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。 * y' s4 K# `3 N5 A' X

2 f+ D3 ^7 b3 b( N, }; D; z

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

表1 淬火温度与晶粒度关系*

6 {4 o) _8 M: O, K# l8 |5 X+ N4 S3 `, n: Z Q& q) s1 A7 ?- `8 z' V& S7 F$ Q3 O; a R, Z. P' w) |! m8 `2 R9 m1 I, Q) R& b6 C: Q4 C8 g( W0 b& ~+ N f( A8 ~5 m4 r; ^* v/ E' X t4 V: E5 D+ G& o( \: T$ P: Y# `1 D9 o. Y8 T/ V4 k' r- C' z* F5 ~% U

淬火温度（±5)	' [# `0 ~: h+ C3 C$ R 910	! X7 i' i; q: b6 Y 930	960	990	/ [1 g7 U7 Y& c6 m, W. m( h0 j 1020	! ^3 u. a! t& B2 | 1050	1080
晶粒度（级）	' Q. u5 i4 L8 T8 y6 [ 11.0～11.5	+ e0 K: l2 k! K2 Q* r' P" j+ a 10.0～10.5	8.5～9.0	+ W8 A; _; D. r, G" y 8.0～8.5	6.0～6.5	4.0～4.5	9 f0 O4 o0 l+ b3 n; ^ 4.0

8 `8 V3 w" ^; N

*一组三件试样平均值. 

3 ^+ S0 o1 @; _4 P

表2　　 淬火温度与硬度关系*

/ n v' O6 v, W! n! J3 z/ i. `: k; L6 C( i5 P; K' W1 x k) M" A; O- j' ]5 Y/ V* g9 b5 ]2 }; t C" C" p' O) i% ~- w' J1 @. E5 H, t6 h" S% L0 x) S0 H3 g6 s. H# f* O' d- i5 q5 H& O0 E3 b) B' r4 y! P0 I0 p% ` N: e6 v; C

2 n9 ]% p) o) f! c6 G" x 淬火温度（±5)	850	- s' `5 `- d- @1 l5 w, q" P 900	950	1000	1050	1100
硬度（HRC）	" U: b) m& `' U$ z) R# m* E 51～52	53～54	8 `8 a( ~. _0 j 55～56	58～59	+ Z7 T) O9 _ Q7 ^ 55～56	52～53

" `! u& ?# w) ^, i. T- L. `9 e) l

*一组三件硬度试样平均值 

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

& |, k% a9 R; s( z& a6 m' B D. u1 w/ \! q9 Y# ^6 w2 W- A$ H/ e7 ^8 C3 K( L& R5 ~% a% q$ E w# ?' Q5 n0 F+ g. ~& g$ ^- f& c% L. L( B9 a: O3 W4 ~/ f R* a/ @4 G3 S: W9 c! _, W) n( K! K/ X' T3 A/ ?# N( g* p9 Q- r5 X F# M5 w3 O/ q1 e8 o. {1 Q. \; T/ o) T' r! x2 J# J X6 a* h' t6 o! S1 B5 l' n4 E& C1 ], ]! K9 |$ p, Y3 E4 \# E9 [4 C3 B/ @* o: m& a8 ~: C4 }# z$ ~- ? k" V2 S/ L% `6 K' b" b6 F8 w3 n$ D" V6 D! s) [5 y& r0 |( k2 @8 m5 e* {- ~/ g! s+ K2 w8 v; X- j# m+ x6 a# r- W4 Z N

淬火温度（±10℃)	% F+ B4 U8 F0 ?7 e0 i! _, R8 \ 力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	5 Q* f. B2 i; V σb/MPa	2 `, u. {4 C. q4 P" B4 X δs(%)	ak(J/cm2)	1 u- {- v5 p0 N, N HRC
350	6 Z0 p5 V: I, o% S2 W) D/ p9 P' N, |2 V 1321～1334	2 ~8 Z& ?. ~1 Q/ I" `, ?' @* s1 L 1452～1518	# C5 ^1 `3 b9 K9 [! i% y/ U! Q! v 4.5～5.6	31～33	46～49
450	: _1 q ~8 a' o0 u8 G. a 1406～1412	/ O8 ?0 B1 T& E. V 1513～1526	6.5～7.3	}3 d9 P( B! ^6 B/ y2 T( O 36～41	9 x+ g5 k& f( l8 v 44～47
550	X4 A: t/ o2 G1 }3 `) R 1435～1442	3 ^/ S |; V i4 ~+ ^7 J 1597～1609	2 n+ o0 \2 H' R* f6 ]/ T" C/ t+ G 9.0～9.5	- G( }4 Z7 T' w5 I- K5 } 44～46	" Z! B+ O1 c: ?% A 43～45
' u7 g4 b' i; h @ 650	; @2 H8 e l# U1 u 1209～1215	/ Y; Q' h' y: Y- J 1318～1327	4 O y& Z" ^2 n: g9 h" | 10.5～11.0	75～81	38～41

* i l! A% C7 I- s3 T& P" b

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。

; S( F! b* }5 n% a, e) X

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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