尖咀钳热锻模复合强化处理

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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。

1 复合强化处理工艺性能试验
1 Q, N& ?# `1 r+ k# @( F" X

表1 淬火温度与晶粒度关系*

淬火温度（±5)	910	930 % S$ o# k& H- G* W" ^  V	960	990	1020 , B  \: r5 k+ \1 v3 |	1050	1080
晶粒度（级） 0 M0 ?4 P" R, A0 W5 h& [# n* A& n	11.0～11.5	10.0～10.5	8.5～9.0 - e7 l' M$ e( s	8.0～8.5 ! W, b- W7 ~6 C5 ~% \) ^	6.0～6.5   j9 e8 E3 N4 `7 Y3 Y" o	4.0～4.5 5 ?1 j2 P" s3 q: U3 `8 z	4.0 2 Q1 b+ A, W% D5 {

*一组三件试样平均值.
, g! c5 @% q, o# a" P! Y+ Z- F

表2　　 淬火温度与硬度关系*

淬火温度（±5)	850	900	950	1000 ( V) y7 z" f* D' ~; c  J7 L	1050	1100
硬度（HRC） 4 _  a& G/ G# W6 @0 i0 o	51～52	53～54 3 K; M. f/ R2 A' p8 ?- E	55～56 2 A6 j4 w5 a, P$ c! Z& Z7 [7 F	58～59 # [7 [1 [- F2 K	55～56	52～53 6 |) i  t0 q9 Y2 f7 b" o# {

*一组三件硬度试样平均值

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa 1 d( f2 l; G, o' [5 t5 _	σb/MPa	δs(%) 8 L/ c$ m0 L$ s! i- G: w/ F/ C& d	ak(J/cm2) ) ]- r$ W; j1 P. V	HRC
350	1321～1334 6 K- o! ]' S9 o; L	1452～1518	4.5～5.6 $ A* d5 e" X5 T# ]2 A1 l# p& E	31～33	46～49 - A4 m: {! }' _: H
450   f5 g1 k2 B1 y! M* m	1406～1412	1513～1526	6.5～7.3 ; l! [" s- A6 Q7 g3 {5 R	36～41 * L# p0 K7 m% o) I, Z	44～47
550 6 M3 D7 f3 C* H) ~9 H* X	1435～1442	1597～1609 # M- f& v  \& t	9.0～9.5	44～46   l% D0 H' q4 O: A$ v	43～45 1 J; E( Z5 z8 E( t, W" q
650 + U2 u" i( V7 y	1209～1215 % f, b" q3 [0 e9 p, B$ H	1318～1327 4 N4 h6 G4 {  l$ n" K! W8 `	10.5～11.0 * j7 ~5 }. Y! j	75～81 / R# A, Q8 W6 q* }, @; f  H	38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
* W( L6 J5 X# O) `3 @* j7 p2 B/ w2 复合强化热处理工艺
" i- S9 h1 s% c2 ?' y5 u$ ^& q
3 新工艺分析
  T  O2 m- X- Q+ N' I（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。
（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：
) l* Y; {! ?5 |6 b* ?4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
$ n9 c, \3 M# p& Q5 R$ j（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；
$ K. b& w3 ?; L+ Q  X' k- @H2O→[O]+H2。
+ ?$ c5 [1 k( ^) m% f8 k+ C. c, `

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。