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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。
" f6 m; _9 s1 \, j! y 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
2 ^9 \, }4 k, k& |7 ^2 R) I, c) W表1 淬火温度与晶粒度关系* 淬火温度(±5)0 Q0 n& v; M# ]- o6 Q% g9 h0 P
| 910
9 P( w, Q; z& Z | 930
_( b# b; A; ~# X6 G3 } | 960; J% L' r8 e1 K; U, G3 _. P$ g
| 9900 l+ l( f& [, f2 F5 U
| 1020
1 z" i5 S3 U4 M1 P% E | 1050
# v; s: w8 E F7 ?- l | 10808 }0 J6 ^) u: K. T% U
| 晶粒度(级)
N9 p7 ?2 v0 l* D; W | 11.0~11.5
/ ~% F# ^; W, T; d! p3 x% F | 10.0~10.5
! m- P: y' H6 o- c; `" q2 k3 d | 8.5~9.0
& X' [) d! T9 X, c% d7 c! h4 o | 8.0~8.5, t8 [ o& ?1 a) |9 n) {# O' H
| 6.0~6.52 o9 P- G6 K; @) J* i* @. _
| 4.0~4.5
w# G* C$ M* S" b5 F D+ V( W. O | 4.0
" F0 _2 {; D$ l+ D. }: D | *一组三件试样平均值. + d0 ^% f1 j( T: g8 ^1 l8 v5 [
表2 淬火温度与硬度关系* 淬火温度(±5)
' a% I6 R. r% [* U# f% V' i4 t e | 850
4 E8 Q% H, A& P, Y | 900. N" Z9 k0 d* a( Q( V8 [
| 950# L2 J4 g& \* r. R& _! S
| 1000
1 h% z& V( R$ M; d- j2 y. F | 10507 z' o9 Z4 w4 B$ c2 L
| 11001 V( ^% d/ d+ ^
| 硬度(HRC)
C7 V0 n# V3 _, b4 ]3 w8 p# g/ A | 51~52
# I9 Q4 h; \+ o+ A0 M3 i% [ | 53~54
# L w4 o! D! D5 f | 55~566 U# U- A. O% K" r
| 58~590 N* I0 r# o, I1 a* I
| 55~56
) p+ [1 N5 E2 i( {- }& { | 52~53; R5 `$ X5 H5 d/ O8 I6 D
| *一组三件硬度试样平均值
: V6 Q1 i2 b' R! M5 ?表3 4Cr4NiMoV电渣钢力学性能* 淬火温度(±10℃)
1 O4 b- c& `7 V6 V, C/ @ | 力 学 性 能 | σ0.2/MPa4 G" v% O, W9 q. b4 @4 e
| σb/MPa
& r% U6 m, V" F7 w, E. z# ^, { | δs(%); }# q1 T; I% w. |9 T; ~7 i8 A/ H
| ak(J/cm2)& @) h n. q* M# p% U9 C/ {6 d
| HRC
: \' x/ J. l- `' z T! r0 z | 350
* O1 m# b% ^4 y1 G | 1321~1334
4 @2 p+ F4 i4 b# I | 1452~1518; ]: Q# _2 A0 \* S1 {; Y
| 4.5~5.6
% O6 u( L' m6 q% X0 f: o | 31~33. [4 Y; J/ F+ w5 b2 `7 z8 j
| 46~49
' ]9 I. h" Z, {$ O A9 ` | 450
) U& H* Q1 b% E4 Q5 @3 k | 1406~1412# L, x+ q3 K( E, U
| 1513~1526+ `* @! z `. F) S* z
| 6.5~7.3
8 X2 w8 y, [+ Q: S! Q | 36~41* V3 U& W* O8 J1 g8 S
| 44~47
; J7 U8 k% F7 N+ z | 550
* `7 v8 d$ J1 V2 X, ? | 1435~1442
' R; u: ^; e. {& P | 1597~16092 d+ z( ]* _* N$ g9 i3 P6 l
| 9.0~9.5
, O& o4 j0 e2 r4 C4 y | 44~46
/ E# y, j7 E8 I% J3 r! C3 m' X | 43~45
) i* }+ a: p1 y+ `; z* x | 650
6 a# f" {9 B) W) C; |/ @ | 1209~1215. C! U- Z3 M3 o8 o/ k& G
| 1318~1327
; U7 W5 K3 E% t& [1 y | 10.5~11.0
% z7 D. e8 k6 w* C) F6 j* y | 75~81& ~) }& T; \! q7 h( I- [9 M9 i
| 38~41" E) z+ V$ b4 w( i7 y% Y3 m
| *三组性能试样平均值。960℃油淬试样。 9 |2 D# ~9 H3 s/ _: I1 W3 Z4 a
2 复合强化热处理工艺 8 m' @ P" \, w; Z, f9 v7 w
$ e( r2 J" O, b& U1 J9 J3 新工艺分析& _2 q6 M' N# v+ N
(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。
9 R- D, }8 L U- T/ K) ?6 a(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。
0 M1 }5 H2 m& q(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:
+ l" X& E+ c* _/ A! h9 Y( q4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO;
7 F- @ B* s5 L5 ^3 G$ u0 ^3 f(NH2)CO→CO+2H2+2[N],# u c+ S8 D) N/ K6 o( a0 A0 ~3 H
2CO→CO2+[C];
$ T+ r. w! H" ?+ D% X. D8 l6 i2H3BO3→B2O3+3H2O,- L; Y: [. O! `3 C
B2O3→3[C]+2[B]+3[O];
+ s9 u8 {7 ^; J; s" _: O, K7 D(NH2)CS→2[N]+[S]+[C]+2H2;
; c; V8 V0 L3 o+ P. [6 F# }( eH2O→[O]+H2。
# {( T% [, \! j! D! b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。 |