香港 外籍法官:齿轮精锻模的选材与复合强化处理研究

齿轮精锻模的选材与复合强化处理研究
■王荣滨
王荣滨：1945年生，男，南昌南弯工 具厂，高级工程师。


摘要

本文通过对H13电渣钢进行工艺性能试验，采用调质预处理及复合处理强化新工艺，表明应 用H13电渣钢制造齿轮精锻模具有显著的经济效益。
叙词：齿轮锻模电渣钢


1前言
某齿轮精锻模外形尺寸：550×350×250mm，型槽尺寸公差：深度方向±01mm，水平方向 ±0 15mm，表面粗糙度Ra16μm，精度高。原用5CrMnMo电炉钢制造，常规热处理，寿命低。主 要失效比例：热磨损65%～75%、型腔软塌15%～20%、热疲劳龟裂10%～15%、断裂3%～5%。研 究表明，高温强度、高温硬度愈高则热磨损抗力愈大，寿命愈高。因精锻模型腔与约1000 ℃高温金属坯料接触时间长，型腔表层金属迅速升温，瞬时温度高达500℃～600℃，局部高 达 650℃，易导致型腔迅速软化，当型腔硬度降至≤35HRC时，便导致型腔软塌失效。当模具高 温硬度、红硬性与热稳定性愈高时则抵抗软塌能力愈强，寿命愈高。使用过程中每锻一件需 用石墨水基冷却型腔，引起型腔表层金属反复膨胀与收缩产生热应力与机械应为叠加，当综 合应为大于材料强度极限时，金属表层便形成热疲劳裂纹，经扩展后失效。当材料热疲劳抗 力愈高、抗断裂韧性愈大，则使用寿命愈高。经试验选用4Cr5MoSiV1(H13)电渣钢，具 有较 高热强度和热硬性，尤其在600℃～650℃有较好热强度、热硬性、耐磨性、韧性和耐冷热疲 劳 性能及良好综合为学性能，代替5CrMnMo电炉钢制造齿轮精锻模寿命高，且坯料表面光洁， 精度高，质量优，效益显著。
2H13电渣钢工艺性能试验
试验结果见表1～表4。
表1H13试验电渣钢淬火温度与淬火硬度及晶粒度关系※

淬火温度±5℃960980100010201040106010801100
粹火硬度HRC52～5354～5655～5756～5758～6058～ 6059～6158～60
晶粒度级12.0～12.511.5～12.011.0～11.510.5～11.010.0 ～10.58.5～9.08.5～9.07.5～8.0

※三组试样平均值。油淬。

表2H13试验电渣钢1060℃油淬，不同回火温度对硬度影响※

回火温度±10℃200300400500550600700
回火硬度HRC56～5755～5654～5556～5755～5650 ～5235～36

※三组硬度试样平均值。回火时间15h，空冷。

表3H13试验电渣钢高温硬度试验※

试验温度±5℃300350400500600650700
高温硬度HV443～464440～451437～448425～435418～42 6372～383259～286
※三组硬度试样平均值。

表4H13试验电渣钢不同热处理工艺对力学性能影响※

淬火温度±5℃回火温度±10℃σsMpaσbMpaδs% ψ%αkJ

1040油淬5706106301037～1046942～959903～9261088～10971023 ～1035 928～101715.4～16.816.1～17.624.2～26.744.3～46.846.5～49.749. 0～53.437～4241～4943～45

1070油淬5901028～10391056～106814.3～15.639.9～42.636～4 1

1100油淬5806006501051～1066968～976916～9381091～11021032 ～10 55998～102713.4～15.215.8～16.927.4～29.517.3～21.619.5～22.74 1.6～44.826～3330～3633～39

1040加热260℃硝盐等温5801043～10611091～110319.8～21.333.6 ～38.437～42

1050加热280℃硝盐等温5901213～12281306～131814.6～16.926.4 ～33.536～40

※三组力学性能试样平均值。试样经锻造。

试验表明，H13电渣钢有较高室温强度与韧性、高温强度与高温硬度，良好耐磨性与抗 回火 稳定性及优良综合力学性能。与5CrMnMo电炉钢比，力学性能分别提高：σb15%～25%、σ s10 %～15%、αk10%～16%、K1c55%～65%和硬度3HRC～4HRC，同时有较高热强性、热硬 性和回火稳定性， 在650℃回火仍可保持39HRC～42HRC硬度，因此，使用寿命大大高于5CrMnMo钢制齿轮精锻模 。

3H13电渣钢锭锻造与锻热固溶调质预处理
钢锭经开坯锻轧，合金碳化物有一定程度的破碎和改善，但沿轧制方向呈带状分布，而 心部 呈链状分布。齿轮精锻模尺寸肥大，型腔正处于钢材心部，因此，不宜直接用轧制钢材制造 ，必须进行改锻，锻造不仅为了成形，得到合适锻坯尺寸，更主要的是击碎钢中共晶碳化物 和二次碳化物，尤其是改善心部显微组织，使碳化物达到≤3级，内外碳化物均匀一致，消 除材料力学性能方向性，避免后续处理发生畸变，并使锻造纤维组织围绕型腔分布，增加材 料刚性。H13钢中碳化物主要类型有：M3C、M23C6、M7C3、M6C和MC五种类型，当碳化物呈粗 大不均匀分布则是脆性相，当碳化物呈细、小、匀、圆弥散分布于钢基体则是强化相。通过 改锻避短扬长，充分发挥碳化物强化相作用。采用轻—重—轻双十字形变向镦拔锻造法。锻 坯加热温度1120℃～1150℃，始锻温度1070℃～1100℃，终锻温度850℃～950℃。经3～4火 回镦回拔锻 造后钢材内外碳化物≤2～3级。最后一火终锻形成后乘高温余热返回炉中加热至1150℃，保 温后油淬，油冷至150℃～200℃(以锻坯只冒油烟、不燃烧为准)及时进行750±10℃ ×2h高温回 火，即锻热固溶调质予处理。实验表明，锻热固溶淬火能使M6C、VC等难溶解化物较充分溶 入奥氏体中，淬火后经高温回火，合金碳化物高度弥散析出，共晶碳化物尺寸由原材料的45 μm～65μm降至≤5μm，淬火后获得强韧性高的板条马氏体组织，经高温回火获得细密回火 索氏 体组织，保留板条马氏体方向，显著改善材料显微组织和亚结构与提高马氏体位错密度，其 强化效果在后续淬火得到遗传，又有良好冷切削加工性能，代替锻后球化退火，节电节时， 增加效益，充分挖掘与发挥材料强韧性潜力。

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图1H13电渣钢制齿轮精锻模复合强化处理新工艺


4复合强化处理新工艺

新工艺分析：
(Ⅰ)M/B下分级等温淬火—H13钢经改锻—锻热固溶调质预处理，消除了钢中碳化物偏析， 达 到1～2级，呈细、小、匀分布于钢基体，是理想的最终淬火预处理组织。经试验选用1050± 5℃最终淬火加热温度能确保多种合金碳化物和合金元素溶入奥氏体，奥氏体充分合金化， 获得充分合金化的淬火板条马氏体和少量残余奥氏体组织，残余奥氏体呈薄膜状分布在板条 马氏全之间，具有高的强硬性，淬火加热保温后转入520℃～530℃由50%KNO3+50%NaNO2 硝盐浴 中分级20min～30min，分级可使金属表层与内层温度均匀一致，减少热应力，使组织均匀， 避免 畸变。分级保温后转入55%NaNO3+45%NaNO2硝盐浴中于380℃～390℃等温2h，使高温分 级中的过 冷奥氏体部分转变为强韧性高的B下+M板条+Ar混合组织。分级与等温淬火相结合， 有效降低组织应为与热应力，避免复杂型腔畸变和获得强硬性高的混合组织。
(Ⅱ)多次高温回火——回火温度的选择不应低于服役时的600℃工作温度，此时获得的优良 高温性能，模具才有高寿命。经试验和生产实践表明，选用600℃～620℃×2h×2次高温回 火， 在回火冷却过程中碳化物高度弥散析出，呈细、小、匀、圆弥散分布于钢基体，较大增加钢 的硬度与耐磨性，充分发挥碳化物强化相作用。在高温回火之前进行350℃～360℃×2h预回 火 ，不仅能及时消除部分淬火应力，更主要的是促使基体心部尚未转变的过冷奥氏体继续发生 等温转变为B下组织，避免因直接高温回火转变为脆性较大、性能较差B上组织，试验表 明， 预回火还可提高破断抗力近一倍。二次回火，稳定组织，稳定尺寸，因下工序五元共渗温度 与回火温度接近，起到第三次回火作用，多次充分回火，优化回火温度，获得所需的抗击打 能力强的基体组织性能，直接使用有较寿命，但主要失效形式为型腔热磨损，再进行一次Re -S-O-C-N-B五元共渗可进一步提高齿轮精锻模使用寿命。
(Ⅲ)Re-S-O-C-N-B五元共渗一五元共渗在滴注式气体井式炉中进行，炉压控制在140～150mm H2O柱，共渗剂配方：6g(NH2)CS+600g(NH2)CO+4gH3B2O3+1400mlH2O+45mlHCON H 2+25gREC/3。
实验表明，Re催渗能力分别提高：渗速10%～15%、σ-115%～25%、σb20%～30%和 硬度1HRC～2HRC，为此起 到固溶强化、增加五元共渗层位错密度、改善显微组织与增强渗层与基体结合力。五元共渗 层具有高硬度、抗磨损、抗疲劳、抗粘结、抗擦伤等特性。五元共渗加热时主要化学反应： 
HCONH2NH3+CO；
2NH32［N］+3H2或
HCONH2HCN+H2O；
2HCNH2+［C］+2［N］；
(NH2)COCO+2H2+2［N］；
2COCO2+［C］；
2H3BO3B2O3+3H2O；
B2O3+［N］2［B］+3NO，
(NH2)2CS2［N］+［S］+［C］+2H2；
H2O［O］+H2。
上述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。表层由FeS、Fe3O4和Fe3BO5组成，厚约2～4 μm，质软 ，起固体润滑剂作用，降低摩擦系数；次表层主要由Fe3N、ε相组成，厚约4～7μm，锒坎 着 高硬度弥散“C”、“N”化合物，硬度高达1160HV～1245HV，具有高耐磨性。再往内是扩散 层 ，厚约045～056mm，分布着大量“C”“N”“B”合金化合物弥散颗粒和饱和氮化物等 弥 散强化相与“C”“N”马氏体硬化层，硬度较高(HV955～1125)，耐磨性、抗磨损，化合 物层 、扩散层与基体结合牢固，抗剥落性强，服役时共渗层磨损后，较高硬度基体仍可作工作面 使用，赋予H13电渣钢制齿轮精锻模高寿命。
5结语
H13电渣钢具有纯净度高、杂质少、晶粒细、化学成分均匀、组织致密、锻造性能优良、等 向性能优和组织性能重现性好等特点；在600℃较高温度下抗软化能力强，有较好热强性， 红硬性、抗冷热疲劳性能、耐磨性与综合力学性能。经改锻——锻热固溶调质预处理与优化 热处理工艺，采用M/B下等温淬火与多次高温回火及Re-S-O-C-N-B五元共渗等新工艺综合 治 理，赋予齿轮精锻模具有高硬度、抗磨损、抗疲劳、抗粘结、抗咬合和抗擦伤等使用特性， 而基体具有高强硬性，即使五元渗层被磨损后仍可作工作面使用。试验表明，与原5CrMnMo 电炉钢常规热处理工艺比，使用寿命提高5～8倍，且齿坯表面光洁，质优。推广应用H13电 渣钢制造齿轮精锻模，采用新工艺、新技术，被誉为寿星模，有显著技术经济效益。

参考文献
1 冯晓曾等，模具用钢和热处理机械工业出版社，19847
2 王荣滨模具技术19985