尖咀钳热锻模复合强化处理

HEATS

尖咀钳热锻模外形尽寸150mm×95mm×110mm原用5CrMnMo钢制造，经常规热处理使用寿命仅0.4~0.5万件。主要失效形成：早期脆断---裂纹源发生在型腔应力集中底角；热疲劳裂纹产生在激冷激热最剧烈的型腔凸台边缘部位。其次为型腔软塌、塑性变形及磨损等早期失效。试验表明，选用4Cr2NiMoV钢新型热作模具电渣钢经改锻后进行复合强化热处理，其使用寿命4~5万件，提高9~10倍，有显著技术经济效益。 ) `- D4 H8 t0 y+ M9 B

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4Cr2NiMo电渣钢的锻造。电渣钢具有纯洁度高，杂质少，化学成分与组织均匀，晶粒细等向性能与锻造性能好等特点。首先将电渣钢锭开坯轧制成ф80~ф100mm圆钢，下料取锻造比≤2~3。锻造不仅获得所需锻坯形状尺寸，更主要的是改善组织性能，尤其细化心部组织，因模具型腔正处于心部，促使材料纵向力学性能与横向性能基本一致。采用轻----重----轻锻造法。坯料低温入炉，二级预热，一级预热550~650℃，保温1.5~2.0h,二级预热温度850~900℃，保温2min/mm，预热保温后逐渐向高温区递进，缓慢升温与至1120~1150℃，保温1.0~1.5min/mm.锻坯加热过程应均匀、充分透烧、勤翻动、勤掉头，严防出现表熟里生、里熟表生、阴阳面、两头黑中间白等夹生加热缺陷。始锻温度1070~1100℃，轻锤慢打，小锻造比，少变形量，镦粗、拔长、锻六万、滚圆为主，避免重击、连击，防因组织过热而锻裂。中间温度1000~1070℃是锻造最佳时机，锻坯塑性好，不易过热，应加大锻造比，加大变形量，可重击、连击，尽量锻透，改善内部组织。接近终锻温度900~1000℃，因温度低，塑性差，锻造变形拉力大，应轻锤慢打，小锻造比，少变形量，防锻裂。经四镦四拔双十字形变向-锻造，最后使锻造纤维组织围绕型腔分布，达到优质锻坯技术条件。锻坯缓冷后进行球化退火，锻坯在电炉加热，低温入炉，随炉升温至810~820℃，保温3~4h,保温后随炉冷至≤400℃以下出炉空冷，获得球状珠光体组织，硬度HB160~180，既是最终淬火的理想预处理组织，又有良好冷切削加工性能。

1 复合强化处理工艺性能试验

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表1 淬火温度与晶粒度关系*

7 H) L! c6 E, b) y) v; E8 g) K: W8 q i4 X T+ L8 W3 ]: j" L, P3 E) z. K- b" I. k* G1 L% R4 t! F8 Z( J( I5 u& b6 ^' f! j+ D+ S$ j+ U4 Q. T" D/ C* i. E. ^; W

3 v3 |' n. p! a; Y 淬火温度（±5)	910	930	960	990	+ h; G* v9 L3 v! D 1020	1050	! G( n7 v7 E, V' s0 G5 D 1080
6 h% D0 g3 f$ k4 D9 O5 X 晶粒度（级）	11.0～11.5	, v/ p: S' h8 y; C; B 10.0～10.5	7 F$ S& i& s; s& |4 v: k& O 8.5～9.0	8.0～8.5	6.0～6.5	4.0～4.5	4.0

*一组三件试样平均值. 

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表2　　 淬火温度与硬度关系*

+ _1 U' }9 j: ~" K* {9 u6 ]( J) S5 V. P3 J! U' R5 {) T# w+ I$ Q/ a0 F* D& X% ]" }- l0 l( x% m7 O/ Q+ G/ p |, B7 s' O* C t! L% o( O- S& l. K& p6 E$ I* v8 b5 z" y) k5 z P" s, i% V8 M# [& d8 b4 r# b* I* P1 n; S) L( W9 d+ u7 M1 `+ m5 I8 h6 l# I5 P3 V) k, V t6 g# Q. U; w! s5 _5 J1 u! T0 {

淬火温度（±5)	0 p) p1 f2 m$ _0 R7 |1 \ 850	+ S: j' V% H3 h5 y0 O 900	3 \, L9 O8 I6 A) E. s, x$ M2 ~ 950	1000	1050	1100
硬度（HRC）	51～52	53～54	5 U! W* }+ U8 o7 u x 55～56	+ [8 z, H, Z c* M; b2 @; \9 W O 58～59	' d! k& C; @! m1 u 55～56	52～53

! z" b" z" F3 X/ h

*一组三件硬度试样平均值 

* N$ U0 z+ U6 ^* f% c

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

# x/ g# g$ w: i2 h6 Q# y+ q; e% y) p2 t. ?' e2 t3 G" C9 S# h0 M! O6 d2 X7 P" C8 h3 l( h9 D4 W0 V) i' I4 K0 Y' ]5 s, H z7 N: x2 Q6 ^$ t2 Y! f- d; |2 h. q' ]3 w/ ^0 a0 I2 O" X) S+ @4 M: j: W1 q4 N9 S) v1 T9 m1 C8 Y: b. Y) v# [% O! }5 ^& h# ~) t0 H! m+ S0 _$ ^0 _" F0 ~4 D; G& A1 [8 G/ f N, L5 g* D! [7 ` b! U! i6 L1 H. [ ^. @1 `) x2 `8 F' h* n5 n1 T% g5 z+ J* s% n. S( t/ i0 b* ^8 W% ~, b9 M9 P7 \$ {0 Z* ^8 J |% R% a0 |4 Q$ y$ D0 u9 S; i; {% Z+ @' h

# ~ b2 x5 {: ]8 L9 N 淬火温度（±10℃)	- n, G/ S+ K/ \) P. S) i' [ 力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	- L- i' ^' H5 @( O5 @ σb/MPa	δs(%)	: R0 o% ]: j6 N$ ]- F$ x8 Y ak(J/cm2)	# m' L+ F. u0 H8 R) ]' ~% M4 {& N6 y HRC
350	1321～1334	1 g" \7 Z0 r5 \7 k7 E 1452～1518	% p+ w0 R% n- O+ o" k1 B 4.5～5.6	31～33	" U t% p! o' l- e u) u! o! Z' w 46～49
+ H9 ?: F- G9 }& x5 z8 q 450	0 E; p: A& T0 V$ z/ y; X 1406～1412	1513～1526	B9 J( u" `- ]( e& O 6.5～7.3	, b( k& D( [" V- c2 L4 x0 g, [9 K 36～41	: Z/ V; O: a( Z* j2 `) X: b 44～47
550	1435～1442	1597～1609	9.0～9.5	6 W! U4 G: p' N( \: S- y* {+ F 44～46	' i. v) `5 b' q& U, ? 43～45
650	1209～1215	% ?5 w# A- g$ K( v+ | 1318～1327	+ h( I2 L2 z2 P. q 10.5～11.0	75～81	38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

5 _2 [, I" W0 ]- H

2 复合强化热处理工艺

3 新工艺分析
（Ⅰ）马氏体/下贝氏体强韧化处理 上述试验表明，选用950～960℃淬火加热温度能使合金碳化物和合金元素较充分溶入奥氏体中，使奥氏体充分合金化，保持9.0～9.5级较细奥氏体晶粒。淬火加热是在经充分脱氧的50%BaCl2+50%NaCl中性盐浴炉中进行。加热保温后油冷1～2min后转入50%NaNO3+50%KNO3双硝盐浴等温60～90min,获得隐晶马氏体+20%下贝氏体双相组织，下贝氏体有较高强度与韧性配合。

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（Ⅱ）多次高温回火 热锻模淬火后在620～640OC×1.0～1.5h×2次高温回火，获得所需基体组织与性能。在高温回火冷却过程中析出弥散细小Cr7C3、MoC、V4C3和VC产生沉淀强化，发生二次硬化作用，有较高强韧性、耐磨性。淬火后及时回火，消除淬火应力，防止应力扩展；较长时间回火，提高抗断裂韧性；多次高温回火，促使淬火残余奥氏体充分转变，稳定组织，稳定尺寸；合理选择回火温度，得到所需组织与性能、高强韧性基体，基体硬度HRC39～41。

（Ⅲ）S-O-C-N-B 五元共渗透 五元共渗可大幅度提高模具表面渗层硬度、耐磨性、红硬性、抗疲劳、抗粘结、抗咬合、抗腐蚀、抗擦伤和抗剥落等性能。共渗温度580～590OC×3～4h,同时起到第三次回火作用。五元共渗在滴注式气体密封井式炉中进生，炉压控制在13.42～14.40PaH2O柱。共渗剂配方：100mlHCONH2+1400mlH2O+500g(NH2)CO+15gH3BO3+108(NH2)CS。共渗温度下，各渗剂主要化学反应式：

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4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
（NH2）CO→CO+2H2+2[N]，
2CO→CO2+[C]；
2H3BO3→B2O3+3H2O，
B2O3→3[C]+2[B]+3[O]；
（NH2）CS→2[N]+[S]+[C]+2H2；
H2O→[O]+H2。

上式化学反应产生的活性[S]、[O]、[C]、[N]、[B]原子被金属表面吸收并向金属内部扩散，形成五元共渗层组织。最表层由FeS、Fe3O4、Fe3BO4组成，厚约1～3μm,质软，起固体润滑剂作用，降低摩擦系数；次表层主要由Fe3N和ε相组成，厚约4～6μm,锒嵌着高硬度弥散C、N化合物，硬度Hv1120～1160,具有高耐磨性；再往内为扩散层，厚约0.45～0.55mm,分布着大量C、N、B合金化合物弥散颗粒和N化合物等弥散强化相和含C、N马氏体硬化层，硬度较高Hv950～1100，耐磨性好，磨损抗力强。化合物层、扩散层与基体结合牢固，抗剥落性强，表硬内刚，赋予尖咀钳热模高寿命。推广应用新型4Cr2NiMoV电渣钢复合强化处理新技术，有显著技术经济效益。

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