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。

- _* _" P% K. o$ [7 J# Y5 N

1 复合强化处理工艺性能试验

: m+ {9 L6 H, T6 {, s

表1 淬火温度与晶粒度关系*

z4 G9 t0 o" y& ]0 {- \2 [9 U8 v; E. R3 c( d- j' N! J B1 b1 H) P& i% q" c' ^) \( p9 B, ~. @/ D; |" ~" w! r/ J a1 i) p! S" T! f( [- D8 m; B& I/ X; M% n0 e4 e1 H. s+ R5 y2 h1 L4 B" \- ]' O, T$ ?2 ?. K& g* L+ S2 ] ]) f) X7 p5 B0 r2 T9 n& |7 |) E {) M' M1 \$ x! [# A. ]3 f, k) K8 A2 Q( v

淬火温度（±5)	$ }4 x: L, R( V3 v 910	930	960	990	: m; w/ v. R2 j% ] 1020	1050	) }8 R6 K9 i. [5 o( M 1080
# R, A) D9 u$ g" } j/ {! F 晶粒度（级）	( m+ f+ T% t8 H; G" F( G 11.0～11.5	10.0～10.5	% F. w' ?1 L; i# _& W7 d; ~1 v 8.5～9.0	3 O H& Y% f/ c 8.0～8.5	6.0～6.5	4.0～4.5	/ F' B `3 O# s* P 4.0

4 o. }* d& K, H% p8 ^/ d

*一组三件试样平均值. 

表2　　 淬火温度与硬度关系*

- f: B2 H3 E4 |( x6 Q$ x' O& A: m9 J' I6 O- J P. R) P9 s' B6 U% M# t1 w: `- h" h, T: a# ?+ B7 N$ q/ R7 B3 ~: f' ]7 \5 d1 u8 z1 U7 G1 ^7 T& t \1 @9 x; t* K6 B: c. o2 X) g. Q8 j/ x

淬火温度（±5)	) Y- M) d, U+ y! r; H9 k o ~- B 850	900	950	1000	1050	: H" W7 C8 `6 g 1100
硬度（HRC）	51～52	53～54	55～56	% f X3 k, Y( U3 J5 D( w 58～59	, ?5 u6 p% [4 G' V+ o 55～56	52～53

*一组三件硬度试样平均值 

3 P1 r( A% L- y& i. d

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

- d$ c8 F4 }) \' U! D3 t$ o0 M' k, \5 q) s4 A# h! `1 k9 ]% v$ A; F3 F+ z' K9 Q9 b1 t# y7 e) C( W, ~# T% C# F" K, H5 }- q: b1 y6 o9 r. Y6 w V6 m! z6 d( V% Q1 O0 B+ A Z# j/ y3 d0 l; } U/ q- G# _8 I8 \/ {% @7 ~2 t8 B1 i. ?: p+ D- w5 Y2 l5 g: b* E. n4 D; V, B. z8 {3 @2 H! K a* a s, o( {7 r9 J8 b6 i: I) G8 [* }1 f3 B+ b0 Z+ C$ k; g7 s2 K* ]' { |, E4 J7 r$ p1 q# g4 n0 f, f7 g( x1 w/ b* @* t. v! B! w$ F% ^3 N' J% h; p0 S0 e2 a" i3 M+ E4 s7 L( x+ V2 Z3 y$ y2 U, n' B4 }& X* \5 {/ M M: W1 M9 ~/ k' @3 u% X$ w, u$ z O; B" w' b9 N- T! o7 x$ `; H8 y* k: Y- B/ m) H+ F' z9 t7 e G$ s: s7 S; W$ X- J" F0 T8 c( \* g' Q2 @% F3 |3 n* [; M2 m0 _. K9 v( p( J6 h! @" u

" A* e- e" a; t8 Y" q1 D 淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	- _# d" |; u- q3 b( e σb/MPa	' Y6 ^2 M; @- z5 K δs(%)	ak(J/cm2)	* W# W- n- E, A HRC
9 r' ~) q4 w# s; }# F 350	1321～1334	r3 U2 `' m* s, r7 }3 u$ M6 H5 l 1452～1518	, A8 a, [9 P6 `) e0 t& ^7 N 4.5～5.6	31～33	46～49
450	1406～1412	1513～1526	0 O U( t5 w' W5 e1 s: f) X% ^) | 6.5～7.3	/ R5 J5 n m2 \( {" Z1 `( r 36～41	44～47
* e, ?$ ?1 ]& b& S 550	8 Y, S$ b. r* K& I: D 1435～1442	1597～1609	9.0～9.5	44～46	; ^/ e$ i" z* f Y9 a 43～45
8 R% V7 L( W. a* T 650	1209～1215	6 o9 O. ~! A+ E; d: v" h* E1 w- T6 B 1318～1327	4 u9 R% J4 U' r6 y! ~) D5 Q! s 10.5～11.0	75～81	2 E8 l$ j) g" Z, _0 p. h 38～41

: p- I; O: D$ H+ V9 s7 E3 O0 T

*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。

" E$ B/ i. b* j9 @

（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。

# Z7 O: h |) H5 I! C( E* z1 F: ?

（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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