5CrNiMo扳手热锻模复合渗强韧化处理
1 前言
5CrNiMo在热锻模中得到广泛应用，合金元素含量较低，具有良好韧性、强度和抗冷热疲劳
性能与一定耐磨性。在室温和500～600℃时机械性能接近，加热至500℃仍可保持300HB以
上硬度，淬透性良好，能淬透300×４００×３００mm模块。耐热性能和热加工性能良好，
生产上形成了比较成熟的常规工艺，但与发达国家相比仍有较大差距。主要失效形式：早期
脆断——裂纹源发生在模腔应力集中底角；热疲劳裂纹——产生在激热激冷最剧烈的模腔凸
台边缘部位，以及型腔早期磨损、塌陷与塑性变形等造成早期失效。笔者对早期失效的多付
模具进行断面解剖，金相检查发现其心部均是羽毛状上贝氏体组织，脆性大，强韧性低，恶
化了模具使用性能。欲提高热锻模具使用寿命，必须提高5CrNiMo钢热锻模脆断抗力、冷热
疲劳抗力、磨损抗力和适宜强韧性配合。生产实践证明，选用5CrNiMo电渣钢，采用复合渗
强韧化处理新工艺可大幅度提高板手热锻模使用寿命，被誉为寿星模。
2 5CrNiMo电炉钢板手热锻模常规热处理工艺分析(图1)
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5CrNiMo热锻模用锻造模块制造或对热轧圆钢进行改锻，经球化等温退火后加工
成品，然后 按图1工艺进行热处理。淬火组织为片状马氏体+针状马氏体+少量残余奥氏体，晶粒度9.5～
8.5级；经500～510℃×2～3h回火后心部组织为羽毛状上贝氏体，硬度42～46HRC，心部硬
度32～36HRC。为防止淬火开裂，油冷至150～200℃立即转入回火。因热锻模尺寸较大，淬
火冷却时，表层与心部存在较大温差，当表层冷至马氏体转变点(Ms)以下150～200℃时，
已转变为马氏体，而心部仍为过冷奥氏体，立即转入500℃回火时过冷奥氏体发生等温转变
为脆性较大的上贝氏体，此组织有较低的K1C值、ak值和σb值。力学性能远不如
下贝氏体好，且上贝氏体中的碳化物往往沿铁素体针呈带状分布，促使力学性能大幅度降低
。总之，因常规淬火工艺表层组织获得强韧性较低的针状马氏体，而心部组织为脆性较大的
上贝体组织，因而导致板手热锻模早期失效较为严重。选用5CrNiMo电渣钢，采用复合渗强
化处理新工艺，有效消除早期失效因素，显著提高使用寿命。
3 5CrNiMo电渣钢主要力学性能试验
5CrNiMo电渣钢具有纯洁度高，杂质少，化学成分均匀，晶粒细，组织致密，等向性能和组
织重现性好等特点。
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表1 5CrNiMo试验用电渣钢热处理工艺 |
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予热温度(℃) |
淬火(油) |
第一次回火 |
第二次回火 |
加热系数(盐浴炉)(s/mm) |
|||
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温度(℃) |
硬度(HRC) |
温度(℃ ) |
硬度(HRC) |
温度(℃) |
硬度(HRC) |
||
|
550～600 |
850～860 |
62.5～63.0 |
500×2h |
42～43 |
500 ×2h |
41.5～42.5 |
40～50 |
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表2 5CrNiMo试验用电渣钢室温与高温拉伸性能试验* |
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条件 |
温度(±10℃) |
|||||||||||||||
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室温 |
350 |
550 |
650 |
|||||||||||||
|
σb(MPa) |
σs(MPa) |
δ(%) |
ψ(%) |
σb(MPa) |
σs(MPa) |
δ(%) |
ψ(%) |
σb(MPa) |
σs(MPa) |
δ(%) |
ψ(%) |
σb(MPa) |
σs(MPa) |
δ(%) |
ψ(%) |
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|
性能 |
1326 |
1228 |
18 |
46 |
1213 |
1027 |
28.6 |
60.9 |
316 |
263 |
67.8 |
89.5 |
186 |
153 |
112 |
99.7 |
*三组力学性能试样平均值
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表3 5CrNiMo试验用电渣钢冲击功和断裂韧性数据* |
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条件 |
冲击功Ak(J) |
室温断裂韧性K1C(M Pam1/2 |
||||
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室温 |
350℃ |
550℃ |
650℃ |
700℃ |
||
|
性能 |
38.9 |
54.7 |
46.8 |
41.5 |
75.6 |
11 2.4 |
*三组力学性能试样平均值
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表4 5CrNiMo试验用电渣钢高温硬度试验* |
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温度(℃) |
350 |
450 |
550 |
650 |
700 |
750 |
|
硬度(Hv) |
286 |
357 |
321 |
209 |
153 |
74 |
*三组力学性能试样平均值
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表5 5CrNiMo试验用电渣钢回火温度与硬度关系* |
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回火温度(±10℃) |
100 |
200 |
300 |
400 |
450 |
500 |
550 |
570 |
590 |
610 |
|
硬度(HRC) |
63.2 |
58.5 |
54.0 |
48.5 |
46.4 |
42.3 |
38.6 |
37.5 |
35.5 |
34.5 |
*三组力学性能试样平均值
4 复合渗强韧化处理
首先对5CrNiMo电渣钢进行锻造，该钢锻造性能优良(表6)。
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表6 5CrNiMo试验用电渣钢高温锻造拉伸性能试验* |
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条件 |
温度(℃) |
|||||||||
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800 |
900 |
1000 |
1100 |
1200 |
||||||
|
σb(MPa) |
δ(%) |
σb(MPa) |
δ(%) |
σb(MPa) |
δ(%) |
σb(MPa) |
δ(%) |
σb(MPa) |
δ(%) |
|
|
性能 |
102.5 |
65.9 |
61.2 |
65.8 |
35.9 |
69.7 |
25.4 |
73.6 |
18.5 |
78.9 |
*三组力学性能试样平均值
表6表明，5CrNiMo电渣钢加热至900～1200℃高温下强度低、延 伸率高。材料高温强度越低、延伸率越高，钢的锻造变形抗力越小，成形性越好。锻造采用 双十字形、变向镦拔锻造法，钢坯加热温度1100～1150℃，开锻温度1050～1100℃，终 锻温度800～850℃。经2～3火四镦四拔锻透心部，合金碳化物≤3级，最后一火使锻造纤 维组织围绕型腔分布并乘850～900℃高温余热油淬，接着进行650～680℃×2h高温回火 ，即锻热调质处理代替锻后球化退火，简化工序，节电节时又获得理想的球状珠光体予处理 组织，硬度200～230HB，冷切削加工性能优良。更主要的是亚结构与显微组织显著改善， 其 强化效果在后续处理得到遗传。试验表明，锻热淬火获得密度淬火板条马氏体组织，分别提 高σb15%～20%、K1C45%～50%和2～3HRC，充分挖掘钢材强韧性潜力。新工艺分析 ：
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(Ⅰ)气体软氮化表面强化——在Fe—N共析温度下(530～570℃)进行的C、N共渗，以渗N为
主的工艺，与单一渗N比，工艺时间短，一般不大于4h，表层C、N化合物脆性小和适用各种钢
铁材料等特点。共渗介质为：酒精与氨气，共渗温度下发生热分解：
CH3OH=CO+2H２，2CO→CO2+［C］；
2NH3=2［N］+3H2
分解—吸收—扩散三个基本过程。活性“C”“N”原子渗入金属表面形成C、N共渗层，
以渗N为主，C、N共渗层厚约0.45～0.55mm，作为热锻模予备处理可显著降低金属表层“孔
洞”，增加密度和硬化层厚度及抗疲劳、抗龟裂等效果，与渗B相互配合，互相弥补，相互
结合，能更充分发挥渗B强硬化作用。
(Ⅱ)渗B直接分级等温淬火——渗B层具有高硬度(Hr≥2000)、高耐磨性、红硬性(700～800
℃不被软化)、抗疲劳、抗擦伤、抗粘结、抗氧化和腐蚀等性能，广泛应用于模具表面强化处理。
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表7 自制十种盐浴渗B剂供选择 |
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序号 |
盐浴渗B剂成分配比(%) |
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1 |
70%Na2B4O7+20%SiC+8%Ai粉+2%v2O5 |
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2 |
80%Na2B4O7+15%SiC+4%Na2CO3+1%Al粉 |
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3 |
70%Na2B4O7+20%SiC+5%NH4Cl+3%NaCl+2%KBF4 |
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4 |
80%Na2B4O7+15%SiC+3%NH4Cl+2%KBF4 |
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5 |
75%Na2B4O7+18%SiC+3%Na2CO3+2%Al粉+2%B粉 |
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6 |
80%Na2B4O7+15%SiC+3%NaCl+2%Al粉 |
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7 |
60%Na2B4O7+30%SiC+5%B-Fe+5%KBF4 |
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8 |
45%Na2B4O7+40%SiC+5%B4C+10%Na2CO4 |
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9 |
55%Na2B4O7+35%SiC+3%B4C+2%NH4Cl+5%KBF4 |
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10 |
15%B4C+50%SiC+10%Si-Fe粉+10%NaCl+5%NH4Cl+10%Na2CO3 |
渗B剂主要成分的化学反应机理：
(1)Na2B4O7与SiC化学反应方程式
Na2B4O7热分解Na2O+2B2O3
Na2B4O7+2SiC→Na2O·2SiO2+2CO+4［B］或
Na2B4O7+2SiC→Na2O·2SiO2+2CO+O2+4［B］
(2)KBF4与B4C、B粉B-Fe化学反应方程式
4KBF4+4B+O2＝2K2O+8BF2
3BF2＝2BF3+［B］
KBF4→KF+BF3
BmFn+3O2＝2B2O3+Bm-2Fen
3B2O3→2［B］+2B2O3
B4C+4O2→2B2O3+CO2；KBF4→KF+BF3
2B2O3+2BF3→3B2O2+3F2
3B2O2→2［B］+2B2O3或
2KBF4+B4C+O2＝K2O+4BF2+CO+2［B］
3BF2＝2BF3+［B］
B4C+2BF3＝3BF2+3［B］+C
(3)NH4Cl与B—Fe、B粉化学反应方程式
NH4Cl热分解→NH3+HCl
6HCl+2B＝2BCl3+3H2
FemBn+6HCl＝FemBn-2+2BCl3+3H2
BCl3发生还原作用产生活性［B］原子。
(4)V2O5与Al粉化学反应方程式
3V2O5+10Al=5Al2O3+6［V］
Na2B4O7+4Al=2NaAlO2+Al2O3+4［B］
3V2O5+10［B］=5B2O3+6［V］
上述各化学反应式中产生的活性［B］、［V］原子被钢铁表面吸收并向金属内部扩散形成化 学渗B层。按表2配方和图2工艺复合渗B处理获得多数为单相Fe2B，少数为Fe2B+FeB双相 组织，厚度55～75μm，硬度Hv1900～2150。因高浓度［N］原子的渗入，钢的r相区被扩大 ，A1下临界温度降低，因此可用830～850℃较低温度渗B，同时气体软N化C、N共渗层又得 到 扩散处理，表层形成的高浓度C、N相发生溶解，扩散层增厚。渗B保温后立即转入50%BaCl2+ 50%NaCl中性盐浴中于940～950℃高温淬火加热，使合金元素与合金碳化物充分固溶，奥氏 体充分合金化，与常规淬火(830～850℃)比，淬火组织与晶粒度虽有所粗化，但淬火组织已 由M片+M条转变为单一M条+AR组织，AＲ呈薄膜状分布在M条之间，经高温回火 获得优良高温强韧性和高的冷热疲劳强度，试验表明，分别提高σ-120%～25%、K 1C25%～35%、1～2HRC。高温加热保温后出炉予冷至820～840℃淬入150～170℃热油中 保持3～6min，使基体先形成部分位错M条，并缩短A→B下相变时间，然后转入260～280 ℃等温槽中保持60～90min，获得约5%～10%的强韧性高的B下组织。分级予冷等温淬火可 显著减少孪晶M片，增加位错M条和B下组织，消除脆性较大的B上组织。形成B下 可分割和细化晶粒，延迟裂纹萌生与扩展，充分发挥强韧化效果。
(Ⅲ)多次高温回火——回火温度选择原则：第一条原则是必须大于或等于板手热锻成形模使 用时达到的500—550℃瞬时工作温度和性能技术条件。若选择的回火温度≤500℃，因使用 时瞬时温度高于回火温度，导致模具力学性能急剧降低，发生型腔软塌、变形、角裂和磨损 早期失效；第二条原则是高温回火后达到表8选材性能指标，可确保高寿命。
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表8工作温度500—550℃以热磨损、冷热废劳和软塌失效热锻模选材指标 |
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性能 |
热磨损mg(2500次) |
σ0.2/MPa |
σb/MPa |
HRC(3h) |
AK/J |
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选材性能指标 |
3.4～3.7 |
846～1000 |
918～1137 |
40.5～43.0 |
64 ～83 |
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达到性能指标 |
2.4～3.0 |
978～1025 |
1126～1139 |
42.0～43.0(基体)1965～2150Hv(表面) |
81.5～87.9 |
＊经锻造试样，按图2工艺处理，三组试样平均值。
试验和生产实践表明，选用540～550℃×1.5～2h×2次高温回火，完全符合选用原则，
达到综合性能选材指标，5CrNiMo电渣钢比电炉钢有更高综合力学性能，尤其是塑性、室温
抗冲击韧度和抗断裂韧度大幅度提高，基体高强韧性与高硬性相互结合，发挥各自优势。
5 结语
选用5CrNiMo电渣钢具有纯洁度高、杂质少、化学成分均匀、晶粒细、组织致密，与电炉钢
比，塑性、韧性高，纵向与横向力学性能接近，组织与性能重视性好等特点。
以渗N为主的气体软N化，获得较厚的C、N共渗层，有力支撑较薄的渗B层；“N”原子渗入，
降低钢的下临界温度A１点，可用较低的渗B温度，采用M条/B下处理，获得高韧性基
体，而表面渗B层具有高硬度、高耐磨、抗疲劳、抗擦伤、抗粘结、抗咬合和抗氧化、抗腐
蚀等特性，赋予板手热锻模表硬内韧的特殊功能，使用寿命比原电炉钢常规处理工艺比，提
高4～6倍，且板手坯料表面光洁品质高，即使渗B层磨损后，基体C、N共渗层可作工作面使
用， 被誉为寿星模。推广应用5CrNiMo电渣钢和复合渗优化工艺新技术有显著技术经济效益。
(收稿日期：1999-11-22)
(责任编辑：王玉禄)