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[转帖] 尖咀钳热锻模复合强化处理

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发表于 2010-10-7 15:31:03 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自: 中国江苏常州

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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。 : H# F8 {+ V( |4 C. Z
    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/ r+ m( P  p, O4 c
表1 淬火温度与晶粒度关系*
淬火温度(±5): h8 }" a9 K, j, q2 ?2 m6 G5 _
910. m( b- f# h' m& [
930
$ r$ [7 y+ B2 r8 \" m
960
$ Q: x  ~5 M0 J* g8 \
990
% c  D% s3 v2 b+ u  J1 L+ b' L
1020
# g" u" H0 t8 j( _, J
1050
# P( i/ G2 D" @- S- t/ G
10802 N4 w2 l+ c2 m
晶粒度(级)5 D' ~7 h& Q  G! W1 A/ v
11.0~11.5
) E% J  u1 p  X$ i# O
10.0~10.5
1 e, M4 U& ^, S# T& x* M9 p( e+ {* q. t
8.5~9.0
2 k4 @0 n" Q. H# V  U
8.0~8.5
% f' ?0 G4 x4 {. B+ D8 b) s; E& f& j
6.0~6.5
) `( N. W6 X6 w4 k
4.0~4.5
2 o' c- B: G% q9 B
4.0  _* u0 u2 h$ r
*一组三件试样平均值.
5 F3 |' k$ p( @" d* G4 Z
表2   淬火温度与硬度关系*
淬火温度(±5)
- g- J% h% r$ b$ O* W7 i
850
+ p8 J+ W% q9 }6 t, J* r
9002 q* n4 a: Q& |3 a8 k
950$ [8 N4 k! |0 O2 l
10001 r# s/ V, z% Q+ J6 y
1050
+ S: a' z" z3 q; w  e9 O
1100
9 w4 K5 j9 y3 _' G; z& _
硬度(HRC)! {7 w0 h6 x5 B4 b. U' G3 ~7 N
51~525 H8 k9 O+ P6 i# y; R
53~548 L* _' `' M. N! |/ W
55~56  \+ T% \8 G7 G  W
58~594 e% ~7 F( W8 K' t, N
55~561 e- C2 \% x# y( v1 w% l
52~53" ]0 I! u4 h3 a7 o& O
*一组三件硬度试样平均值 6 H5 b+ N. y! Q7 J7 J
表3  4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*
淬火温度(±10℃)
3 [% p& y8 I$ A) g. _; U3 _8 o
力  学  性  能  
σ0.2/MPa
$ k( `5 Y+ ~" E( G0 D
σb/MPa
3 Z  {, f+ F0 S  V/ p
δs(%)
1 C* d6 s/ j% Y6 I# X
ak(J/cm2)
6 p) g# d& \, x% L
HRC& @) P9 f+ A# g- U- @
350
! p1 r. K% w# o. }2 z
1321~1334
$ q% {% B! ~, R8 [
1452~1518
4 z* F- K1 a$ c) N" o
4.5~5.6
9 G, a4 w2 Y" @7 K+ I: o
31~33
& p0 R. p! i5 O' N- H
46~494 {& e' K+ [  Y9 l0 i* W3 ~
450
- G" e3 L( t/ @& }: H
1406~1412
6 E. V3 t- A5 I0 p" {# |# O8 C
1513~15261 f3 t. @( \' S& ~  g9 o9 h
6.5~7.36 j6 o8 K2 w, R7 j; N
36~41
! v& t0 k$ O) T$ q- m1 ~
44~47/ }- t6 p/ C2 p2 r
550, K2 L; y- b1 [% C: D) a
1435~1442
- l- u) @2 T8 O3 N
1597~1609
+ |: P4 |  ~8 C6 b. A4 l( b7 o( M
9.0~9.5, W: {" T* c) V7 M* S
44~46" j6 y- C; Y& `! V; `0 h$ |- g, n
43~45
" `! I: Q4 b% u& e
650
( A& H$ Y! X$ [( E6 [2 w' ]2 i
1209~1215
% b: n/ I! F) G) e5 p( i3 a
1318~1327
( C  E: x, ]& j8 x
10.5~11.0' `; U  E& X; g8 Y) Q
75~81
; H; [1 G6 A8 G9 L& t( B" E. l
38~417 S3 r& _. d0 \. R5 k& [0 @1 x
*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。 ! W9 M9 @$ Z& s$ B3 C
2 复合强化热处理工艺 " B. R  I8 W6 ~# z7 W
9 ~1 N- Z* E- O# s' a
3 新工艺分析# P( i0 Z+ k9 o, w+ ^9 D% E0 ^- ]
(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。
0 k2 z1 j* U: ~# y) y+ i* Y(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。2 j9 B! j0 J0 W% u0 Z6 m
(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:- w, h( d6 Y# F- d( [& R
4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO;; ^0 l) k% T, `( y- z$ A9 G
(NH2)CO→CO+2H2+2[N],
* w7 y8 n& |9 W' }2CO→CO2+[C];
2 i: v6 g1 _2 l- e# e* y3 V2H3BO3→B2O3+3H2O,- u, n& A& v+ B, S7 K4 m( O8 I: a
B2O3→3[C]+2[B]+3[O];
' v$ `9 Y1 k0 |5 c) D2 }(NH2)CS→2[N]+[S]+[C]+2H2;
# G, q' I$ c, h2 E9 Q1 U+ QH2O→[O]+H2。
5 r. r, A& R8 D& `5 f
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。
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