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

表1 淬火温度与晶粒度关系*

淬火温度（±5)	910	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	1080
晶粒度（级）	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

*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	900	950	1000	1050 + S: a' z" z3 q; w  e9 O	1100 9 w4 K5 j9 y3 _' G; z& _
硬度（HRC）	51～52	53～54	55～56	58～59	55～56	52～53

*一组三件硬度试样平均值

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
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	46～49
450 - G" e3 L( t/ @& }: H	1406～1412 6 E. V3 t- A5 I0 p" {# |# O8 C	1513～1526	6.5～7.3	36～41 ! v& t0 k$ O) T$ q- m1 ~	44～47
550	1435～1442 - l- u) @2 T8 O3 N	1597～1609 + |: P4 |  ~8 C6 b. A4 l( b7 o( M	9.0～9.5	44～46	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	75～81 ; H; [1 G6 A8 G9 L& t( B" E. l	38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
2 复合强化热处理工艺

3 新工艺分析
（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。
（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：
4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
（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，
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。