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。

6 N5 l/ }; V4 X

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

: j7 S \' S% ?8 U! g) o6 Y1 L, \

表1 淬火温度与晶粒度关系*

$ u5 u. `2 U4 F9 S$ v" E6 Z w/ c' h$ n! @6 z7 |9 N x% \* u- }( n( I: ?! V# |8 L$ P2 m( u& `+ d& P" E+ H$ E0 U. e1 l- g3 c% j: E/ q9 U. C0 g/ {8 m" K% L! t6 t! S3 A& {9 p# D/ ^+ F' w |; M4 T- X% ?; T2 _7 R% g; @ a9 j( a

淬火温度（±5)	" [! M ]8 a2 y2 r+ M: } 910	930	960	990	$ Z7 `: f, B' p+ Z; M0 W 1020	1050	' S/ g# a$ B* L 1080
6 ?! v* M4 s8 `# a' v; @* K 晶粒度（级）	11.0～11.5	10.0～10.5	4 u3 |, |' A( K9 C 8.5～9.0	- j: @0 O# e7 { 8.0～8.5	6.0～6.5	& P/ C( z$ b* A. ?8 o 4.0～4.5	: x* J7 [& i6 d9 s* B 4.0

" O, ?; J0 N6 A

*一组三件试样平均值. 

表2　　 淬火温度与硬度关系*

+ ~! Y+ N3 L' l+ F# Z# }, e+ G( A) v3 m6 q7 }6 Q6 j$ B8 f+ U1 q) q% U9 A* {* {* L( O1 Y+ n9 e1 l; ^1 T5 f9 j; _+ H' z, b% \: e7 o& D. F$ W8 `& D$ q) F3 n6 z/ e$ [& }8 H5 ~8 m$ Q- _* V. `; h+ F: p- |6 M$ l! e5 V ]* S9 h8 w s6 K8 n% G1 D* ?4 Q1 _" y9 {( z: b p

) O: I* y; x* R. T6 a1 I 淬火温度（±5)	850	# O; }; C/ \3 F. \7 n( d8 Z 900	+ f! v: A, o4 e% } 950	; J, s' H3 |- R$ A: \7 @( r/ w 1000	# Z2 q `) v; F& ` 1050	$ i/ \3 I% b1 Q0 v* v, V( O 1100
5 f- E2 }; C/ D 硬度（HRC）	51～52	- T B) H+ O" [3 W 53～54	55～56	58～59	! x l7 e5 r5 A7 z9 c 55～56	# M3 }6 _. C6 {+ Z! {. j( X 52～53

# b, G- n J8 ]: O9 R

*一组三件硬度试样平均值 

2 G9 a3 G3 a% U+ x9 u

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

! \( i# {! C8 w+ z9 B0 L# b* o+ A3 s) D0 P* ~3 `; L, n- I/ I' v+ C1 m3 u+ d/ L1 ~/ j9 k( K) ~( m- Y: [8 ]4 w$ @. t, @ E, ^( m4 a9 |5 R1 z( L$ n+ d6 V% k2 \1 H. L- D! }0 ?. t0 o/ {: r- ?7 P" U' d. N1 V7 t/ ?$ R2 |4 w$ z2 e9 a2 t2 g U# G$ k' Q/ ^- i0 H. b- {1 N+ X, m2 |# ?3 O3 @; }' Q; }0 M( Z( {+ G$ B4 |) M; y$ {+ z" ?5 L# V6 t! m5 Q8 `& c. h/ J/ r* }/ v! z- Q! E& N5 v/ R0 r% h) M4 [

淬火温度（±10℃)	+ h5 c. g3 C$ T B. u+ E 力　　学　　性　　能
	) e* _ G' Z4 \- { σ0.2/MPa	8 c) h: F, X; |! n# T( Q( H σb/MPa	2 c- Z- w5 K% A5 i δs(%)	, {6 _) \* Q$ H8 h9 R( c7 Z ak(J/cm2)	HRC
/ Z8 K5 s# P* r( ^6 a7 G, A% W 350	1321～1334	9 V3 v6 X; `# J* r) K) k: t 1452～1518	4.5～5.6	' m2 j% ^1 Y+ h% V Z 31～33	46～49
5 m* j0 I/ X C/ E( }4 E5 `+ m 450	^6 L: y3 [0 U/ G# y 1406～1412	& _# }6 t4 N( v! @ 1513～1526	6.5～7.3	36～41	44～47
550	$ ^2 E7 G1 n$ b$ g# S4 O 1435～1442	1597～1609	9.0～9.5	% o* |* ~$ {7 I 44～46	43～45
+ j4 h9 ^ U/ I$ D 650	1209～1215	1318～1327	10.5～11.0	75～81	! f, ^, S! @; h/ E; z! h% L# u 38～41

) M3 d5 x. n$ p& E

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

: E: V; A# [1 |- O, i0 D

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。

6 `2 l2 \5 p, F* t6 n4 t2 j

（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。

/ }9 _2 `, j0 {. y* I4 R

（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。

, O/ m2 ^" R& Y4 R- u

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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