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。

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*

* J( \/ }8 B5 }( k, H4 R% b. x* c6 ?$ n3 _. M, C0 K7 K. z3 n. K4 _8 r2 x; E" H& G) Z' N$ _8 C, ]3 ?& y+ a1 V$ [$ h# S8 B6 t2 {5 h& \! C+ p7 ~2 ~, [1 b# s% p. x1 i/ R8 N% N# @ E4 J$ D% p' k( [! Q5 N w% t) [3 ^* S

淬火温度（±5)	910	4 Z4 J. j( c1 Q 930	960	) G! R0 B% g3 Y. i4 ]' p& I* h 990	8 {& @: G+ T. @9 W 1020	1050	4 Y$ d; }9 h x1 V 1080
晶粒度（级）	4 p0 @! a1 e! R0 O 11.0～11.5	; o9 \. z5 M& }* w9 L. J; Y5 N 10.0～10.5	) H9 l1 v/ X) J# S/ ~9 R) n" H 8.5～9.0	! Z% l' Z+ |9 t& ^' A* J/ a 8.0～8.5	6.0～6.5	& @# G7 r1 V1 w+ l/ v' m 4.0～4.5	, q# X9 v# T# T! B y( r8 b 4.0

, `/ [3 f1 L% e, P2 Y( U6 }& K

*一组三件试样平均值. 

表2　　 淬火温度与硬度关系*

6 K2 t/ E; I. _4 i1 q- t& u6 g0 b B% F6 X( R1 ]* A: b! A2 v: z* a+ F3 C5 m8 C, m) @) s3 }0 u8 i# _9 Z7 K/ B$ }$ Z4 }' Y1 F0 n) G* A: w" U6 f

淬火温度（±5)	7 t( ~( g1 [; @1 C 850	900	950	/ Q Z: D$ i) ~5 M7 n 1000	1050	1100
硬度（HRC）	51～52	0 X9 ^) y7 I: l/ K9 j" C2 |$ w 53～54	( r2 J; F: E5 `) S 55～56	3 {' A( t# Z& ]% B) W& f$ J 58～59	55～56	- B9 K5 H- ]1 ~ 52～53

*一组三件硬度试样平均值 

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

) S2 v4 H7 K! J6 i1 w4 n0 ]+ _* u! F; v) W$ y/ p, h8 z0 T7 L5 W& x: I( u' S& y9 v% r7 Z2 h# [; Q# Z% U3 v: p, D- ^* ]0 ~6 M) I$ ^2 D7 ?" c+ D2 X. Z, p) r0 q; b2 `* r4 h* S' O- A* C5 a$ U6 y j& ]% x6 A! d& Y+ z! w3 c6 m* [2 V7 L- E8 E/ B; I: d) e6 D" J& T& n; t y5 [ A9 r- S0 F1 }5 o* W7 ~" E+ }# A8 T, v8 E7 I8 X9 w, h# ^2 j' I! n- C8 }+ q& X1 j* a/ Z/ {$ p B% V9 b" n+ t. w& g' ]1 t# v, R( K0 X7 y b# v+ J& v& g6 f' y0 P9 ]" l3 k2 l% R2 C# F5 |4 s0 v; n u J5 _, q2 ?8 a& @7 ?! U) z, Y* X3 I" r. b& }9 `- l' ]( U4 B0 d; o: [" |. b+ n* x: x2 q" O" t( ^) u2 X8 ?: W4 b% a

淬火温度（±10℃)	; R! m2 j5 U# I: l( x! A 力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	σb/MPa	' ]/ W7 k. J6 @* S) J δs(%)	ak(J/cm2)	: O! ?2 x- r3 U0 K' Z& X HRC
350	4 Q0 G* E- F: U. J 1321～1334	1452～1518	4.5～5.6	, g9 @( Z& q8 \+ h; `! w 31～33	46～49
450	1406～1412	1513～1526	- k7 K. e, L$ O( H, I$ v4 i 6.5～7.3	- o( H- Q/ P, d" c# E 36～41	1 e# W# R: g4 l2 W+ v 44～47
1 P# s3 a! r7 m. y/ A3 _1 H 550	) m: r9 \6 _% H, k q8 U 1435～1442	, w& D# G+ g/ V7 K$ }4 [# g# o 1597～1609	4 U3 i" \1 K, K5 Y4 n G 9.0～9.5	$ ]+ W$ \# H! m3 C 44～46	2 s: Q9 _* `+ Y7 V- j 43～45
650	; I: U+ E4 Q* h# w* S1 P( R 1209～1215	1318～1327	/ M2 Z! s: |6 B% W9 u 10.5～11.0	5 H5 B% |' A$ m. E: K; @4 u 75～81	38～41

1 z# A/ \) X6 {

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

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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：

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。

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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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