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。 7 H5 Q' g" i$ k" x, o

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。

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1 复合强化处理工艺性能试验

表1 淬火温度与晶粒度关系*

& L2 ?5 e2 T/ A* G$ s9 }8 H/ a# B2 C# x5 {# P: {! ]3 Z% K) [1 s7 S( ] \0 i' a- k" u$ r: B \0 h$ O6 P g1 e, H8 j9 J5 ?$ I" J, x2 ?* D" Z- t! F+ p. N2 y. J* U4 @8 F1 a' T0 @( n# m, J

# A) j3 F, Z/ B* J; f% {6 [ 淬火温度（±5)	910	930	9 b9 A. y+ Z9 Z3 k# S 960	& }$ Y$ z. a5 @9 W% D/ ]$ d4 J$ J u 990	1020	1050	. G: E; P# n( q4 \) I- N 1080
, b/ j3 q. o4 t: _7 n( m# n9 C1 T 晶粒度（级）	. j9 x4 n5 Z+ v, ?! p* ]) ~ 11.0～11.5	10.0～10.5	* p0 S6 M3 Q& x 8.5～9.0	8.0～8.5	6.0～6.5	) F$ ]3 L9 \! `/ h1 ]8 l [ 4.0～4.5	6 u3 ^& \/ {6 r: g 4.0

*一组三件试样平均值. 

表2　　 淬火温度与硬度关系*

/ P8 U. a! N u" B$ n. n: U- ^ w7 h* m# T( a2 F! w# S s7 Y7 k: B( z: j7 a* |! E& \! p3 g/ P7 C m0 J4 o, A9 l6 _2 s6 ? E, M0 P! Y# O# g1 B, M5 E! V w) q0 D" l- ?; r9 i2 k/ L! R, q' o. v+ N* ]9 |& R1 g% n, q$ M# ~: W

淬火温度（±5)	850	K* g- r+ H9 @0 I( I# G 900	; ^/ e0 [/ _' b0 E- F/ R/ P4 L 950	1000	. B( D3 S6 N. [8 O; F( T* ^" P: z 1050	1100
硬度（HRC）	51～52	53～54	* b0 h+ p6 ]4 N* M5 a2 e D 55～56	58～59	4 e$ P Z9 e' X6 { 55～56	52～53

1 n" Q5 B" G) g7 R

*一组三件硬度试样平均值 

/ B2 s" h, [' U4 _8 Q3 u

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

" K9 I, z' h. J& f) K# W, t I9 m( n4 n/ c: b9 Q/ R7 [, {/ k$ ?8 m4 I/ f' c( R! F( A$ L V2 q9 F: M, G2 V) m2 D$ x3 j3 J0 Y0 \# |+ D G& g9 N) D: O7 Z0 h2 @+ S5 z' Z. w, C2 H# |9 Z+ ^6 Q8 m$ r6 n' J2 |: k8 `! ~$ [( i( o5 @( l/ a! U1 X' s8 c% B2 ], k. \) N1 c" X* C4 W6 }' T( |' Q- u2 w; R; ^0 Y: |( {4 E$ ^' K7 @) {# {' D) e _. c* x8 L8 r0 |" s3 @. N: G$ I+ t6 _8 K+ M2 Q6 Y6 ~0 p& Y# T. j6 s2 f; m" M

淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	2 s$ u/ j* Y! G9 s- ?& p σ0.2/MPa	$ A V) U0 S" L1 X σb/MPa	δs(%)	" p7 C b( p& ]* j/ Z" n ak(J/cm2)	HRC
350	1321～1334	2 ]2 T* U. z3 N3 e. X 1452～1518	3 X6 k9 r2 W/ \$ F 4.5～5.6	! \' A# a5 e4 C# Z, | 31～33	46～49
450	1406～1412	/ K, b% j. ]0 u/ s% _, X 1513～1526	6.5～7.3	36～41	' T. Y5 ^- a0 X' U. U 44～47
550	1435～1442	, N. l* S, g( I1 d 1597～1609	) y, G* w% R0 f0 ^7 E 9.0～9.5	. K$ a* Q; ~# O- t3 F& P! x5 k" i 44～46	43～45
650	1209～1215	* S/ I6 _+ P7 @# y& n 1318～1327	9 { l, c e! e, n" X 10.5～11.0	75～81	38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

* H: j- Y6 [0 @' S. v

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。

（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：

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。

6 ?# M5 H- M( x2 {, t( u. \9 b

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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