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
  E/ l% T/ x" E9 o

表1 淬火温度与晶粒度关系*

淬火温度（±5) % a) [: ^- x/ ^/ ^2 a  U. w# r	910	930	960 5 f  z, }" ^& S, x, n7 E	990	1020 2 Z: @8 `% w7 _1 m6 ^8 F$ h2 C; j	1050	1080
晶粒度（级） ; L8 x) L' H0 j) _	11.0～11.5	10.0～10.5	8.5～9.0 ! @" R' Z  j2 ~3 z2 }. K" i	8.0～8.5	6.0～6.5	4.0～4.5	4.0

*一组三件试样平均值.
$ X/ A8 T2 ?3 Y& B

表2　　 淬火温度与硬度关系*

淬火温度（±5) ( B" l! u: K+ t' t8 S6 t	850 ; H" {' T3 U$ m	900 3 d+ V3 f$ ^! B0 {" D	950	1000	1050 2 y5 a4 s+ C; U, k9 W6 v	1100
硬度（HRC）	51～52 " g9 G& d$ T0 l/ e" L( }	53～54	55～56 5 ]0 N4 J/ V3 ^! z* k- x	58～59 1 N# U9 M8 d* O  A5 W	55～56	52～53 ' o" ^2 e: }7 n; ]% v7 Q

*一组三件硬度试样平均值
# O  \* l6 O5 K1 h- `; U* {& d

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	σb/MPa 7 ~1 P3 I& }0 q2 ?8 I  e: T/ [	δs(%) ' h0 e* ]. r1 p	ak(J/cm2)	HRC
350	1321～1334	1452～1518	4.5～5.6	31～33 ' N$ e/ w" {6 G$ I9 s/ Y* a	46～49
450	1406～1412	1513～1526 # }/ o5 t/ ]; U$ y; |' ~	6.5～7.3 : O) g9 h2 r; R8 i9 v5 w1 p	36～41	44～47 $ V2 p4 a7 L" W! \$ p; C
550 0 z* [% Z& N2 g% X4 n' E	1435～1442 1 [/ N7 v9 Z' M7 z: y/ l	1597～1609	9.0～9.5 * G) T$ ~: S4 V, [. Z' i	44～46 * {0 N1 |# x4 p	43～45 8 d. A$ n7 I% r' o3 d% K0 a) Y! e
650	1209～1215 : t2 [& H$ ~$ L& _) u( U	1318～1327	10.5～11.0 - W5 i& \1 x0 x" P; u3 |	75～81	38～41 ! T8 B0 Z9 ]! N& ^% A

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
/ P4 A0 s& f. W% O& `2 复合强化热处理工艺

# M$ K5 W, Z0 a* ]3 M# p' y% L$ ]3 新工艺分析
* d8 X* G9 ~) @* i（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 n6 y$ y" X1 W. k（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。
& u0 {4 y6 a. Z+ m3 r; Z5 A1 v( C（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：
8 p: P) Y  h1 g% Y( ~$ J4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
（NH2）CO→CO+2H2+2[N]，
( A. N" ]- J8 S; [/ ^( a2CO→CO2+[C]；
2H3BO3→B2O3+3H2O，
B2O3→3[C]+2[B]+3[O]；
（NH2）CS→2[N]+[S]+[C]+2H2；
H2O→[O]+H2。

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。