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。

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。

, v8 D! f- d( I- W

1 复合强化处理工艺性能试验

1 k) v9 T0 |( J R4 i

表1 淬火温度与晶粒度关系*

5 F7 H# _/ J- Q1 r+ J& V0 g8 y" ^: l8 l4 `$ u' L7 u6 y% S4 n9 t+ {- V$ ?, m v4 E8 g; b8 v( t A/ l j1 D5 s% Z1 _ O7 L) u. r5 f: C' g( k$ Z3 L& ]8 |- L- f' b$ S: m; O% N9 y e% V' j4 c" g! t% Y8 w- T6 m2 C! ~; ?- Y% C4 p

- t2 c& L, \. K! f 淬火温度（±5)	9 j7 o/ v, j/ l/ d- i7 x 910	' R% S% r! _; | 930	960	! q& W% R/ j4 |( S; C& r3 ^ 990	* k. @$ G$ K# d2 y 1020	1050	+ ?2 a2 r* }) P6 t1 }1 R 1080
晶粒度（级）	6 t. G) N6 H1 P1 Z' m& o1 S 11.0～11.5	10.0～10.5	, E k4 c( A- |) t- ` 8.5～9.0	9 q' T1 h O+ x- Z. D 8.0～8.5	% G, d5 R0 a; a5 D4 X 6.0～6.5	2 N. m: f. F& {+ C9 a- L 4.0～4.5	/ i# A* f: x% ?$ E# ?$ B 4.0

0 i6 G$ B3 u: O

*一组三件试样平均值. 

" ~9 ~$ T' o& }/ t) g' [

表2　　 淬火温度与硬度关系*

9 K: [9 }8 o+ v' p2 d' N% k4 @9 {1 t/ `( T6 B4 g( o9 t% R* U" \7 D' ^$ L4 Q, `9 r; J3 h3 U6 K) B/ F% m5 t0 v, U: }3 F! ]# Z; e$ ?8 s: e) }0 t2 z, |4 s `6 s: u) Z, S: n1 z' e$ ~: q% `$ r1 L# {; g1 |: D, K! n+ M: l/ \% @' s1 V. S0 I* x3 g8 K1 J0 J% F, N( \* }. f' q$ |2 s" W) ~$ e/ }; f6 U

淬火温度（±5)	+ P. K+ M# {9 a0 k: K 850	1 d% m B$ K# e5 J1 v 900	950	1000	1050	8 S! O* S- m, y' @1 ?6 s 1100
硬度（HRC）	51～52	53～54	55～56	2 F3 {/ z8 r& q! O( i3 t+ V. i 58～59	; i+ [' k* [/ m7 Y; D, ` 55～56	52～53

) P, |5 ]' C% `+ k/ \; X

*一组三件硬度试样平均值 

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

% `' z8 B3 M* ~7 `) d1 M2 t! v' Y/ }7 X4 r+ Q. t( I: D6 d8 a& ?1 c Y2 C. I! L; P$ {+ E5 t( y% c% F0 u5 J; y4 h1 r0 B d# d$ d2 s) s$ M& M- N+ N) W. D. n$ w3 X3 a& p- C2 ]$ |8 N5 S1 \! Z: ?% N, h2 ^1 S7 I% ^ t C0 N6 y0 F" l0 {/ s9 \+ u: M# R/ y1 H, B. w) B' k% u R8 z! G2 B% g* r/ |. G; ]' G- j4 y. z1 l. `/ s1 ^8 g' M4 @8 e& t+ Y) I$ I( y6 c- l* E% z4 Z/ N1 o6 N" i) i( ]: l g; c% R3 X# H% P; v5 J# Q/ r; k! I! o& y$ k4 i5 V$ L' N% @: p3 y. g' f3 y$ m! [: Q, y+ N7 J& L( c# e6 x5 Z" m K: f9 J0 K- e+ a- \' }, ]2 ^/ A4 u" k0 S7 C: R8 [+ H: V6 S" g. Q7 O }4 X% s8 l% G8 L5 y7 a3 _. z" q/ P# h

淬火温度（±10℃)	4 ?( d+ E" _$ P 力　　学　　性　　能
	2 y6 R( E; M$ v% s c4 k σ0.2/MPa	; J0 h/ Z2 B0 e5 Y& V$ R5 m7 m- m σb/MPa	5 P: D+ P( Q- {$ j* ?9 E8 n$ a0 Y δs(%)	/ X# L3 g3 ~! w$ W X) W ak(J/cm2)	5 G9 n( R5 [% f) d8 Y: D% X6 H HRC
350	1321～1334	1452～1518	4.5～5.6	31～33	46～49
{$ T) E9 O+ B* Z( N4 j% F 450	4 q" Y1 k0 R5 x" A 1406～1412	5 w& d7 w* r$ v% |* {- W 1513～1526	+ {1 w6 z$ H% q- ~$ Q4 h# w 6.5～7.3	36～41	44～47
550	1435～1442	1597～1609	9.0～9.5	44～46	43～45
- M. N+ z: l G; ` 650	: B# y+ G/ ~( O% I7 h+ q 1209～1215	1318～1327	10.5～11.0	3 n& _$ v; A3 p6 ^, ~0 s 75～81	8 `: S+ G8 P2 R9 d5 N4 F 38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

. @' Z( x+ G. F/ H5 m

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。

) U+ q9 f/ C7 |/ l1 y

（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：

' Q& C. y T# Q: {

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。

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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