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。

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。

5 A D" b2 B/ G

1 复合强化处理工艺性能试验

+ Q, a6 y2 |$ o$ t& m

表1 淬火温度与晶粒度关系*

: X' T- e( P1 c/ G2 m; h; }' L# `9 Z$ E0 n: W- I. w5 A: o& ^1 P) Y) a y! W" F- t" h/ D% Z) R1 m) b5 B: T- I/ Y: u# m- J& x8 m9 H5 j8 A) g7 X) t) b& g Q" W1 ?" }8 a/ m& a& z; c" }# j( W# [8 \. D2 b) R+ _2 z, t3 Q" h4 M3 S" T3 q# W# b5 f* h) h9 [$ \9 k; p" w# R1 J

淬火温度（±5)	- T* h5 Y5 \# o: P( H+ }0 M 910	930	960	990	$ Y( b) }3 E+ Q* W 1020	% u, }+ t8 i( ?( B } 1050	1080
, t5 [4 X7 ~+ f) L# H- \" n 晶粒度（级）	) A$ T1 {& b% d0 Z; } 11.0～11.5	10.0～10.5	8.5～9.0	h% s* ~+ G. s. F4 l6 ~ 8.0～8.5	* r% S% F7 k. ^9 B6 h0 x$ F 6.0～6.5	4.0～4.5	( d4 B! x) i4 d 4.0

*一组三件试样平均值. 

P1 o! E' v% x# [

表2　　 淬火温度与硬度关系*

6 P$ s3 \5 I) C: o$ I8 W' \" l4 w( l" Y2 h% z7 Q7 U: V# o0 I/ w8 z" C! B z J( N3 L0 i% G- o+ {: `! i. M& J- Y7 t# ~3 ^! @5 Y1 c: Z9 M! P( a* D9 \- G& O4 \) @5 o' k

" s. l4 [1 D, ` ]3 T" p5 F. \3 f 淬火温度（±5)	850	900	950	1000	9 |& w3 S. W& P 1050	1100
0 B0 o# b% e4 ` 硬度（HRC）	2 V/ X/ h: P8 W5 E 51～52	: k/ @" K6 `" Q: H 53～54	55～56	58～59	, x4 ~- ]' P+ m3 @ 55～56	# n+ ^$ W- K( C {9 U% W v 52～53

*一组三件硬度试样平均值 

: F+ W& @( f; C3 Q3 v

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

+ ~; `4 e2 L' I9 i" Q+ H8 S! b/ C/ Q3 k4 U6 e9 o8 N. L% | t- |4 ~2 V" o( ^9 y+ x% W4 }0 V: ~* O; G9 N, h9 T. U5 K: C4 W4 r' w0 j1 a+ K& v, H7 F0 v' |0 e1 q. e: J9 |' P/ V4 O+ Y6 q/ q+ o# L2 K' y3 _& [' u- M B, I4 [) c; t" H+ u, \2 j# y, ^- c3 _7 `' n2 H/ l% X- a9 b# y4 C. Q: |9 V5 \ Z% v9 |( q9 k N- X X$ N2 k; y* _! c3 E" ]1 M: I8 D R" U; l9 \8 V" r; n) G) U8 `0 k. ~9 W4 @2 ~! j( q5 D3 T! t/ U- R4 Y! s$ T+ P5 ~5 F$ I& D5 K: T- o1 E; c6 {/ p, s- p& Y5 G9 a: P0 U5 W/ g( b, E* J+ Y8 e7 x1 y

6 e6 ~: N& ]. ? u 淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	4 O* P8 ?4 ~7 n7 ?0 K9 I3 } σ0.2/MPa	σb/MPa	δs(%)	1 s% \' \8 \* T# A5 r ak(J/cm2)	3 c5 S9 ^) @" L! I' n HRC
0 o6 t. T' a$ P 350	A4 x1 {7 R/ U. q/ p 1321～1334	1452～1518	4 ~& I2 T$ ^% I: g2 M5 [$ F 4.5～5.6	+ G5 k3 Y- |. l% a: k! Y& a3 s 31～33	46～49
450	1406～1412	1513～1526	6.5～7.3	36～41	5 Q2 n5 S* x \+ b 44～47
- @# _8 ^) ^# l% j 550	2 r3 I! V0 c1 h, A# c 1435～1442	1597～1609	( D1 w, k- ?+ S) E 9.0～9.5	: L [5 v- H' E, F+ @ 44～46	43～45
650	! E4 V8 c4 b. L; ^ 1209～1215	1 C" p3 k) n, {' g8 u 1318～1327	10.5～11.0	! b" o* o: \* [; S& |6 J' @ 75～81	7 [1 ~: X/ }$ |6 W5 b 38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

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。

9 S+ W$ b! R- s- ]

（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：

9 b$ H: `$ A. G2 h, E) |

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。

# A* k2 F% F J5 j

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。

- * c& M2 `( H$ C# W9 V" N% K9 \! y