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

表1 淬火温度与晶粒度关系*

淬火温度（±5) & _) f! |! L$ k: N8 E6 y* A& E	910 * q8 Y7 f; r0 D$ j" [+ K/ n	930	960   ~3 ^$ v7 [: e4 Y: B0 T% k4 L	990	1020	1050 - }1 n3 S6 m2 v  }	1080 1 D" O( T# F4 T* B. `9 w, E
晶粒度（级）	11.0～11.5	10.0～10.5 2 I. v4 E- v" P+ Q! M) K	8.5～9.0 ! t# @0 c% h& M! v	8.0～8.5 ) y  U7 d2 N- {# \	6.0～6.5	4.0～4.5	4.0

*一组三件试样平均值.

表2　　 淬火温度与硬度关系*

淬火温度（±5)	850	900 & q6 Z7 A+ ^# ]# I1 v3 v' z$ l	950	1000	1050 - X2 O4 ^# r$ D/ [+ O	1100 6 B1 L  N0 |, o8 V/ V
硬度（HRC） * ]" y% C' T( f: z4 c* Z8 ]; a	51～52 6 V9 a6 |  `6 J& g	53～54 8 @' g% I! U2 J6 U3 L	55～56	58～59	55～56	52～53

*一组三件硬度试样平均值
$ T; C. ^$ w3 j7 u* {

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	σb/MPa , c! E  d& Z$ i7 ?) L	δs(%)	ak(J/cm2) " N# D. A4 `( V+ ~2 i8 Q	HRC
350 2 `7 l0 c: P; G+ h	1321～1334 / A9 L9 ^* X+ `5 n% ?	1452～1518 ' |9 a; ~0 k" T; Q	4.5～5.6 4 q$ M- Y0 y: i1 @1 S: @	31～33 0 y6 Q# w  ?* W3 `/ M	46～49 4 k  T9 ]4 T* q0 z
450 % c" S/ y9 ^6 L& Y3 u+ \, c* n* K" L	1406～1412 1 d2 w5 G- C& c0 s7 C* j% A	1513～1526	6.5～7.3	36～41 - D0 d. n4 m+ r; O% L7 t! D- ~3 i	44～47 9 a/ o( b" y- k. [( G, O
550	1435～1442 ' {* S) E. B2 X5 {- o	1597～1609	9.0～9.5 9 P. M: e3 N8 W$ M6 X	44～46 " j/ O0 t/ N% J  z	43～45
650 9 g$ `& D* j. N- g9 `6 e* d2 w	1209～1215	1318～1327 5 N  T* @' G7 G0 w	10.5～11.0	75～81 $ r% d; h: u! @	38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
2 复合强化热处理工艺
- D4 W- n( [, n, L: P0 o/ ]% e' j' _
) n- |' p  Q$ H* a* g  }8 `3 新工艺分析
9 b# p+ k" C2 ], r! ?8 U* i1 ~) o（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。
3 o% @" x3 f" V% P3 X3 C  ]（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]；
9 E8 c  Y. a, |（NH2）CS→2[N]+[S]+[C]+2H2；
H2O→[O]+H2。
& B, ?% A. b  i0 E- L, @

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。