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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。
4 J6 [) i/ z. T. |; @+ q 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
' f' Z I% A3 Y) i表1 淬火温度与晶粒度关系* 淬火温度(±5)
* w9 N- r) Z/ k& q5 g+ r' w1 h | 910
2 N) _" Y! Y7 T' p | 930
" c6 @- ?! T7 f | 960( Q, J% z' Q- @& ^0 O; ~
| 990. G4 N7 q) m/ v* g! q
| 10208 m3 f$ w6 E/ ?4 U
| 1050! n0 z, D# F3 E h
| 1080
% ~! {9 Q1 c6 A6 Z | 晶粒度(级)+ k" x Q, L) V
| 11.0~11.5
4 ?- m" L: ~3 }) V1 }- [& E. [ | 10.0~10.5: v7 R2 L3 M2 G# z4 I0 N
| 8.5~9.0
; c U! P/ t7 {4 ^ E6 F, i9 d0 c | 8.0~8.5
: }( w3 [! |& E2 u8 M5 F0 E9 n | 6.0~6.5* [( s1 F2 c/ S5 D! y
| 4.0~4.54 w, q; O9 D/ [3 Z
| 4.0
2 w+ {' O0 I" E3 {( H9 v9 m | *一组三件试样平均值. ! M1 |" k: n" N) X4 I" G$ i$ o
表2 淬火温度与硬度关系* 淬火温度(±5)1 O' c: |8 M2 o' w
| 850 c! ?+ C" q5 F1 W: m
| 900; x+ `! S1 M" P; N2 M
| 950
( I j% B; V! I, x+ s' c. I5 c$ p | 1000
( ^6 N4 J1 a( u6 L8 C3 G8 ^ | 1050# G5 d; F' ~+ o: S4 P; x* N" a3 B
| 1100
4 S$ ~8 X. b1 x) x# z | 硬度(HRC)
8 d4 q; k& T" g( s" z9 Y- [ i8 n | 51~520 ^$ U$ z$ K0 c% k! q! x
| 53~545 F F/ s9 r3 f1 [3 Z
| 55~567 K+ A3 }5 U; J3 M" a
| 58~59
- D* L3 Y4 Z( w2 Z( _ l | 55~56+ j' W! i2 h3 v+ A( S3 |8 G
| 52~53
2 q+ e; @% n8 } | *一组三件硬度试样平均值
4 G1 `' P( w9 z+ x- s' H' J+ {表3 4Cr4NiMoV电渣钢力学性能* 淬火温度(±10℃)
/ l2 G, u+ x$ K5 z | 力 学 性 能 | σ0.2/MPa
' l% c3 U5 B8 o j6 Z | σb/MPa
0 ], o, l' k" d$ Y | δs(%)
: A0 h% E! H' ^# Z+ C; H | ak(J/cm2)4 g0 |% y4 ]% ?' x( w" l
| HRC
6 [; E6 F9 E3 Q5 H' m& H$ `' j+ M0 P9 X | 3506 S, L4 ?: T3 H, R
| 1321~1334
& L2 T6 ?# }$ | | 1452~15188 Y& }2 }8 E# k2 _8 p1 F5 S' G
| 4.5~5.6* Z+ J4 s5 y+ U. Z
| 31~33
- R6 A; L9 R+ I6 p. b- } | 46~49
7 U) j- t) t: j* U8 r" i4 x8 @3 O | 450$ i8 s8 h4 b8 h7 D, E( R
| 1406~14129 z7 p1 E5 e4 s+ H' K: z9 B; B9 k
| 1513~1526
) W& p S+ K, r- s; {6 r | 6.5~7.30 |; F8 c/ }" A0 a
| 36~41
- k" T5 K& ]* V9 }2 _* [, } | 44~47
( y+ b8 _) s3 O" W$ R6 I | 5507 c, T% K* o+ Z/ _
| 1435~1442
0 e& {: B- d! r9 q( x: a | 1597~1609$ u$ ]6 L; y0 p; a
| 9.0~9.5
1 g; {4 D4 `5 x& ~( O | 44~46
$ o. T& N- Q \; J, A | 43~45: \) e. z3 F/ {
| 650" Z( S9 n7 Q- f# ]/ Z7 T
| 1209~1215! k% x# s- @6 s) q6 p6 {
| 1318~13278 }0 ^; W) t( N' ^# L0 K
| 10.5~11.0. S. K0 {4 p$ V
| 75~81: [$ \# X; @ O' [* k# B q
| 38~41# }- t3 K+ _* f, O' Z/ W7 R9 p. U
| *三组性能试样平均值。960℃油淬试样。 4 T* w3 f1 t- T4 i
2 复合强化热处理工艺 % Y! E3 T7 E6 b; g( t
5 ^2 F$ m% q# X4 L: Q
3 新工艺分析) o' X- p' U7 I2 e2 ~
(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。
: D: B8 V- w$ {- A4 c# 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。) J! G( y9 F" N# [( z
(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:# x8 j& K1 g" h+ h( i
4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO;8 U. F# V( i9 b. k7 Q
(NH2)CO→CO+2H2+2[N],
3 A5 p$ v7 e/ d/ v* h/ f2CO→CO2+[C];4 |( E" x5 ^ t% C& R; U) O( Q2 Q% h
2H3BO3→B2O3+3H2O,7 L- E/ q0 k3 B2 e" P* X2 u$ U
B2O3→3[C]+2[B]+3[O];
8 I9 G$ w4 X/ C; }; Z+ Q( R(NH2)CS→2[N]+[S]+[C]+2H2;% q; m$ d( z% Y
H2O→[O]+H2。
0 f+ o% W k) |' U2 ~2 Z1 ?* u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。 |