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。

/ y7 ?3 _! }' X& l0 }+ _

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。

0 v& V/ j. ]8 T) H0 S

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*

( q! E$ Z9 g6 A* ~7 a1 D/ }5 O+ G1 m! X8 b. G/ @1 u; q6 @7 S$ O5 G* D* ?( C1 i. G; k; k! v* s; r% ]5 a" `! D; o$ K4 \7 O# P8 ?" m" g' G* F5 _. l! s r7 ?' u9 S1 A0 \% d, R* Y) k; u1 C1 B& O* t, O' X. ~5 F3 E" G3 P: |8 `8 C( n+ o# x8 E% f& B' `" h4 r% W/ F3 j

: f4 `5 I) s- I/ B) l 淬火温度（±5)	& L; }* G5 e9 d2 N4 j! a 910	930	960	- n+ L' \5 M+ V) s 990	5 v2 c& Y# b: N, }) j' l7 t 1020	1050	, `, [% f0 k2 U& h9 ~ 1080
晶粒度（级）	11.0～11.5	% N9 u/ r8 d' v# q* t+ r7 Q0 |3 F' E 10.0～10.5	$ g/ p. \( I% P$ f 8.5～9.0	) t9 h E2 @, K( H1 H+ \ 8.0～8.5	0 j0 e+ j2 T8 J( @/ |) q6 g# E 6.0～6.5	4.0～4.5	4 d! t7 m& j- i 4.0

0 l% X2 @4 G/ u. v

*一组三件试样平均值. 

表2　　 淬火温度与硬度关系*

, k4 f1 M) o* o. A2 k( g% c1 D5 c- d+ \- p w1 X l- O3 G+ ^& @" o* W6 G& m. Y. M" ~) Z- M, B3 H( y( s. t% p' C }; `* S$ e9 {% D' a: O( [; p/ j

淬火温度（±5)	850	; U' n: E1 V8 N7 }2 f! j4 E 900	" o& Z: D, d' e( t 950	1000	- K) h$ u+ b' p! e `# i9 c( U 1050	9 o7 S' @9 t3 h) ?# \4 F' U 1100
硬度（HRC）	. j7 l" R* T) Z( t [( R) a 51～52	* ~- f. m" M. G1 _+ M 53～54	1 w m9 k' Z; Y2 z 55～56	58～59	55～56	% ` z7 A7 V0 J$ c 52～53

5 C4 I7 a. W) U4 a! y6 @

*一组三件硬度试样平均值 

/ W4 k8 J" e. D4 b# C

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

* H ?; z! R* x v" j' z2 r5 N# z* I. F# j+ M" k5 e6 y( x9 Z1 R1 r& o- V# k5 k+ W1 H' N9 T% J9 G* {# s, N5 k$ G0 ~: ]7 X* b K- @2 K- [9 \. C$ E, X0 e0 U7 S# @2 l& e# J$ |, a' e" q3 j y7 `4 e: P# _. Q+ i1 Q) `" w$ {& g1 J @4 _* T5 N% `/ Y# y" X$ u1 v2 G- f( Q% t5 Y3 q W8 A& M% B! X0 l$ J6 I) e' ?$ @) @6 X. f: c* W' \4 h" s( A- P$ z {! O+ | R' Q: R$ ]' W! V( [( P5 ^6 ?+ A% _- ?& y5 d3 u9 a3 A' u5 x7 W2 s# n/ a- X' p8 U* G; b7 w( P9 c1 h% F. z7 o. H3 u8 p; d- Y6 V# V9 E: O9 X) M# b5 i3 ^( }0 k* I+ x( c; Y4 i% J* e4 i9 L

5 y: `4 Z) H O4 m& w9 L 淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	7 K% `/ O: p5 p; s. w σ0.2/MPa	. P3 r, L3 C; q/ W σb/MPa	δs(%)	8 y9 j4 d2 {/ D ak(J/cm2)	HRC
350	1321～1334	/ d6 V' u) N: N* [/ q( `. L 1452～1518	4 X& p* w! `7 B7 g, E1 M 4.5～5.6	8 O& Z8 ? h8 i& R4 D, H i. A( t 31～33	3 p8 D6 {" K' [' h 46～49
450	1406～1412	2 u: @! t9 k; W: }7 u Q 1513～1526	$ N# \7 ]) ]+ n 6.5～7.3	0 \4 c& K5 t# p$ U3 z) J 36～41	& G7 K! S$ N6 a c1 E 44～47
2 D; } Q5 v4 B' @2 {, U6 F 550	1435～1442	1597～1609	% _1 y! U0 y( W p0 g/ T8 q 9.0～9.5	4 @# t$ {4 W$ E9 o 44～46	43～45
650	1209～1215	8 n5 t7 a3 {' k- ~. |/ t R; k 1318～1327	' s$ o ^0 R$ i( z$ z$ w 10.5～11.0	3 g3 `3 q2 X' }0 V( a 75～81	38～41

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*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。

（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：

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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