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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。 ! m. c7 j6 }8 g# u& ], w$ ]
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4 x- ?4 Z9 I- Y1 K. j4 i
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! z: E) s Q# ]
| 9306 ~0 S4 L3 x. o
| 960/ g" W" Y( O( r4 u
| 990
0 Y; ]' v, o" W/ c | 1020( c, J- a+ {% m$ ?, K l2 [
| 1050( }, r" h5 |3 o6 x
| 1080
# l# f1 p; P V, q' V' t% d% W | 晶粒度(级): r: Z) ~. ?- O5 q3 t
| 11.0~11.5
9 @7 d' C$ `+ L3 e4 {2 B | 10.0~10.51 Q8 j+ x' Z( b4 z- E+ H0 C: `) i
| 8.5~9.0
4 u3 d4 G5 q. H p, ? | 8.0~8.5 O9 V, D2 q% Y: s
| 6.0~6.58 m8 j" X+ F/ V( Z/ D# f; ^/ o# W7 B
| 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. & Y' A1 y" U$ Q3 l
表2 淬火温度与硬度关系* 淬火温度(±5)8 {2 n9 F' d+ M3 W% \9 u, _9 s+ m
| 850% \2 V2 s/ l1 ~" K- ~
| 9006 C. H" C" Q* L6 s+ R
| 950% n' i. W7 l+ W) l( W$ g
| 1000
9 C$ Z; g" A! u5 p: L3 Q/ _# L1 c+ X | 10504 x7 G: L& n! t9 s
| 1100
$ k/ O2 |: p1 @, {5 x3 t) x | 硬度(HRC)
+ X) X2 ^6 `# e5 r* l3 r | 51~52* ?4 q- K" h0 n0 V
| 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℃); t' f* D } g7 g. } A3 F9 g6 P4 g
| 力 学 性 能 | σ0.2/MPa
3 Q7 j; \5 U1 E7 C$ H | σb/MPa& m% z) m; z Z5 o- z' [. k$ e
| δs(%)
" t+ C; X% {, k# `5 K | ak(J/cm2)
* L( x2 X: [9 q | HRC; I8 y R8 Z- \% |( e. `* q3 b6 ?
| 350! U% o8 O2 d; r) `
| 1321~1334% ]+ B$ s% V2 t7 u4 y1 e& n
| 1452~15184 v9 O; r! H& P: |( l" t
| 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, I8 a! X& o" Q1 f
| 450
0 ?8 c8 W8 }" d7 U' l4 x | 1406~1412/ [5 e7 o7 M* _
| 1513~1526/ G% x7 V0 @" y
| 6.5~7.34 U4 _- z$ [4 \( q+ U! w" m
| 36~41
6 B; A" d5 x U ~: k+ _; J | 44~47" q0 ~/ j9 i3 S: q; ]" j: n9 K* P
| 5502 f* R/ g# T" k' h% @ a
| 1435~1442: v. W! Y4 d! R5 Y
| 1597~1609
5 F4 H1 B# ^0 d | 9.0~9.5" _2 ]' i6 T+ x9 }
| 44~467 t! K' C. ]. s( \: F. }
| 43~45& a& [; t3 c5 z) a3 d# \
| 650" L- e) Y# W8 z A$ k1 C! g& r
| 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/ S3 U0 ^; x( A7 Z& k
| 38~41) ?7 ?' w2 q6 ^" k7 W; }! G
| *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 " |! U* R/ I* K8 r: S" _5 g4 Z
; _1 }, D8 G* s3 新工艺分析0 x, R+ M& s: I2 L' y* W1 P
(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。: F& \% ^8 D% j" u1 j5 k
(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],2 G0 v+ x+ |3 ]0 o- Z4 D
2CO→CO2+[C];
4 E0 h7 K y( c2H3BO3→B2O3+3H2O,; `! Y! z, A. V F- G+ e
B2O3→3[C]+2[B]+3[O];/ h) S" u* z" A: m- M/ u* r
(NH2)CS→2[N]+[S]+[C]+2H2; ~6 Z% k S U1 m9 X3 v: G1 ]/ D& q
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。 |