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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。
; ?9 p" F# F; O 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0 q* u3 }3 z1 \/ O
表1 淬火温度与晶粒度关系* 淬火温度(±5)* ` E8 z' [% ]: T: f
| 910
9 ^$ w/ g/ @. f' c | 9303 q& I/ g$ w3 n$ J6 f, Q
| 960
/ M2 _& p( i* Y# D- \9 a% Q | 9906 k4 Y `; ^1 I! O6 h
| 10206 G- `$ N( z$ j9 P+ m
| 1050% C8 b$ L5 l9 @' x7 r9 }
| 1080
! g) b f. W7 E5 w+ G4 e$ p | 晶粒度(级)# n7 c! S. t7 l3 P: _
| 11.0~11.5
' G7 F3 p- t% L0 ?+ s( }$ J4 } | 10.0~10.5% Z" Q; Y& t8 `3 @' O1 w# n( u
| 8.5~9.01 x# S! ^( |$ D2 ^! J
| 8.0~8.5
- d& {' N0 A& A* S- B | 6.0~6.5: i& w' j& ?- V) b7 i. ]2 @& I
| 4.0~4.5
2 N3 @, \ B% F. ` | 4.0
* X- J/ e5 A! H0 C | *一组三件试样平均值.
% c5 m% n; a5 }5 d; T. i3 T表2 淬火温度与硬度关系* 淬火温度(±5)
6 Q: N+ _1 q# E/ K | 850
- P ^4 a C; Y& q' D5 p | 900, a; Q1 I+ T& K7 o4 T4 U$ e
| 9500 s' g7 v6 X5 S0 l+ x. q t
| 10008 J* p! z! G) D# n
| 10502 j1 I2 ]! Z" j, x
| 1100, I% Y3 k* f! O5 k% w; q4 h
| 硬度(HRC)& h! E# b* X+ e a) @( T f
| 51~52* k& l( v O: K) f" ]: C
| 53~54* {2 k- {3 v9 R
| 55~56; _3 Q; ?2 M0 M1 G! ^2 i# J; Q
| 58~59
* T) A L! i$ r& T+ ~9 g. R' s | 55~56
$ C( p' V; g. q% _8 p0 W5 u6 p1 s | 52~53
2 j8 z: ?1 |" a) S' G7 M2 W. u | *一组三件硬度试样平均值
9 h6 h" j/ _* S9 p2 v) p表3 4Cr4NiMoV电渣钢力学性能* 淬火温度(±10℃)& X0 q& v( ^! s6 K0 r" {" V
| 力 学 性 能 | σ0.2/MPa
; A9 T/ a* |0 n9 X. k) d4 E2 J" H% p | σb/MPa$ ?1 K; e' [$ ]. E1 ?6 ^8 [; e
| δs(%)
$ P: |& ~* R2 a9 g( r: f5 f( l0 q. U | ak(J/cm2)
8 Z" Z7 u6 a* N& w3 W | HRC6 m7 {9 U4 C& P. ^3 `! u6 D
| 350
) t- A7 d# A0 J4 S" Q" K | 1321~1334# L' d. Q7 R H" S
| 1452~15186 V* y. @! U: P4 k$ x0 T
| 4.5~5.6
. o* m: P- a% v; s; K | 31~332 ~: ?; D b' S+ I/ Z
| 46~490 v7 Q2 ^) F& _# N# N5 J
| 450
% [9 J" G# @+ l" ~% m. P | 1406~1412
8 u. Q4 I. f' z/ }/ R7 r- J | 1513~1526
6 o+ f, L$ u: S! h; d! v+ q | 6.5~7.3
( A9 @% M' _( e& k | 36~41) H) G0 q4 v' Y& ~' n' M; A
| 44~47
# R5 r9 @0 ]7 O7 A! H5 A2 X | 550
- a. I* d8 I ]0 G6 Y( W | 1435~1442
' s$ k8 W1 m% ?" y4 G, C5 X | 1597~1609) T( k# R$ l7 b' E+ n
| 9.0~9.5
" t( W2 M' C3 L7 n" x | 44~464 T# h2 B0 C- \/ ?
| 43~45" y- p9 k* _2 f" |% T
| 650
* Z7 S% \$ Q) l b! d, R | 1209~1215
- D: `4 z+ }# J4 B3 [, G9 [ | 1318~13278 \7 D% h- l2 F. R, l
| 10.5~11.06 a" {2 m# y1 Y2 g8 k1 o; p* _
| 75~81
4 n* y+ D8 F9 B | 38~41
$ c; a+ E% ]% c( m0 v8 \* X$ k6 W; Z | *三组性能试样平均值。960℃油淬试样。 - ~$ a1 r/ P- h" ~; v7 C; r2 Z1 v
2 复合强化热处理工艺
6 V5 I3 A7 v( N9 T0 z
6 Y& w, u) Z+ V& [3 新工艺分析
' }: K6 @2 D! i1 n(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。5 ]# E3 h( ^2 G; N1 ~
(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。
! H9 h9 J- f1 Z$ ]/ g( _(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:
- N! O: z' j+ {4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO;
( q) K3 i' X) z* f7 C: v(NH2)CO→CO+2H2+2[N],# z ]7 a6 S0 C+ `$ Y# l5 h6 n
2CO→CO2+[C];
3 v h/ ]2 d; o" b [# k1 P2H3BO3→B2O3+3H2O,4 _4 N, ]- U5 a0 L+ R0 C6 D# A, T' H
B2O3→3[C]+2[B]+3[O];
7 ~. n: R: [' ?/ P(NH2)CS→2[N]+[S]+[C]+2H2;6 l/ n* k* `7 D- p! j+ ?1 f
H2O→[O]+H2。+ m/ o* X/ F4 C2 }% a
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。 |