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
- r& V- f8 u; Q( @& S5 ~

表1 淬火温度与晶粒度关系*

淬火温度（±5) / A/ p' u: b; \. M3 D, F) F$ b8 X	910 7 `. k/ p  q. M. Z2 `+ r	930	960	990 ) ~) }; F1 {/ ]	1020 & R/ ^7 H+ z4 ]# T4 O1 |8 `# H  A* Q, U	1050	1080
晶粒度（级）   ?* X5 n7 t* f3 F4 B$ I	11.0～11.5	10.0～10.5 . H! O; l* `" {. \) T	8.5～9.0 . s3 e! V8 [- N( m- f	8.0～8.5	6.0～6.5   B  r+ c) c7 p* ~" j	4.0～4.5	4.0 7 C- l7 u% t4 h! v) l! ]

*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 + n9 j- g9 f2 X* U2 X- g4 {	900 # F0 R* T1 t* V% k, p	950	1000	1050 9 {7 \3 b# t* Z2 F7 ^	1100 1 |( ^0 [$ ?& J1 W0 `
硬度（HRC）	51～52 8 k, C; Z2 \( ?* F	53～54	55～56	58～59	55～56 ' @" e; j1 x4 ]" O7 g  F' p1 D	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℃) ! l, M' v  A9 H2 R" P% u$ l& F	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	σb/MPa	δs(%)	ak(J/cm2) & Y: J2 x1 r7 K3 }$ T; F	HRC 0 B, c- k" m) H9 O4 _
350	1321～1334 3 [" s" @. {- G	1452～1518 * P$ K, z8 _. t/ u5 c8 r: z	4.5～5.6	31～33 ( Z" D0 g: }5 s7 M	46～49 ; r6 I# z; f: ^( Q* ?
450 3 R5 x. @4 p8 v) {) n	1406～1412	1513～1526	6.5～7.3	36～41	44～47 6 {! W0 A. B. S; g& _
550 9 A% G; S3 y# }+ A8 f. ~9 U	1435～1442 6 i. q1 `" f; t5 v. U( N	1597～1609 ; Z3 z6 e8 h) O	9.0～9.5	44～46 % z& P6 c7 O- H9 Z	43～45 7 ?3 G9 ?1 E5 |/ X" ^
650	1209～1215 " {* u' D1 S% c" }8 @- K5 v	1318～1327	10.5～11.0	75～81 ! b1 r  ]" k; F# T+ ~( Z0 P. G	38～41

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
: E" H1 ~9 W; `6 A2 A' n2 复合强化热处理工艺
/ b. P# t8 Q2 Y0 {) }2 y% }* M( S; G
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。
（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。
  M! D) ^( R9 |（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：
6 W( h5 m4 g* c" Y8 n4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
（NH2）CO→CO+2H2+2[N]，
8 d2 C+ a1 U. `' D1 Q+ f# O2CO→CO2+[C]；
% M. L: ]) n, H2H3BO3→B2O3+3H2O，
4 G& }# Z! e* FB2O3→3[C]+2[B]+3[O]；
/ S& l5 @, l3 [1 n! p  S（NH2）CS→2[N]+[S]+[C]+2H2；
, W- }2 z6 M- |' l- M9 m2 p% NH2O→[O]+H2。
7 I9 O/ |4 d6 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。