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。

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1 复合强化处理工艺性能试验

0 v% z6 D9 X! y

表1 淬火温度与晶粒度关系*

3 \9 g9 L1 c# l+ O" }) s+ H. I* Y) M! Z8 i8 D* ^1 J! I+ i: x# O& L7 y: _' y& ~) l3 p1 r; L/ U& J( V+ r5 O8 g2 d; X3 T4 Q/ d% ~3 r* {; a6 L1 O$ r* l; X0 Y$ ~' r" B: r1 a- Q+ z( X9 t h8 W0 S4 O2 u7 G1 K x( X; o$ j& S* P c8 ]+ P% z w: C; d) O3 k: }' ~* ~1 \& D' L: u3 a. F7 w+ P( f2 R+ U# f' D

淬火温度（±5)	910	930	8 F+ g. U& z Y% \: N! @: \ 960	990	1020	/ A; F! f. a7 l' s H9 m 1050	1080
- v& H3 J' p' D7 Q 晶粒度（级）	# F! V9 O$ h. T; w5 y8 ?! H6 f! O" B 11.0～11.5	10.0～10.5	8.5～9.0	9 X6 X- _# B1 j 8.0～8.5	, }1 y+ @$ o& s. k 6.0～6.5	, a, F% Y* E. F7 }0 X8 u5 _ 4.0～4.5	* ^; v# T: G1 p2 p 4.0

*一组三件试样平均值. 

9 f' j$ v1 x3 m- {1 P3 E+ P+ i

表2　　 淬火温度与硬度关系*

/ a# [6 m( B( j8 H' q7 j0 A n4 ^5 R, V9 G; x" a' B6 [8 q% J! z9 Q3 P) p0 w8 r0 D1 e7 M, k* l+ L, S" z, |. ~# c+ l' x9 ]7 G$ l) E7 s0 O# R( s7 {9 p( X' u( q! ]. W- t& x' \6 @$ T7 ?; c, b ~; |

淬火温度（±5)	850	900	' a. b/ e# T. M. U/ N 950	1000	9 _+ ?" S5 O5 d 1050	* y8 q2 \/ i! _7 n: k 1100
硬度（HRC）	51～52	53～54	: p' \) m. m3 | W* { 55～56	58～59	55～56	1 x5 Q4 X$ K0 z 52～53

*一组三件硬度试样平均值 

+ j5 o5 `. q! E9 F; b5 d& Y

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

" g T, M ^) p2 ~- e6 j |3 s( E8 P+ Z- q4 A9 i" _5 t/ h) h: {0 l! l" }6 \! n, @# S5 E' m: B( Y9 e; I3 m" F7 t( Y. Z! X& O/ f7 N! e! C) e4 n& A" K$ g" d: z4 Z* v+ J7 N" E' F+ I6 h' v+ E" U( D4 N5 F/ v6 _& g- ^& q! A' [! J6 p, K0 \, L% ~* m' w: E9 n" i2 n0 |8 y) z! _, F1 R# Q z6 j" R- ^

淬火温度（±10℃)	3 E; ~7 }, p" I0 n1 e. U 力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	9 B- W# h N8 x% t σb/MPa	δs(%)	* N' q9 N6 `+ k! [* @ ak(J/cm2)	, [5 @8 E0 h5 M. n$ N% h3 ]. r: ^ HRC
350	- k: D) I; N. L& m& ^ 1321～1334	/ g" _+ E9 R0 g5 N5 ] 1452～1518	4.5～5.6	% F1 {' U3 m0 G 31～33	0 p% r, z6 z1 ]; | 46～49
) K, P' g/ ?% q4 x7 | 450	" X$ q& j% k: l( d$ U" E 1406～1412	I1 _- s7 X0 H$ }! T( O u* A$ T 1513～1526	$ N" |( k/ o8 V7 H/ R5 F6 X 6.5～7.3	36～41	44～47
550	1435～1442	9 L' A! S! U/ ^ 1597～1609	9.0～9.5	7 z: [4 v; C E( f9 C! U 44～46	- K9 ?. U9 R' L1 `3 N/ P! z# M 43～45
: b/ n" D- u+ P; E; k' C" m0 \: N0 x 650	1209～1215	1318～1327	' w2 l5 P) O& @6 x" v/ z 10.5～11.0	( m9 Y5 L; {) m4 v) e, I7 d1 L 75～81	/ G! k! n7 q/ D" [# W7 d+ ] 38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

# |. |( p* H3 x$ i5 }' U" H$ 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。

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（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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