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
* @; z& Q6 m$ B  z  x

表1 淬火温度与晶粒度关系*

淬火温度（±5)	910 9 _1 e7 @3 K) j  o; g8 ?  i; W	930 ) @" [' |4 z; h, }0 r	960	990	1020 ( A8 F2 M: @" e* t! |, u6 z	1050	1080
晶粒度（级）	11.0～11.5 3 G( b. W3 ~  u! b5 l# j	10.0～10.5	8.5～9.0	8.0～8.5 8 F/ Y) I8 ~' \; Z5 F6 s2 @9 Q+ G	6.0～6.5 # b' Y4 m6 e! J	4.0～4.5	4.0 + S' R1 B% P# {0 T

*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 6 E' R" j7 O8 x( h2 W9 Q9 U: S6 v9 X	950 0 f9 j6 `6 P! @* d5 s	1000 ' O* y& l1 W, @6 ^: u1 W# p9 b$ }	1050 * L/ ~9 q2 M- n" L	1100
硬度（HRC） / ~$ Z. o# f3 U+ ]	51～52 9 F3 r% d# S9 k8 E5 y	53～54	55～56	58～59 " u' a" F( y% y( O/ I- G1 ]. p	55～56 : |" @/ v3 D& C5 d: N& M6 X	52～53

*一组三件硬度试样平均值
" [. U! [+ C& ]# d" o& d# F

表3 　4Cr4NiMoV电渣钢力学性能*

淬火温度（±10℃)	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa	σb/MPa	δs(%)	ak(J/cm2) " a$ f* @4 p/ B& k, Z4 v	HRC 3 p; Q% i$ n) F2 y8 g2 {, S5 ^
350	1321～1334 - v0 S) @) ^: [/ ~7 K	1452～1518	4.5～5.6 % c0 {' i6 {0 P6 P7 A' ~# i	31～33	46～49 ; p* I- {4 T0 C; O; t' I( p1 o
450	1406～1412	1513～1526 + m3 Y' C7 \. b1 U4 O* K: q4 d	6.5～7.3 + }+ ]" X" U& P) q4 t* c	36～41 , Z: c8 D4 Z3 C# I% R/ s	44～47
550	1435～1442	1597～1609 7 C$ {$ b  i2 m# p" K7 M, A	9.0～9.5 ) u0 Q  @: I; w: v/ G; y. F	44～46	43～45 0 F0 `- \7 W: p7 |1 F: c9 Z, p
650	1209～1215 2 f9 O1 {# J5 \5 u& Y# Q5 h/ A3 q	1318～1327 $ X8 s4 s1 \4 j9 }	10.5～11.0	75～81	38～41 " v2 ^4 Y- b5 L4 C' }3 c

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
2 复合强化热处理工艺
9 [; T6 d8 t/ p9 A  O/ q0 U& e
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。
（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：
; \% F4 H, A7 f3 q) g( V$ j" t4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
9 x) k4 T" E2 j6 V% ~* t8 \* c（NH2）CO→CO+2H2+2[N]，
8 W5 C+ a$ U9 d, r8 x9 v2CO→CO2+[C]；
$ L7 `+ J) _7 d* E) M5 L: c/ |9 w2H3BO3→B2O3+3H2O，
: n  s) T+ ?+ EB2O3→3[C]+2[B]+3[O]；
. J' u4 G/ S8 p' g/ ?# r（NH2）CS→2[N]+[S]+[C]+2H2；
! B& @2 i' K, ]3 {& h8 d4 aH2O→[O]+H2。
; K- m1 X3 @) l" f5 r9 g

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。