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。
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    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

表1 淬火温度与晶粒度关系*

淬火温度（±5)	910 . p  A# g. h9 p7 F( N	930	960 + |" ]* N8 q/ u' B' k& g3 D	990	1020	1050 ) \  r) Y  x1 d) U1 Z	1080 # \; n2 H3 l7 Q3 T; D
晶粒度（级）	11.0～11.5	10.0～10.5 # E$ ?  H$ L" C6 f* ^/ M	8.5～9.0 6 B* d! G; e5 s5 ~	8.0～8.5	6.0～6.5	4.0～4.5 % c0 o1 i5 x$ E5 T2 Y	4.0 , z  v# ^: q; S1 w) X

*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 9 `1 q) h6 l- z" M8 U: P8 b	900 8 D5 N% o4 Z. Y6 ]8 Z	950	1000	1050 5 H& Z, `% i4 ]  ?	1100
硬度（HRC）	51～52	53～54 ! V: J) L0 x7 i+ _8 r$ s$ X	55～56	58～59	55～56 , I6 h% \  |# E" n* a' H8 n3 J	52～53 ' y! ]" M* c: \0 S& {4 d5 @

*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℃) - [- H; D8 w5 U8 S( t	力　　学　　性　　能
	σ0.2/MPa : ]; M! W1 p: a/ h	σb/MPa 6 s9 d% h1 Y! K	δs(%) 4 R8 |" Y3 M1 E  J	ak(J/cm2) 5 j  O8 H/ ~/ h	HRC
350	1321～1334 $ j( c* y9 u( n; Z7 y	1452～1518 ! T* R# p2 k- _4 y	4.5～5.6 ) d! z; }8 X% J! b6 Z$ @1 t; B	31～33	46～49 3 c1 y3 x( c$ Y) j( ?
450 : p0 r* ?" Y! h, E; N% l6 S/ J	1406～1412 ( s! x% T7 Y. R. B$ S5 C# p2 O7 P	1513～1526	6.5～7.3 $ p/ [& @, O& I; U4 }6 ^# e	36～41 1 C4 |/ a% H$ L9 m$ H; {+ ]& D	44～47
550	1435～1442	1597～1609 6 |, H. \! ~9 d! ^+ X0 [	9.0～9.5	44～46 # A7 w3 S% b) P1 h) l- }	43～45
650	1209～1215 ; G; D# w4 H4 Y, b4 w	1318～1327 8 w; h1 P/ Y: ?) w9 c	10.5～11.0 % A  O8 J' X( D	75～81 4 A+ ]2 [$ n: e; X. Y	38～41 % R9 ~* e+ I  G. j# A

*三组性能试样平均值。960℃油淬试样。
4 W( V' U0 n3 d( o8 a$ N1 w2 复合强化热处理工艺
# ~8 B5 t, m" u9 v
3 新工艺分析
. ^1 j! Y/ y' d（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。
( P' K2 p! h0 E; g+ P6 o（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：
4HCONH2→4[N]+2[C]+4H2+2CO；
2 r4 J9 l; q0 i7 H, F! L  ?/ O: F（NH2）CO→CO+2H2+2[N]，
) O  r9 y: H$ v) f2CO→CO2+[C]；
) P1 C; M0 S2 n% @2H3BO3→B2O3+3H2O，
: r5 `$ M+ p( g2 D4 T2 EB2O3→3[C]+2[B]+3[O]；
# `. y/ l5 g" v（NH2）CS→2[N]+[S]+[C]+2H2；
! U8 }6 R  |* F" M. R) lH2O→[O]+H2。

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。