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。 8 O B% ^# D; k+ g3 P" h! E' G( r

9 q; x( X, F; f+ m8 F* o

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

表1 淬火温度与晶粒度关系*

8 B# v$ X. h* D7 V) z: S) S- r2 W% l8 M; j' X3 \7 a/ F" _- Y: A1 o2 i2 |3 M) j3 N) I/ ? N( C1 ~/ u, J L2 T. R |/ i5 L. W9 a. U% D( i8 C$ w6 X% d) M+ e. Q" {% P

淬火温度（±5)	910	6 j* U' J& @; a {( h 930	960	990	1020	& R( m# {7 n% ]8 k 1050	% R1 e" d8 Y$ ]( Q, }" q$ o4 e5 P 1080
. R+ i7 a' }/ A3 m1 k 晶粒度（级）	11.0～11.5	10.0～10.5	& Z* c/ k, ~2 o9 d& m1 V 8.5～9.0	8.0～8.5	6 r$ j0 c3 Z( C% u* } 6.0～6.5	6 A6 s; h# ?+ ^& N2 ^' \0 F& T5 K- r 4.0～4.5	9 Q8 f4 N3 K* e 4.0

% K0 U( Z G# M8 Y1 ~3 r; H

*一组三件试样平均值. 

表2　　 淬火温度与硬度关系*

. E7 ^' d9 P# z4 O0 }; x3 S0 u4 M7 r/ q3 x% [( h% Z( c! N" E, ?) e8 f" B+ k7 B. ~% }/ u4 D8 A z" B# B; a% f3 v9 k* F, S; E3 ?! G% s0 y5 ?; K" R7 o* R8 y- M7 {8 f; h8 _$ l! u O9 e" E' w+ a5 m, q- [3 i2 y7 y: ]0 @7 q4 i( n8 e3 ?

H( e& m I: w2 I! m 淬火温度（±5)	. f/ s5 L3 ^7 V; d2 A; U. t 850	900	950	9 Y7 r6 u6 d9 @/ { z! b 1000	7 }% N8 W( B; f1 z/ x7 s 1050	1100
硬度（HRC）	) ^ p9 F" d: @( _6 i# N8 } 51～52	53～54	55～56	58～59	55～56	+ F8 ]4 }0 v% S9 }( E; k 52～53

7 N/ x7 m3 C) i- g0 Q

*一组三件硬度试样平均值 

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

; o& ?/ p* W3 f4 o# @8 g8 m, ^* u( b% U( w. g1 d6 l$ g8 Q! o0 M( @$ t( z9 f. R+ q! n3 B, _- q; {# _' `6 {# |% u/ r- a9 u2 k" P/ _4 t. f" H7 b1 k/ s6 z" h- n. {( [9 `- t) E: S! v) J; H7 t. k8 A, r0 J+ _5 y F* J" s9 v; t c, X, k$ y" d. m( K" u" |6 Z$ O; }7 Y, W9 {( i$ {( f( e$ j/ n! K- O" b7 k. `' m; R$ e9 c+ d+ O0 e* k9 H2 {% W) x% P; g- M

" l/ b$ ^# a% r+ m" m @! Y 淬火温度（±10℃)	: `' Q; A' a8 \* {# s6 E$ o 力　　学　　性　　能
	8 n: [- ?$ a9 n2 k7 y σ0.2/MPa	σb/MPa	) v) C) r I8 ~( w δs(%)	+ \+ C! E" z& \0 L) N3 ?7 b: @, M ak(J/cm2)	HRC
350	! s) q5 R4 a0 }% S 1321～1334	. h, w+ q! H* A' L& m- T$ H 1452～1518	4.5～5.6	" V, v) f" t" ]4 q/ R 31～33	46～49
$ M- L6 d$ k9 L 450	5 b. P! v/ [3 M, b: D 1406～1412	1513～1526	6.5～7.3	36～41	. E8 g3 }: Q6 u8 |+ w8 u: } 44～47
& m& _( y2 F a# D% W 550	, M# y5 a0 O7 V+ b 1435～1442	1597～1609	' {7 c3 X8 [7 Y; S( `# U) L 9.0～9.5	44～46	4 C: u4 }3 B9 g8 K. {/ P 43～45
650	1209～1215	1318～1327	10.5～11.0	- \7 m( ]4 w" y2 \ F U 75～81	" s% s3 c) Q4 i8 I3 q 38～41

*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。

( h) ~7 D: }( q9 }

（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。

（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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