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。 1 Q8 ]- c0 R1 d. I0 h) J

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*

& k; ]8 ~7 ^: C" [) b) c, r( [, p1 I: q" i* Q U& G! p) B9 q5 j( ?% z$ V# l* F) _" X: W: D, x5 Y* I/ l) J; P; n+ B# K

* j0 u; |* k8 i; f: ~. c+ A6 j 淬火温度（±5)	910	: U7 k9 k- u+ y) c2 h6 ]+ u% Q 930	' [/ j. L0 V4 i/ Y% d2 ~ 960	* M2 Q, M D5 f! d4 n 990	1020	, V1 C9 ~) @5 M9 j( C1 l% Z, u 1050	1080
晶粒度（级）	- L8 {7 a1 v% N C! l 11.0～11.5	X5 r( Y3 F0 d6 i% e+ p 10.0～10.5	6 z" d% X. j, f/ P+ n1 y 8.5～9.0	4 Y. L9 C" T2 W5 Y" J0 i4 w 8.0～8.5	2 p( M% S- R) i0 h, g$ r 6.0～6.5	4.0～4.5	4.0

; H* @2 U) ^" R3 j

*一组三件试样平均值. 

! A( V/ c, \% m- @, {7 A8 z; Q3 `

表2　　 淬火温度与硬度关系*

$ o8 u: I5 P% V/ G1 Y0 D* b# u5 c/ ]/ a& A: ]* g% l( E/ n( |& D4 |% k; c$ \% q. I' N# h7 V) ^( w1 a; `, q+ v% j5 h2 {' K6 ]+ x1 k1 n4 I6 x9 s/ b1 A. x* V* c. I& ^) n5 s5 O4 G, H4 O2 ~- n0 n2 P! K( y2 C$ T( \% @4 I/ O, w" B8 z; _% }' S& _) o( X) q- D

淬火温度（±5)	850	7 V! g2 O+ S9 n! t. |3 z( r* B4 T 900	/ O% X4 e4 F1 W0 i 950	1000	1050	( d9 U2 X) z1 Z* O/ C5 L 1100
硬度（HRC）	& h3 t% C- j" i0 W$ U0 i3 N 51～52	% y1 @8 n$ i/ I. T 53～54	55～56	) Y2 }" @) ]1 U( [ 58～59	55～56	2 @0 }! y R z- Y 52～53

*一组三件硬度试样平均值 

1 U* M' e% I+ n. m

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

- D8 q0 `6 u }/ \: X: c4 m- E4 @ p/ D0 K2 n# W) [5 z5 d9 k1 b5 V4 A& U6 `! D1 g) g0 h' b3 X! g7 T! j# e7 z# c% H, [6 Q$ R* U! i5 h: ?) H. Q3 \3 f2 @- N" H% Q2 B- K2 o/ O; O- v0 L0 J+ ?/ z$ `- v# z7 _& Z ^" I% ^* U) c/ u9 F# C7 s9 t% E0 C6 |, ]. Y' L! g2 T3 ]* {2 F. ?0 a& u& Y5 u" u" z6 j' I% u `: H; W+ @8 G% p$ a" W/ ~ \* I3 D! I/ K8 m( w( o& {$ Z2 E: n. B$ g" h- C7 M0 K, {. @ t* {/ [, @' A9 n% H* X0 B6 M2 {! P5 y5 G9 ^+ A- c, q( o8 Z" Y1 W# ~) v' Z, \, R3 R0 B; E2 [3 k2 p' m! I' }5 L* t# u1 L

( |: I6 y3 V( } 淬火温度（±10℃)	L% y& Z& q+ a# y5 I9 s' x& K# L 力　　学　　性　　能
	W& m" T+ y8 D' \, r σ0.2/MPa	σb/MPa	δs(%)	. s- V+ \7 f; O2 b9 m+ P5 d+ T ak(J/cm2)	- h1 l) a+ t! v HRC
) i- z( a) K! `2 j0 l9 W 350	1321～1334	# N5 d4 H& `4 } ?8 \8 K7 U 1452～1518	4.5～5.6	31～33	5 h- D6 a0 U! e 46～49
9 Y, q4 K& a% Y' w% N a& Z( L 450	1406～1412	( `# a) u- O2 Z* t( p 1513～1526	6.5～7.3	36～41	3 S* [& X( S$ U/ h" f/ q 44～47
550	- F6 x2 K3 Z& r; {) Z Y 1435～1442	' j) ~2 t: E" f8 L 1597～1609	9.0～9.5	44～46	43～45
, n8 |1 }' u3 q 650	. k R3 Z( L2 x1 A" d& O: q* w& | 1209～1215	# I1 t6 D% i, j, u) P3 D5 } 1318～1327	1 i8 p6 T, }8 t1 H0 |7 k% D' E 10.5～11.0	5 m/ L) h1 H% w9 [9 d$ H 75～81	0 C3 @+ e$ i4 U; J 38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

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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。

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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