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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。 * `5 V$ U, J$ K0 ?! C4 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
5 Q, w* B( r3 g/ v b表1 淬火温度与晶粒度关系* 淬火温度(±5)* L: O- _5 _8 Y
| 910( a; x4 K2 N% t% a. g) G
| 930
' P8 D! C: K4 m9 w/ `& W! b | 960' K' f7 Z9 g$ C2 o- G& W
| 990
: {# k+ J. U3 g7 ^. s | 1020; t [8 m( @' E! Q% b% S8 ^
| 1050
& l% @2 k j; l* H) `) i | 1080
" {7 B& K0 d; x0 g& Z+ T. B | 晶粒度(级)1 w6 g+ M \" r$ x) R6 h
| 11.0~11.5
" W: D& V; z j | 10.0~10.50 p+ z# U' W+ |, z8 k0 R+ e" f( n1 \
| 8.5~9.0
6 |) g; l& h; K7 F# I0 l3 n0 G1 q | 8.0~8.5: A% k. Y3 A, M7 ~2 ^
| 6.0~6.51 P2 h+ l- b B: A- {
| 4.0~4.52 z; T `( l3 y ], Q7 o6 C7 L( ^0 \
| 4.0
/ s. a5 x1 r: @- \ | *一组三件试样平均值.
; ?9 K: W; }# i3 v* e表2 淬火温度与硬度关系* 淬火温度(±5)! {! h" t; m# C C* B
| 8505 R: h. I4 ]# T, m) ?0 O8 [
| 900
$ H; d$ u3 z1 f | 950
: Z- R {" P: T | 10008 d. w" S4 Q/ u$ w
| 1050$ V+ x, e+ y$ T
| 1100
. j1 @9 d, A0 F3 w& g | 硬度(HRC)- r. O1 [2 A7 X; k3 ~
| 51~52
k- }) i. [; d4 L: P | 53~54# w3 w) _5 m5 A- S: _! x% r6 D h5 D
| 55~56# u/ o9 |3 T' g& s
| 58~59
8 n/ b% d8 g* J6 j) C2 n | 55~56; f3 m" l7 m! E9 e3 X( s$ a& a
| 52~53: W _$ E2 g: i) P# Y# {* c9 U8 d7 G
| *一组三件硬度试样平均值
) o, d2 G( j9 P3 |2 L表3 4Cr4NiMoV电渣钢力学性能* 淬火温度(±10℃)
/ l4 Q3 M1 { `& ^* a | 力 学 性 能 | σ0.2/MPa( M* f* p1 i( ^
| σb/MPa8 `$ X8 T( q: R. D4 I8 X. r; J
| δs(%)* x: G4 W0 Z: Y8 p
| ak(J/cm2)/ \; J# X" d/ S0 ~- ?6 a. h# B+ T
| HRC
4 [( M3 u# C" x- E/ e2 d0 y: ] | 350
- R; V2 q' Y; u6 _" l/ ~, a | 1321~1334" _" M7 p8 V, O; C3 |8 N
| 1452~1518
( m5 A0 }9 \, N) z7 a1 P | 4.5~5.6
3 ?# l [7 t* U R% W# K | 31~33
2 i% R& o. I! q" n) Y | 46~49
# t! ]+ x! q5 r, ~& Q9 a | 450
/ y: t/ e6 V1 U F | 1406~1412
. B$ ]! h9 o, b: P6 a | 1513~1526
) S( T: a) q; s) C4 f6 J | 6.5~7.3
d) T% h5 i8 B! C7 G | 36~41) t3 b' D: N4 H+ L+ G! j! w3 w7 J
| 44~476 x" k; F3 E D3 m* `9 g8 i0 R% w; J8 L
| 550
$ \4 ]. `& ?3 t0 x8 g+ Z | 1435~14421 u- r; ?1 r9 P0 H& j& F8 t
| 1597~1609
! ?1 D7 J: R" A | 9.0~9.5( b3 {0 N) L$ D* [3 G* ?# Q# D
| 44~46
( \% F' f6 u8 G' e; R7 ] | 43~45% z8 J6 }; k+ h2 U3 j9 s
| 650& h4 V: b; W* h+ B
| 1209~1215% F# f/ H6 _) x) a. n
| 1318~13277 e( g4 M1 d" Q+ @$ U% t
| 10.5~11.0
$ E" Q' ~6 s/ W8 G | 75~814 |$ K |+ u1 f& J
| 38~41
2 _; `# d( ~1 o* f0 l e [ | *三组性能试样平均值。960℃油淬试样。 8 q& V% r1 i8 G: U1 b
2 复合强化热处理工艺 ; t5 O' n' h1 n
& ]! E$ z N8 V" I% f" V2 r
3 新工艺分析
8 G2 ]- f% @* {2 P, l% n" k% C(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。
^( Q% ]* h9 T4 a- `3 X(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。( a# `4 B- m/ U7 z( Z% X- s
(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:
+ T. l3 f. N+ F1 s) H- g& A4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO;
* H0 s3 \9 ]( K(NH2)CO→CO+2H2+2[N],
6 v) U& ?$ p% v5 m2CO→CO2+[C];
m# I/ _; i" _+ X* [2H3BO3→B2O3+3H2O,
+ a# N% m2 Q* T. k& ^1 RB2O3→3[C]+2[B]+3[O];
, P' \8 J5 x9 T9 |) K; k(NH2)CS→2[N]+[S]+[C]+2H2;
' o7 j& A7 Y2 d8 i4 cH2O→[O]+H2。1 `9 [! m$ i4 G' f( H$ ]3 _8 ~ g
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。 |