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。 ( [2 j2 W) k( x+ ^

9 n' \; N7 M: l2 _0 k

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*

3 h( q) h. Z9 ^8 `; n3 E: X- }+ D/ h9 J. d) y1 e: V- `" r. d0 h. d3 n, K4 l/ n a. q. k# p( Q; H$ D0 {8 f% D+ H; I4 c" z, S6 o2 ^* A; A. n/ w+ P9 y3 ~* s# c$ u4 @# ]2 \' P- s4 i$ j, u/ a8 E2 P, x; j; s! i8 f# o; R( L3 {" V$ I% a* A

, z- l' n2 t& l2 M# P 淬火温度（±5)	910	930	5 {$ ?6 R1 m* F; g, w- M% W 960	7 c4 `8 M$ a3 I 990	4 n' j+ @# E7 b5 l9 g" B! ^6 t 1020	& T3 s% I7 a, @% n 1050	* A* J6 |; }, O4 b! d5 M 1080
晶粒度（级）	11.0～11.5	9 E' J& C$ E. @* q 10.0～10.5	8.5～9.0	( u _4 r4 ~! Y1 _/ D% k; ? 8.0～8.5	1 G, Y9 \. U$ b$ L8 h* t5 S5 E0 P 6.0～6.5	9 o) l: O8 {" N. ` 4.0～4.5	4.0

+ B% B$ Z |: v, p

*一组三件试样平均值. 

表2　　 淬火温度与硬度关系*

+ x6 [- i, R5 L( L' D) Z. A* n* m$ z. h4 O- S$ G% h1 N3 g( R: ?1 F2 C) c# P* X1 }3 G, Z9 S! Y) M. P( H/ [0 v* ~ F: ~+ A/ s# Q! t0 `) Q* B' `. ?0 |' v. g% p% N3 A, x/ q2 r* O& f* Z3 @ N* n/ r& K6 J( A

. ]) ?$ r7 A7 P. x 淬火温度（±5)	850	900	1 n+ l& X; \% e4 t C 950	1000	1050	1100
硬度（HRC）	2 ?" x* h; n/ j, F: W: \ Z1 h 51～52	53～54	8 F; h0 O% {: \) m9 f, M7 M2 e 55～56	58～59	55～56	52～53

*一组三件硬度试样平均值 

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

" D6 l9 S, f3 t& h0 L$ b; S8 c' S% p& c0 D' d! Y3 k/ M. ^& Z- I* O* i4 C4 w" T' ^5 G9 ~ I6 S, S4 t3 t2 R: r* I/ j$ D8 a7 ^* Y3 v D1 P* O3 m2 y4 ^! J: L- K, D/ _: |* K; w$ N, M: q' O7 U+ v4 g0 I% o1 d2 a; |$ G. E$ g% S; ?9 `4 {3 _/ }. ?# G( |/ h& W/ k2 K/ Q6 C8 J5 O! a, p6 ~* T& f, X |* B. S6 L; v4 | z7 h9 c- V0 L( \' K. f' }, \) p% f' M: W7 V9 p# @$ B* i6 K" y8 C1 d2 M d0 m+ j3 f4 d( R. M$ j8 f- l% A2 {! `9 X/ R$ \& b" {# |, ?* H$ R- f! O# I# M6 C6 v' e3 t1 Y* Y4 G' f) ?* t: t; i/ ^3 F- I, ~% o8 g w' Q* g1 x# c% [, L- ~4 _3 `3 ]8 l7 \% D& ~/ X7 b3 w8 K _3 w! p2 A7 @/ k. {, |3 }, r9 ^ M. N7 t5 O' k! R: _1 t) P( d. D' {+ ~ V l, Y6 L ~, l3 a/ [' W- O, A4 ?

1 L+ k) d2 t" j) r( k 淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	% L% ?! F9 \& ~ σ0.2/MPa	σb/MPa	+ I5 \. [# X! j; S+ e j δs(%)	5 T, w4 ^# @0 M- d' d8 o ak(J/cm2)	* F o, r' ~' f% R8 v HRC
$ w+ |# _& }3 {, [ 350	1321～1334	9 i+ @$ B: U* M! p/ Z3 _ 1452～1518	# t5 w M+ t, X( ~" S 4.5～5.6	31～33	46～49
450	1406～1412	8 b3 |# o5 f/ i ]* y: c 1513～1526	6.5～7.3	o1 C5 ?5 i( z0 W B, b2 u. W 36～41	b! d3 q6 J5 Y2 g+ Z 44～47
- s& S/ d$ c S' G6 ? 550	4 H t- c3 }7 _+ b" T/ K' ? 1435～1442	' M- D; Q0 r% e5 _ 1597～1609	9.0～9.5	" }8 h0 ?. @. w5 q3 Y1 e 44～46	: n, a* a1 s6 K, v 43～45
650	3 S6 `* }& G1 y) K, t$ N 1209～1215	9 h' A5 d& K. X) b 1318～1327	10.5～11.0	75～81	38～41

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*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。

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（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：

* P! k8 n) `6 C! R. z- D

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。

4 g/ ~9 `' s$ Y4 u% C' }

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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