65Nb基体钢的锻热淬火复合强韧性处理工艺

65Nb钢是基体钢类型的高强韧性冷作模具钢，是由M2高速钢演变过来，加入合金元素Nb的作用，能形成稳定的合金碳化物(NbC)。与不含铌的钢比较，冲击韧性约提高一倍，抗弯强度提高25~30%，断裂韧性提高20~25%，扭转强度提高10~15％。Nb与N有极强的亲和力，进行氮化可形成极稳定的氮化物，使冲头的耐磨性、抗疲劳性能大为提高。铌能改善冷、热加工性能，降低锻造变形抗力，碳化物易球化，促使热处理工艺温度变宽。65Nb基体钢有多种合金元素，形成多种合金碳化物，其固溶温度各不相同。VC在1000℃开始熔入奥氏体。(Fe，W) 2C6在900℃全部溶入奥氏体。(Fe，W)2-3C在1100℃熔入奥氏体。当65Nb钢加热到正常淬火温度时，奥氏体成分为~0.5%C、~4%Cr、~1%W、~1%Mo、~1%V。

冲头的种类规格多，品种复杂。主要有十字槽冲头、冲孔冲头、内六角冲头、外六角冲头以及各种冲芯等。制造冲头的常用材料有T10A、60Si2Mn、9SiCr、GCrl5、CrWMn、Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV、W6Mo5Cr4V2，W18Cr4V以及65Nb等新钢种。

冲头在模具中是关键部件，随着压力机的发展和高速多工位自动冷镦机的普及使用，冲头的服投条件越来越恶劣。它承受小能量多次冲击频率高达400~500次/分。还承受很大的挤压力，弯曲力，扭转力、冲击力和强烈的磨擦力作用。冲头的主要失效形式有头部断裂、纵向开裂、疲劳崩裂、折断、揭盖、掉块、剥落、镦粗变形，磨损超差等。依据服役条件，冲头应具有高硬度和耐磨性，高强度和刚性，高抗疲劳性能和强韧性，以及良好的冷、热加工性能。对多种钢材制造的冲头在生产实践中比较之后，发现65Nb钢最适宜制造要求强韧性高的高速冲模冲头。经锻热淬火复合强韧化处理后的冲头，能用于承受单位压力为2450MPa高负荷、高强度冲裁材料。如加工40Cr、35、40、30Cr、35Cr等中碳钢或中碳合金钢仍能达到高寿命。用其它钢材制作并采用常规处理冲头的寿命很低，早期失效严重。

65Nb钢原材料的碳化物偏析较高，有组织疏松、氧化物、硫化物等冶金缺陷。未经改锻的65Nb钢原材料，经淬火后组织依然疏松。为了改善冶金质量、消除冶金缺陷，提高钢材性能，必须对原材料进行改锻，击碎和细化原有带状、网状及粗大块状碳化物，使之重新均匀分布于钢基体。65Nb钢变形抗力大、导热性差，锻造时应缓慢加热、均匀预热、充分透烧。该钢经双十字形反复锻造、四镦四拨，使合金碳化物呈细小均匀分布，达到1~1.5级，作为最终淬火前的预处理组织。钢中非金属夹杂物等冶金缺陷起着切割基体的作用。在热处理和受力过程中，晶粒界面上将产生残余热应力、组织应力、弹性应力，并使应力集中而成为裂纹源。用改锻使碳化物细化至≤1.5级，是理想的最终淬火前的预处理组织。锻造成形最后一火，用终锻余热淬火，使形变强化和相变强化。由热压力与热处理相结合，给金属引进大量位错，使形变产生的晶格缺陷被淬火急冷固定下来， 固而位错密度很大，淬火组织也致密。锻热淬火与普通淬火相比，抗拉强度可提高10~12%，冲击韧性提高20~25%。提高了冲头强韧性，同时经高温回火后有良好的切削加工性能。由于取代了球化退火，因而简化了工艺，节约能源，提高工效、降低成本而经济效益显著。

冲头毛坯经双十字形四镦四拨之后进行精密模锻，用终锻900~950℃余热在5~10秒之内迅速油淬以获得板条马氏体组织。经高温回火后，获得具有板条方向的索氏体组轵。这是理想的预处理组织，又有良好的切削加工性能。

根据测试65Nb钢经锻热调质后不同温度加热淬火、回火后的主要力学性能实验数据可知，65Nb钢在1120℃淬火比1090℃和1150℃有较高的综合力学性能。因1120℃高温固溶短时加热，有较多的过剩碳化物。如VC、NbC等台盒碳化物固定了钢中一部分碳，降低了奥氏体中碳含量。淬火后获得韧性较高的板条马氏体＋下贝氏体＋残余奥氏体。经高温回火后的强韧性进一步提高，残余奥氏体转变成马氏体，发生二次硬化效应，基体硬度提高1~2HRC，此时冲头的主要失效形式是磨损和疲劳损坏。为了进一步提高65Nb钢冲头的耐磨性和抗疲劳性能，进行S-C-N三元共渗，共渗温度560~580℃，4~5小时，共渗剂为J-1三元共渗基盐。共渗后基体硬度57~59HRC，表面硬度950~1000HV，使65Nb钢冲头具有内韧外硬的性能，基体强韧性高，表面抗磨损、抗擦伤、抗咬合、抗疲劳等特性，比常规钢材传统热处理冲头的使用寿命高3~10倍。

锻热淬火复合强韧性处理工艺具有以下特点：
⒈锻热调质处理组织既是理想的淬火预处理组织，又有良好的切削加工性能，同时可以节电省时，提高功效，降低成本；
⒉高温奥氏体化等温淬火获得强韧性高的板条马氏体和下贝氏体组织，至关重要的寿命指标之一的断裂韧性(Kic值)有较大提高，有良好的综合力学性能。
⒊S-C-N三元共渗，不仅提高了冲头硬度、耐磨性、抗擦伤、抗咬合、抗疲劳等性能，同时起二次回火的作用，增强了基体强韧性。
⒋新工艺不仅广泛适用干承受小能量多次冲击力作用的普通冲头，且适用于承受单位压力1960～2450MPa高负荷，高强度冲裁材料。

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资料来源：东莞市弘超模具科技有限公司

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