short period, low energy consumption and high performance.)
技术领域
本发明涉及一种4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法。更具体地，本发明涉及一种通过激光立体成型工艺和热处理工艺对4Cr5MoSiV1合金钢力学性能进行调控的方法。本发明属于激光增材制造技术领域。
背景技术
国内自主生产的4Cr5MoSiV1热作模具钢的综合性能已能满足常规工况条件的使用要求。然而，在制备超高模次寿命或服役于极度恶劣工况下的热作模具钢方面，国产大型、复杂、精密、长寿命的高端4Cr5MoSiV1热作模具钢在技术、工艺以及产品水平等方面与美国、德国、日本等国家差距明显。目前国内高端4Cr5MoSiV1模具钢市场被大同、日立、伍德霍姆(一胜百)、百禄以及山阳等国外厂商垄断。其中，高端4Cr5MoSiV1模具钢材料洁净度和碳化物偏析等问题成为制约我国高端模具钢发展的最重要问题之一。
激光立体成型技术制备高端4Cr5MoSiV1模具钢材料具有以下优点：(1)由于激光成型过程中可形成湍流较小的熔池，合金钢粉末可以得到充分熔化，并且熔池内部不易卷入气体，熔池凝固后可得到近乎致密的成型件；(2)激光立体成型技术不受模具钢构件尺寸大小制约，可以通过逐层累加的方法制备大尺寸复杂模具钢构件。
但是，目前针对沉积态4Cr5MoSiV1合金钢仍然沿用传统加工方法的热处理工艺，包括去应力退火(650℃保温8小时)+奥氏体化处理(1020℃保温70-75分钟)+淬火+两次调质处理(585℃保温2.25-3小时)，没有根据激光增材4Cr5MoSiV1合金钢构件的工艺特点简化热处理工艺，使得热处理工艺加热温度高、保温时间长，进而导致较大的能源消耗和加工周期。此外，现有沉积态+热处理态4Cr5MoSiV1合金钢构件力学性能较低，延伸率只能达到6.5％左右，远低于传统加工方法制备的4Cr5MoSiV1合金钢构件的延伸率。
发明内容
为解决如上所述的技术问题，本发明提供了一种新的4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法，通过重新设计4Cr5MoSiV1合金钢的激光立体成型工艺和与之相匹配的热处理工艺，制备同时具有高抗拉强度和高延伸率的4Cr5MoSiV1合金钢。
在第一方面中，本发明涉及一种4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法，包括如下步骤：
(1)对4Cr5MoSiV1合金钢粉末进行预处理；
(2)对基板材料进行预处理；
(3)采用激光立体成型工艺，制备4Cr5MoSiV1合金钢成型件；
(4)对第(3)步获得的4Cr5MoSiV1合金钢成型件进行热处理。
在优选的实施方式中，步骤(1)中，所述4Cr5MoSiV1合金钢粉末由如下质量百分比的组分组成：C：0.35wt％、V：1wt％、Cr：5.05wt％、Mn：0.32wt％、Mo：1.35wt％、Si：0.95wt％、余量为Fe。
在优选的实施方式中，步骤(1)中，将4Cr5MoSiV1合金钢粉末置于真空干燥箱中，在110℃下保温4小时，在真空干燥箱中冷却至室温，用以去除粉末中的水分。
在优选的实施方式中，步骤(2)中，基板材料选择经过轧制和退火处理的Q235合金钢板，使用200#砂纸对基板表面进行打磨，在基板表面露出金属光泽后使用无水乙醇清洗表面，待基板表面风干后备用。
在优选的实施方式中，步骤(3)中，采用同步送粉的方法逐层熔化沉积4Cr5MoSiV1合金钢粉末；送粉装置为两路、四路、六路、八路或者环形；激光器选自半导体激光器、光纤激光器、CO2激光器和Nd:YAG激光器。
在更优选的实施方式中，采用YSL-4000光纤激光器发射的激光将四路同轴送粉的4Cr5MoSiV1合金钢粉末熔化沉积于Q235合金钢基板上。
在优选的实施方式中，步骤(3)激光立体成型工艺的具体参数设定如下：激光功率2500w、入射能量125J/mm2、搭接率50％，送粉速率11.6g/min，扫描速度5mm/s，相邻沉积层的Z轴提升量为1mm，激光光斑直径4mm，采用高纯氩气作为送粉气体和保护气体，氩气纯度为99.999％，激光熔覆头采用往复式扫描路径。其中，激光入射能量的计算方法为：式中PL为激光功率(W)，V为扫描速度，dL激光光斑直径。
在优选的实施方式中，步骤(4)的热处理具体如下：在加热炉中，以8℃/min的升温速率从25℃升高至650℃，(该升温速率可使基板和沉积层的内部和外部温度场保持均匀分布的情况下逐渐升高温度)，在650℃下保温50min(在该加热温度和保温时间条件下可使得4Cr5MoSiV1合金钢发生一定程度的再结晶，同时避免了再结晶晶粒异常长大)，保温结束后关闭加热装置，使成型件在加热炉中冷却至450℃后取出(在该温度下从加热炉中取出成型件，是为了避免热处理过程中在成型件内部产生第一类回火脆性)，将取出的成型件放至空气中冷却至25℃左右。
在更优选的实施方式中，步骤(4)的热处理在马弗炉中进行，热处理过程中的氛围为空气。
在第二方面中，本发明涉及采用如上所述的方法获得的4Cr5MoSiV1合金钢，所述4Cr5MoSiV1合金钢抗拉强度大于1500MPa，屈服强度大于1300MPa；延伸率大于12％，更优选大于13％。
本发明通过优化激光立体成型工艺参数，制备了高拉伸强度的4Cr5MoSiV1合金钢成型件，再通过采用与所述激光立体成型工艺相匹配的热处理工艺使沉积态4Cr5MoSiV1合金钢释放残余应力，并在内部发生一定程度的再结晶，从而显著提高了4Cr5MoSiV1合金钢的延伸率。相比现有热处理工艺，本发明提出的激光成型4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法，可在保证成型件具有优良拉伸性能和延展性能的前提下，明显降低热处理过程中的加热温度和加热时间，进而实现短周期、低能耗以及高性能4Cr5MoSiV1合金钢的制备。
附图说明
图1为本发明方法中，热处理工艺的温度-时间曲线。
图2为本发明方法中，热处理工艺前后的沉积态4Cr5MoSiV1合金钢的电子背散射衍射(EBSD)结果。(a)为沉积态4Cr5MoSiV1合金钢；(b)为沉积+热处理态4Cr5MoSiV1合金钢。
图3为本发明方法中，拉伸试样件尺寸图。
图4为本发明方法中，热处理工艺前后，沉积态4Cr5MoSiV1合金钢工程应力应变曲线。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
实施例1：4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法
下文将结合附图，以实施例的方式说明本发明的4Cr5MoSiV1合金钢力学性能调控方法，包括步骤：
(1)对4Cr5MoSiV1合金钢粉末进行预处理。其中，4Cr5MoSiV1合金钢粉末由如下质量百分比的组分组成：C：0.35wt％、V：1wt％、Cr：5.05wt％、Mn：0.32wt％、Mo：1.35wt％、Si：0.95wt％、余量为Fe。将上述粉末置于真空干燥箱中，在110℃下保温4小时，随炉冷却至室温，用以去除粉末中的水分。
(2)对基板材料进行预处理。基板材料选择经轧制和退火处理的Q235合金钢板，具体尺寸为210mm×190mm×15mm。使用200#砂纸对基板表面进行打磨，在基板表面露出金属光泽后使用无水乙醇清洗表面，待基板表面风干后备用。
(3)使用激光立体成型工艺，制备4Cr5MoSiV1合金钢成型件。采用YSL-4000光纤激光器发射的激光将四路同轴送粉的4Cr5MoSiV1合金钢粉末熔化沉积于经由步骤(2)处理的Q235合金钢基板上，具体工艺参数设定为：激光功率2500w、入射能量125J/mm2、搭接率50％，送粉速率11.6g/min，扫描速度5mm/s，相邻沉积层的Z轴提升量为1mm，激光光斑直径4mm，采用高纯氩气作为送粉气体和保护气体，氩气纯度为99.999％，激光熔覆头采用往复式扫描路径。激光立体成型4Cr5MoSiV1合金钢尺寸为72mm×28mm×10mm，数量为2个，其中一个成型件用于热处理。
(4)在马弗炉中，以8℃/min的升温速率从25℃升高至650℃，在650℃下保温50min，保温结束后关闭加热装置，使成型件在马弗炉中冷却至450℃后取出，将取出的成型件放至空气中冷却至25℃左右。
实施例2：显微组织分析
将沉积态4Cr5MoSiV1合金钢和沉积+热处理态4Cr5MoSiV1合金钢细磨至表面无划痕后，进行电解抛光。电解抛光的电解液成分为8％高氯酸，80％乙醇和12％水的混合溶液，以便可以使用电子背散射衍射(EBSD)来研究成型件的晶粒结构。如图2(a)所示，沉积态4Cr5MoSiV1合金钢的晶粒形貌为多片状马氏体。如图2(b)所示，经过热处理后，热处理态4Cr5MoSiV1合金钢内部出现了很多等轴状晶粒，同时片状马氏体形貌特征显著减弱，而等轴细小晶粒增多有利于提高沉积态4Cr5MoSiV1合金钢的延展性。
实施例3：室温拉伸性能分析
成型件的测试拉伸性能通过AG-X100kN测试机，测试过程中的拉伸速率参照GB/T228.1-2010。这些拉伸试样的尺寸(参照ISO 6892-1：2016)如图3所示。成型件的拉伸曲线如图4所示，沉积态4Cr5MoSiV1合金钢的抗拉强度为1981±30MPa，屈服强度为1358±14MPa，延伸率为8±0.7％。沉积+热处理态4Cr5MoSiV1合金钢的抗拉强度为1575±38MPa，屈服强度为1349±25MPa，延伸率为13±0.9％。由此可见，本发明设计的简化热处理工艺可以在实现高拉伸强度的情况下，显著提高沉积态4Cr5MoSiV1合金钢的延伸率，从而实现沉积态4Cr5MoSiV1合金钢的力学性能调控。
虽然本发明已经以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
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