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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。 , z! f/ T' e# n7 N0 G" p; H. z
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
$ W6 @4 z6 l, j* Z表1 淬火温度与晶粒度关系* 淬火温度(±5)
1 o8 p: i- b5 Z o9 e | 910
, c: j" S/ J# o6 n( i6 x | 930
! n- Y8 R& T4 n! [) f | 960- ?: F# m! E; v( @5 d- t
| 990
$ D4 S; e/ V' j# }% | | 1020- J- v' ^! }7 } ]/ `
| 10506 t8 W3 J- i# ?: v4 j5 c: Q
| 1080
- N$ y+ q# q1 n* m5 H | 晶粒度(级)4 C1 ^7 T. w8 q+ V- Y
| 11.0~11.5( `7 P' a8 A# I# A
| 10.0~10.5/ B4 W9 _8 }. V5 A6 q8 \7 ~ S0 N) `
| 8.5~9.0. V% F+ o5 U$ i( }
| 8.0~8.54 d! ]2 Z1 F) m' O/ i- l7 s% i
| 6.0~6.5
) q' l5 _3 f' W% E$ w | 4.0~4.5( `& U5 _% X( a- H+ P
| 4.0
$ q3 X: z* {1 l+ ?# e) e | *一组三件试样平均值. , y l! |+ ?5 i; ]
表2 淬火温度与硬度关系* 淬火温度(±5)% |+ N6 c0 @9 I2 O" K4 \
| 850) Y/ \2 f8 P- y4 s
| 900
* V3 Q9 _/ @& ?* C* Q/ ` | 950& W9 P8 L8 H: O) _
| 1000
' X& K$ w+ }9 F | 10509 C2 T1 v. Q1 A! k' K' l4 S4 O' g
| 1100: ~* G* x3 D, C, |0 h; a1 y. P6 P
| 硬度(HRC)
; c' g1 g: P0 m$ Z2 }" N& t, u& s | 51~52; W% j- N6 l( g m. [) b3 I9 z2 k1 ?2 S
| 53~54
" c9 C. s8 ^) [ | 55~56, W7 k- ^5 {+ ]
| 58~59( m; y" W& z. X) w, K* o1 k* ?/ t
| 55~56
# T: ]4 Q1 B9 j | 52~536 {/ ^- @$ |9 N" F1 y# l a x
| *一组三件硬度试样平均值 0 B) O5 b# V1 h2 z
表3 4Cr4NiMoV电渣钢力学性能* 淬火温度(±10℃)5 |- c9 v) J- f' M( l2 e5 N
| 力 学 性 能 | σ0.2/MPa
+ Z; q( a7 |3 u9 _# U | σb/MPa
/ d- \+ q# ~' X# L# r5 i* F | δs(%)$ S G/ @. s1 U+ v! N" T7 j
| ak(J/cm2)# e) }" O3 |8 V- s0 S
| HRC
2 {! x+ v2 {' {& h# P$ Y | 350
" u, H/ U# f9 P' }" L | 1321~1334/ D. ]6 o' H! m
| 1452~15186 a% ^/ m) Z. S R$ A' K1 z4 w
| 4.5~5.6
& y- P/ F8 |( x) T) s2 {! c | 31~332 r* ^. ^, j% r5 x8 b& W, F
| 46~49
- r C* D. C2 G l | 450; p- I' b- Z* v* n4 } z; h
| 1406~1412
. q- M/ T4 y+ C, D, K6 { | 1513~1526
5 P- `8 o: S' n; b. T6 B | 6.5~7.3
7 `3 X5 D1 T5 k | 36~41( X% m% Z( x0 ?) B2 N! m0 G: \4 l% i
| 44~47
( M9 X3 w6 U- [ | 550+ {$ @6 m7 C I. Y2 H
| 1435~1442
1 h5 j) _. p/ `- R4 b" d4 ]+ e' K; A* s | 1597~1609, k, B# ^8 O. `
| 9.0~9.5
0 n5 h& i" A+ q# q+ ] | 44~463 C+ b6 a% F* b" ]$ N$ P' Y) D( |
| 43~45
' a6 d3 x5 R' J& b- _ | 650$ S" U7 o4 M& `. k
| 1209~1215
. o2 G+ o. t" n# u: R% F | 1318~1327
' `6 t* h5 s! [6 F7 ^7 W" g- V | 10.5~11.04 I8 F/ U7 `, Z I: a: e! q4 c2 J
| 75~816 d3 l& O& p: O4 e; [* d- b# O7 i
| 38~41# s, \# z/ n( x' C) H
| *三组性能试样平均值。960℃油淬试样。 " s* i' h% Q" l% Y
2 复合强化热处理工艺 8 z8 ?8 u+ R) I" L7 Q9 r
# a8 ]8 G- S8 J( H
3 新工艺分析
2 H; z# @1 ]" E6 I9 q f" ]+ ~(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。
! W' e5 {$ s) u) [1 V, I; D( @. T7 m(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。
( T$ G! K" ^7 {/ M' c6 B5 n# `6 x(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:
% r3 r J2 W% p$ T5 M. m* W4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO;. [( x) j' K5 }( t
(NH2)CO→CO+2H2+2[N], r! Q) T( g& M- G& b
2CO→CO2+[C];
( r0 Y# ]# N, s8 v2H3BO3→B2O3+3H2O," ?4 t! @7 {4 y) K- {7 g! ]: U
B2O3→3[C]+2[B]+3[O];
+ E! a& X/ Z% ?% J2 A% A4 C' e(NH2)CS→2[N]+[S]+[C]+2H2;
% G/ t1 s. ]. g6 A* H" wH2O→[O]+H2。9 q2 S! ^0 j5 u( q8 _0 W8 u
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。 |