尖咀钳热锻模复合强化处理

zpc64

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) 0 }- c3 }3 I! L+ F' u5 C* w	910	930	960	990 0 Y; ]' v, o" W/ c	1020	1050	1080 # l# f1 p; P  V, q' V' t% d% W
晶粒度（级）	11.0～11.5 9 @7 d' C$ `+ L3 e4 {2 B	10.0～10.5	8.5～9.0 4 u3 d4 G5 q. H  p, ?	8.0～8.5	6.0～6.5	4.0～4.5 ) f* K. ^* H: M  [) g/ p	4.0 , V6 V8 H" @3 Y, F7 ?- e, {

*一组三件试样平均值.

表2　　 淬火温度与硬度关系*

淬火温度（±5)	850	900	950	1000 9 C$ Z; g" A! u5 p: L3 Q/ _# L1 c+ X	1050	1100 $ k/ O2 |: p1 @, {5 x3 t) x
硬度（HRC） + X) X2 ^6 `# e5 r* l3 r	51～52	53～54 - ^* v. K! n3 D: e+ N+ R5 K	55～56 ' G2 z7 g7 p6 H1 z8 ]	58～59 - ?. r( o) F: d3 b	55～56 , B3 _" I( @4 a  A) C	52～53 % [5 |) L( ]5 ~5 _/ D" k

*一组三件硬度试样平均值
# n5 l: l! i0 A; k3 p

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa 3 Q7 j; \5 U1 E7 C$ H	σb/MPa	δs(%) " t+ C; X% {, k# `5 K	ak(J/cm2) * L( x2 X: [9 q	HRC
350	1321～1334	1452～1518	4.5～5.6 ' m+ q, C9 a+ Z' P$ Z1 Q	31～33 , ?4 X' L- C. T! R" [6 q4 S	46～49
450 0 ?8 c8 W8 }" d7 U' l4 x	1406～1412	1513～1526	6.5～7.3	36～41 6 B; A" d5 x  U  ~: k+ _; J	44～47
550	1435～1442	1597～1609 5 F4 H1 B# ^0 d	9.0～9.5	44～46	43～45
650	1209～1215 / h* v9 T: D) B* n- X: ?8 o	1318～1327 4 z7 R$ _" u3 U8 w2 @% W	10.5～11.0 ( V0 t% G4 P6 f( H" Q  N	75～81	38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
* t, M4 \: e( t2 复合强化热处理工艺

; _1 }, D8 G* s3 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。
& \& I7 p; Y3 Z（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：
  [% V7 s/ `, n  m5 ~0 _4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
+ M) i7 t3 p$ c0 N& H" Y（NH2）CO→CO+2H2+2[N]，
2CO→CO2+[C]；
4 E0 h7 K  y( c2H3BO3→B2O3+3H2O，
B2O3→3[C]+2[B]+3[O]；
（NH2）CS→2[N]+[S]+[C]+2H2；
H2O→[O]+H2。
+ y: H9 w  P; u, z& L# U0 |

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。