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尖咀钳热锻模复合强化处理

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发表于 2010-9-12 14:28:36 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。 % j& ~- M3 @+ o" S- g
) [$ {5 c, a) r4 v
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。
# M) V1 V7 G+ J. i y
1 复合强化处理工艺性能试验
" }1 \+ {* a* K; o7 g( J/ ]
表1 淬火温度与晶粒度关系*
2 \# k) Z: ]0 I+ Y$ ? : o6 _; A, K4 s: t8 A; ?$ ?" _2 O; |. a8 U& m8 O; i/ S7 n2 c0 ?, S+ O$ f3 |' h6 `4 W3 b- T& A- \, Z1 W7 _: j8 J' l$ V& S S: ~: e# k" D) e8 v/ ]9 T% t+ ~' p" Q% y9 D: Z8 ~. n0 _+ k# F$ D! ~4 \2 X( [; m0 H" [7 {0 n* m" Y) |% Y' ~" v! |' s( {; k4 E1 W/ x" N, [1 f0 Q% B2 }# |8 [. `/ G, v: w( }1 H4 m* t( J R5 {2 y& t! k% M* M) m! B/ N- J) [( [7 X! d% g R$ d; |0 \5 @; @) F9 m3 O& T' O. W' k+ Z/ ^+ g2 K& c" D. L# n6 f+ w: c( N- X; V: o/ I& g4 }: F( P8 f: r) U, j
' {; Z/ v7 ]9 X
淬火温度(±5)
- s+ x+ I4 N8 [* E; q( N. ?7 ?
910
4 [: _) B/ L: Y" o
930
. W- s) t& I0 E# `+ ^
960
; d# O" c/ B) P
990
& T* s7 o0 ~) H$ N, ~% o
1020
. U9 m+ E# `: p9 V7 }8 w4 H
1050
" b9 v$ t: U5 R
1080
/ U+ Z* J) A- B! r
晶粒度(级)
% Y! O$ [# Z: ^& L6 D5 w( N
11.0~11.5
. H1 p4 I8 I _; K* ~
10.0~10.5
' m) S$ w9 H# ~* y0 ?: ~( T, a- t& R( C
8.5~9.0
) |- p3 k1 P4 T) ?% k
8.0~8.5
6 J& B1 ], l/ t+ l1 @0 v+ q
6.0~6.5
2 u& k- m& e6 ~2 O
4.0~4.5
9 i4 g5 K6 U( P: [) o7 P
4.0
- I' |; n, s L& l- t1 B# n
*一组三件试样平均值. 
3 d% q# u% M" K& ~
表2   淬火温度与硬度关系*
) ]2 i3 `- c- U+ w2 n! V 9 g0 _9 n3 i1 c- A0 e8 {. [3 C2 {) i6 H+ X' \4 E. {4 y; C+ b! ] X) V; \0 o! J; `( X7 `( S* n- p# @) s$ g+ a( c6 X8 Y& X- j+ J3 M6 e! H* s& R) ?/ o( F$ G$ `+ f' [; f7 w3 n" j9 }; F( N K4 [& z" K% L) j+ ~. i! B1 Y5 g# G7 U& w' w8 O) L A4 \. v; U, P) V( V9 X. e+ g1 Z) i: G: b& i/ Y- }0 V3 N4 ?0 G* `+ J& A4 r; d+ K9 ^1 P+ O. l$ G( Y2 P( \" z( P) O+ f5 }8 f6 P4 J- E. r9 O) q8 h8 p$ r+ s+ J
& z# `6 k2 V6 ^
淬火温度(±5)
6 n9 b7 T2 V4 g
850
( b; y, h) F$ d$ Y R
900
6 f) G" H" X$ @6 h7 ?4 @* R0 B" l
950
% x8 X- |9 s/ T0 Q; d1 f
1000
3 ?, s" d0 y/ ^
1050
( e( [: T! D$ W% s6 ]5 v5 ~" t
1100
4 ] e" \3 W7 L o+ W& k5 u
硬度(HRC)
+ M' E$ C8 q, U, M9 O7 c- h
51~52
6 B6 h# d6 t! k8 ^
53~54
" V2 _/ A7 Y4 ?; ]3 Z1 X7 v
55~56
0 E' g; {6 C: x7 @6 C8 M/ e
58~59
1 Z- ~; F! H5 f8 W* V1 V- |/ p
55~56
) O3 D6 F# k/ O M+ B. ?8 I+ |
52~53
& d$ r) b5 P8 `
*一组三件硬度试样平均值 
" \2 n( f" \9 \" k
表3  4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*
# ?2 o! ^7 H+ P2 S! j7 b 4 @3 B7 P0 `8 n# V3 L B" x- ^ B7 l* i5 ~0 b7 u/ ?; u+ h5 G$ w) g( p# B2 i2 R6 y7 C! k3 D1 F t- v6 v4 C- [2 @( k1 \1 @- [' |! v6 i w) Y. H+ Z2 a6 n$ c; g; n3 ?( q6 r8 u; k$ [; H C1 `. q2 H2 W; W6 s5 y3 [+ @1 A/ s3 E. X' E$ L! b- {9 C% q4 J4 s' e' a1 s6 X! q. b2 S" {# B* T. U/ x8 t( ?( o- d: S2 Z% o9 {5 o0 P# G& m- D2 e' C' r% L: a' P. Q5 V' E" Y$ ~6 l) ^% P2 H- R+ ^% W6 y8 w+ m) _: \ g2 s$ K) V$ Y; @* n+ C2 q0 t- Z" {9 [/ N( L- Z1 o& C! k" D; ^1 a r$ G- O* {& [' K4 t" H4 `8 i! u0 O( N$ j% y G& p9 P7 G& O+ u. x" k6 f6 Z/ W% ?8 H5 m4 |: U( ~) X9 }6 ^& M( M5 ^( I# x$ ^/ c& u$ D0 y; H4 x' X% X1 m. ?" p4 {- r, L- U+ p. O7 J; i# ?' r0 j `6 T* P/ k5 I; _1 g, K1 _2 j ?0 M. n% Z& I+ I4 ~( R j' k! B _5 _) l' Z1 S% d r9 h i+ ]- L Y V; B4 k4 M# f: w& A/ o# Z& ?" s2 E3 V' p4 j& D* M8 G; z% `& y/ I9 t$ J$ v# [' u. K8 t/ ?1 B Q) ~: k' x6 {/ q' h* t' w3 c! N8 J" D8 O9 } c- V- y: E& P0 i: |* C9 c2 T( x1 l
8 v7 L% x& T$ F+ v
淬火温度(±10℃)
) T! C, d5 W/ _7 c9 f) `/ S6 w
力  学  性  能  
# ~: w& E) p- m1 T7 g6 l% Q% b
σ0.2/MPa
; h+ A5 F9 e& Q
σb/MPa
. B t- G3 a7 I# D- l
δs(%)
) F3 H6 l7 ~0 }( H
ak(J/cm2)
$ O+ s2 {4 k& U! G
HRC
. g8 }* t) Z7 [+ Y8 i
350
5 c# A2 d! ~( j. A* B: g2 f6 Z0 S
1321~1334
% e# s# C; o$ f- p7 e U3 |' U
1452~1518
% A3 }$ B8 p1 n! i5 s2 O7 L
4.5~5.6
# T5 {, |% y$ o; ^
31~33
, e; V6 P) d% ]" Z* r. E: Y
46~49
! E' l) {& s3 e5 F" T+ I8 c3 @
450
5 C+ P5 n& u5 d! A8 I4 l! f, R
1406~1412
, [, m9 O0 U) i
1513~1526
, p/ b( E4 A% |- D# r1 x: [( Z
6.5~7.3
3 x; u- G4 a" W3 I
36~41
4 ^3 h [8 f( E2 C5 \7 B
44~47
$ ~* C+ Y$ I" k8 W) } B: _
550
+ g- S4 v1 K8 e9 \/ l7 G
1435~1442
2 A8 C' Q$ o/ X& ^9 i# a
1597~1609
& Q9 N1 ~$ r& {! S" @' n/ D6 K/ ^( w
9.0~9.5
& v b3 T I) L9 R7 f; G3 h
44~46
$ f: ~, m3 \2 f: g2 d* e4 G; p
43~45
" h" m G5 _, U
650
8 G" ?+ i @2 U( B
1209~1215
7 k* ]+ @, x9 r8 I0 `
1318~1327
! i0 _" _, x$ e$ g2 ^* d; O5 ^ p
10.5~11.0
5 ^+ P9 o+ t* I! N/ \# K* l5 m
75~81
, ~4 I5 `8 x; v5 Z2 ?
38~41
! S1 i# g( [% X; B% Q5 q2 w
*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
, T X, L m8 Y( J3 V5 l
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。
+ o- j9 d. ]+ @! Z* r
(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。
0 n$ j6 ?& f" h/ z
(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:
- D& B! \& t- M5 L1 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。
. v3 R2 \# L# v) k: D9 z3 P, j" i
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。
- " r, S K; m: p( ?* r& [
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