毕业设计（论文）-铜合金压铸模具钢组织性能的研究.doc

摘 要随着现代制造技术的迅速发展，越来越多的零件采用热挤压、精锻、压铸等工艺成形，因此热作模具的重要性日益显著起来。压铸铜合金生产模具上的一些重要零件，在工作时直接接触900左右的高温液体铜合金，工作条件非常恶劣，使用寿命低，热作模具材料的选择成为影响压铸铜合金业发展的主要因素之一。针对目前铜合金压铸模具寿命低，易产生裂纹的问题，本文在铜合金压铸模具钢组织性能方面进行了探讨性研究。在h13钢的基础上，通过对合金化学成分设计、热处理等，研制出一种铜合金压铸模具钢。合金化学成分(wt%):c: 0.360.42 si: 0.250.50 cr: 2.202.70 mo: 2.002.50 mn: 0.901.30 b: 0.0020.006 nb: 0.040.10 v: 0.901.0，该钢在在1150淬火，650回火（保温1.5h）具有微细的显微组织和较高的强韧性配合。其回火组织为细小的屈氏体，上面均匀分布着细小尺寸的碳化物，使该模具钢保持高的强度，同时还具有较好的塑性，符合铜合金压铸模具的要求。本文重点研究了在淬火温度相同时，不同回火温度对钢组织和力学性能的影响。结果显示，新钢种的回火稳定性较好，在650回火硬度仍保持48hrc左右，抗拉强度为1314.5mpa，伸长率16.2%。明显高于h13钢在相同条件下的力学性能。本课题为进一步研究铜合金压铸模具钢提供可行的理论方法。通过调整合金元素含量，优化热处理工艺等来提高模具钢强度、塑性及抗热疲劳性能等，进一步提高铜合金压铸模具的使用性能。关键词：热作模具钢；显微组织；力学性能abstractwith the high-speed development of mechanical industry, more and more parts are processed by hot extrusion、die casting and finish forging, so the hot working dies play an increasingly important role in today. some important parts used in copper alloy die-casting mold production, when working, contact directly with liquid copper alloys about 900 with low life expectancy, the choices of hot pieces of material is one of the main factors impacting on copper alloy die-casting industry develop. considering the problem of low life and easy to crack of copper alloy die-casting mold now, copper alloy die-casting mold steel properties was studied in this paper.a new copper alloy die-casting mold steel was developed through optimization of alloy composition, spheroidisation on the basis of h13. the alloy composition was as follows(wt%): c: 0.360.42, si: 0.250.50, cr: 2.202.70, mo: 2.002.50, mn: 0.901.30, b: 0.0020.006, nb: 0.040.10, v: 0.901.0，fe: remains. the steel in the 1150 quenching, tempering 650(insulation 1.5h) has fine microstructure and higher strength and toughness. the quenching structures of steel consist of troostite and a small amount of carbide.the study was mainly focused on the effect of mechanical property on the same conditions of temperature quenching and different conditions of steel tempering temperature. the results show that the new types of steel tempering stability is better, tempered at 650 hardness 49.5hrc, tensile strength of 1314.5mpa, elongation 16.2%. the mechanical properties of the new steel is obviously higher than the h13 under the same conditions.it provides a possible theory to further research copper alloy die-casting mold steel. by adjusting the content of alloying elements and choosing heat treatment process, we could improve the strength, plastic and thermal fatigue properties of the die steel. it will also greatly enhance copper alloy die-casting mold performance. keywords: hot die steel; microscopic structure; mechanical property ii 目 录摘 要iabstractii第1章 绪论11.1 本课题研究的内容及意义11.2 模具的发展现状21.3 热作模具钢的国内外研究现状及发展31.3.1 国外热作模具钢的研究现状31.3.2 国内热作模具钢的研究现状41.4 铜合金压铸的发展现状51.5 铜合金压铸模具钢的性能要求61.5.1 模具钢的硬度和红硬性61.5.2 模具钢的强韧性61.5.3 模具钢的抗热疲劳性71.5.4 模具钢的耐磨性71.5.5 模具钢的抗氧化性71.5.6 模具钢的淬透性71.6 合金化元素在模具钢中的作用81.6.1 mn元素的作用81.6.2 si元素的作用81.6.3 cr元素的作用91.6.4 mo元素的作用91.6.5 v元素的作用91.6.6 nb元素的作用101.6.7 b元素的作用101.7 本课题研究的主要内容10第2章 实验设备及方法122.1 实验用钢的制备122.1.1 化学成分设计122.1.2 原材料132.1.3实验用钢的熔炼132.1.4 熔炼工艺过程142.2 热处理工艺142.2.1锻造工艺142.2.2 锻材等温退火152.2.3 淬火、回火工艺152.3力学性能测试162.3.1 拉伸性能162.3.2 硬度测量162.4 组织与成分分析16第3章 实验结果及分析173.1 锻件退火后组织分析173.2 淬火、回火后的组织分析183.2.1回火温度对钢组织的影响193.2.2 650的回火组织213.3 力学性能分析223.4 回火温度对硬度的影响23第4章 结论24参 考 文 献25致 谢27 iv沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章 绪论以往铜合金产品的成形方法大多采用离心铸造，该工艺为：离心铸造或外购铜管，经粗车、细车、镗孔、铆接而成。该工艺加工工序多，制造周期长，加工余量大，材料消耗多，材料利用率低（只有20%左右），熔耗大；另外，由于铸造毛坯的力学性能较差，使一些工件达不到设计要求；同时劳动条件和作业环境也比较差。而利用压铸方式成型会大幅度降低成本并且提高生产效率。压铸铜合金生产设备上的一些重要零件，如顶杆、模芯等热作件在工作时直接接触900左右的高温液体铜合金，工作条件非常恶劣，使用寿命低，热作件材料的选择成为影响压铸铜合金业发展的主要因素之一。目前，压铸模具钢常用h13钢，该钢为马氏体型热作模具钢1以cr、mo、v等元素为主要合金化元素，在600以下具有较好的高温强度，但当使用温度超过650时，其高温性能严重下降，不能满足铜合金热作模具的性能要求。为此，我们配制了一种新型的热作模具钢，考虑其压铸模具在生产中出现高成本、低寿命的问题，以提高模具寿命、降低生产成本为出发点展开研究，研究这种钢的室温、高温力学性能及显微织等。1.1 本课题研究的内容及意义为了降低产品生产成本，提高生产效率和产品质量，提高材料利用率，铜合金轴承保持架采用压铸的方法。但由于铜液温度高，且导热性极好好，工件传递给模具的热量大且快，常使模具在极短的时间内升到较高的温度，然后又很快降温，产生很大的热应力，导致压铸模具在高温的工作条件下寿命较低。通过对模具钢组织性能的研究，来提高压铸模具寿命，可以解决模具费用高、损耗速度快等缺点，使其节省成本，顺利投入大批量生产。本次设计以测试分析铜合金压铸模具钢组织性能特点，改善热处理工艺来提高热作模具钢的组织性能，总结出较优质的材料，研制开发具有低成本、低能耗、高寿命的新型铸造热作模具钢，将铜合金以压铸的方式成形，使铜合金压铸得到更广泛的应用。因此，本研究具有重要的理论意义与实用价值。1.2 模具的发展现状模具由于成本高、价格昂贵，素有“黑色黄金”之称，国外将模具比喻为“金钥匙”、“金属加工皇帝”、“进入富裕社会的原动力”。目前，模具技术已经成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志。全世界模具钢市场总量在600-650 亿美元之间波动27。其中日本是模具第一大国，每年超过100亿美元。我国加入wto以后，各行业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质量、样式和外观也不断提出新要求，致使模具需求量增加对模具的质量要求也越来越高。因此，迅速提高模具技术水平已成为当务之急。例如，日本汽车、计算机、电视机、手机等产品的品种、数量、质量在国际市场占有优势地位，其重原因之一就是日本模具技术居于世界领先水平。从资料获悉，目前，美国、日本德国等发达国家的模具总产值都已超过机床总产值。模具技术的进步极大地促进了工业产品的发展，模具是“效益放大器”，用模具生产的最终产品的价值将超过模具自身价格的几十倍乃至上百倍、上千倍。近10年来，我国模具工业一直以每年15%的增长速度快速发展。2005年模具行业的发展迅速，模具销售额610亿元，同比增长25%，排在世界第三位。模具出口大幅增长，表明模具水平和竞争力提高。据海关统计，2005年模具出口7.4亿美元，同比增长50%以上。模具产品结构更趋高档、复杂、精密，长寿的模具寿命份额提高到30%。具体数据如表1-1所示。今后我国的模具工业仍有较大的增长，技术含量高的模具仍为国家发展的重点8。表1-1 1995年以来中国历年模具产值表年份1995199619971998199920002001200220032004产值（亿元）1451602002202502803163604505301.3 热作模具钢的国内外研究现状及发展热作模具钢的发展与工业生产的实际需要是密不可分的，随着新的生产工艺的出现，对热作模具钢提出新的要求。同时，模具因其生产效率高、产品质量好、材料消耗低、生产成本低而获得广泛应用，这是其他加工制造业所无法比拟的。1.3.1 国外热作模具钢的研究现状近年来（特别是2001 年以来），国外很多大钢厂都推出了性能优异的新型热作模具钢种。比如，奥地利百乐钢厂通过合理的成分配比，通过选精料、真空冶炼及重熔、最优化扩散退火、组织处理和特殊退火处理，开发了bohler w400 vmr新型热作模具钢。uddeholm 公司采用新的生产工艺和精炼技术，降低了碳含量和硅含量，增加了钼含量，开发了 dievar 热作模具钢，该钢比 h13 钢具有更加优良的抗热疲劳、抗热冲击和抗热磨损性能，具有更长的使用寿命。法国奥博杜瓦公司在h11的基础上，添加微合金元素ta等开发出 adc3，该钢具有良好的韧性和优异的抗热疲劳性能。德国蒂森把h13钢的钼含量增加了1.7倍（钼含量达到 3wt.%），同时应用微合金技术，推出了gs344m，解决了h13钢高温红硬性差的问题，使得 gs344m 在 650回火时，硬度可以达到hrc47以上。德国还推出了含钼量达到5%和9%的优质模具钢 gs885 和 gs999，具有更高的高温红硬性；同时还推出了含 co 的 gs888 等优质模具钢。日本大同特殊钢有限公司由于在成分设计上取得突破，加上合理的精炼工艺（真空纯净化和高温均匀化），推出了 dh31-s 钢。日本日立金属和高周波公司也推出了含有 co 和 ni 的优质模具钢 dac55 和 amax，使钢在具有较强的高温性能的同时，还具有较高的韧性。表1-2是近年来国外最新推出的热作模具钢化的学成分。表中带*部分钢号的化学成分是由国外钢厂提供试样，通过实验室光谱分析得到的。表1-2 近年来国外最新推出的热作模具钢化学成分9钢号元素含量（wt.%）ccrmowvsi其它w400(奥地利)*dievar（瑞典）*adc3（法国）*gs344m（德国）*gs888（德国）*gs999（德国）*dac55（日本0*dh31-s（日本0*amax（日本）*0.390.390.350.430.20.450.420.410.44.674.805.055.09.53.05.114.95.51.42.41.32.922.05.02.442.23.2-5.5-0.40.50.470.5-1.00.70.510.80.190.240.250.250.250.20.20.20.1-co:10-ni:0.64,co:0.58-ni:0.6,co:0.6附注a：带“*”钢化学成分是国外钢厂提供试样，通过实验光谱分析得到。1.3.2 国内热作模具钢的研究现状hm1(4cr3mo3w2v)钢和hm3(3cr3mo3vnb)钢是结合我国资源条件研制而成的。hm1钢获国家发明奖，在h10（3cr3mo3v）的基础上，增加钨并提高钒含量，在保持较好的强韧性条件下提高其热稳定性（国外加入钴）这两种钢突出的优点是具有很高的室温与高温冲击韧性和优良的抗热疲劳性能，适用于制造高温、高速、高载荷、水冷条件下工作、因断裂或热疲劳失效的热作模具。gr钢（4cr3mo3w4vtinb）含有较高的钨和少量的钛和铌，具有最高的热强性和热稳定性以及良好的热疲劳性，适用于制造温度较高，与工件接触时间长，容易引起热变形塌陷或热磨损失效的模具。tm 钢与 qro90 钢的成分不同之处是加入了 1%的w。y4钢的成分与 qro90 钢的成分不同之处是加入了少量的 nb 和微量的 b对 hd2 钢的研究表明，适当的合金元素配比对改善钢的性能是十分重要的。1%ni 能增加二次硬化峰值的硬度，提高断裂韧性和钢的室温和高温塑性及韧性。表1-3是近年来国内最新推出的热作模具钢化的学成分。表1-3 国产主要热作模具钢化学成分1012钢号元素含量（wt.%）ccrmowvsi其它chdhm1hm3grhdtmy4012a0.250.350.320.420.20.280.370.470.350.450.40.40.470.572.83.32.83.32.63.22.53.52.53.02.82.83.84.31.53.02.53.02.73.22.03.01.82.22.12.12.83.3-1.21.8-3.54.5-1.0-0.30.50.81.20.60.81.01.41.01.41.01.00.91.20.40.20.20.10.270.140.220.40.40.81.1ni,nb,re-0.080.15nb0.10.2nb0.002b1.0mn1.0mn0.30.7al国内在六五、七五期间曾经大力发展模具钢，引进和开发了不少适合国情的新钢种，取得了良好的效果，使用寿命较早期的国产模具钢有明显提高，为中国模具产业的快速发展做出了很大贡献。进入二十一世纪以来，国外模具钢有了突飞猛进的快速发展，很多大钢厂都推出了高寿命优质的新钢种，但是国内模具钢的开发和应用工作几乎处于一种停滞状态。目前，国产新钢种的使用仅占模具钢总产量的2%左右。我国一方面是模具行业产值高速增长，另一方面是国产模具钢所占比重越来越小，这不得不引起国人的深思和警惕，因此，开发具有自主知识产权的优质高寿命热作模具钢具有十分紧迫的重要意义。1.4 铜合金压铸的发展现状目前，就所查到的资料，美国1998年汽车用铜铸件增长7%，近年来,随着科技的飞速发展，铸造业在生产领域中大量采用新技术、新工艺、新设备、新材料，有色合金铸造表现得尤为突出。压铸的发展就是典型代表，无论是设备及控制，还是压铸工艺及压铸合金等各方面都不断取得新进展。随着汽车、摩托车等基础工业的发展，减少本体质量、节约能耗、降低污染等设计要求的实现，大大促进了有色合金铸件, 这不仅因为压铸的效率和出品率非常高，而且还可以最大限度地减少铸件壁厚以减轻铸件质量，减少后续加工量，同时铸件具有较好的表面质量和尺寸精度13 。我国经过建国50年来的发展，特别是改革开放20年来，铸造工业取得了很大的发展，大量引进了新的工艺、新设备，并有外资企业大量进入，带动了我国的铸造企业，使我国进入了世界铸件生产大国的行列，年产铸件超过了1000万。有色合金铸件的发展更快，特别是压铸工业，保持着年增长率8%12%14。年产压铸件30余万，其中铜等占2.2%，铜合金铸件增加了216.7%。2003年,我国铜产量预计可达170万，资源是有保障的。随着房地产的迅猛发展，铜阀门、厨卫五金和装饰件的市场需求日益增多，铜合金压铸件产量也有所增长，但其量甚微。2002铜合金压铸件产量为5280，仅占压铸件总产量的0.84%。这主要由于铜合金压铸的模具寿命问题尚未根本突破，从而制约了铜合金压铸件生产的发展15。1.5 铜合金压铸模具钢的性能要求1.5.1 模具钢的硬度和红硬性硬度是模具钢的重要性能指标。模具在工作中应能在压应力的作用下，保持其形状和尺寸不会迅速发生变化。因此，经过热处理后的模具应具有足够高的硬度，热作模具硬度一般在hrc4250范围内。红硬性与热稳定性是指模具在受热或高温工作条件下，能够保持组织和性能稳定，具有抗软化的能力，在500600条件下，仍保持足够高的硬度。钢的红硬性和热稳定性主要取决于钢的化学成分和热处理制度，它是热作模具钢的重要性能指标之一。1.5.2 模具钢的强韧性模具在工作中承受较大负荷以及冲击、震动、扭转、弯曲和剪切等复杂应力，重负荷的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具边缘或局部断裂而提前损坏。因此，使模具钢保持足够的强度和韧性有利于延长模具寿命。但是，钢的晶粒度和钢中碳化物的数量、大小及分布情况以及残余奥氏体量等，均对钢的强度和韧性有很大的影响。例如，随着钢中晶粒的长大和碳化物分布不均匀度的增加，钢的强度下降，而对韧性影响则更为明显。实践表明，根据使用条件和性能要求，合理地选择模具钢的化学成分、组织状态及热处理工艺能够得到足够高的强度和韧性的最佳配合。1.5.3 模具钢的抗热疲劳性热作模具在服役过程中频繁地被加热和冷却，模腔表面由于反复急冷急热产生交变热应力作用，极易发生热疲劳破坏。据统计，有60%70%的铝合金压铸模和95%以上的铜合金压铸模具都因热疲劳开裂失效16。大量资料表明，热疲劳是热作模具的主要失效形式之一和寿命限制因素1722。因此，热作模具钢必须具有好的抗热疲劳性。1.5.4 模具钢的耐磨性热作模具型腔表面由于热金属运动会产生高温氧化磨损现象。由于高温下，空气中的氧会与金属和润滑剂中某些成分生成氧化物，破坏润滑剂的作用，从而使模具与压铸件和氧化物直接接触，加速模具磨损。模具的磨损一是空气中的氧引起的氧化磨损；二是严重的氧化磨损导致的粘着磨损。1.5.5 模具钢的抗氧化性热作摸具钢在使用中常常在氧化气氛中加热，表面容易发生氧化。当模具发生氧化时，使用中易产生早期疲劳裂纹。另外，氧化膜脱落不仅会使模具型腔尺寸变小，而且脱落的氧化物还会引起磨粒磨损，造成模具的早期磨损，加速模具失效，降低热作模具的使用寿命。因此，抗氧化性能是热作模具钢非常重要的性能。1.5.6 模具钢的淬透性模具用钢优良的淬透性是保证模具淬火后获得整体均匀高强度马氏体组织的有效保证，对大型模具的淬透性要求更加严格。铜合金压铸模具钢必须满足以上性能要求，在具体选择铜合金压铸热作模具材料时，必须对其工作特性及性能要求有所了解，如模腔表面温度的高低，工作时模具承载和加载速度的大小及模具的冷却方式等。钢中的碳及合金元素对热疲劳性能的影响取决于其含量及存在状态。合金元素与碳形成碳化物的类型、尺寸、形状、数量和热稳定性与热疲劳抗力密切相关。v的碳、氮化物不仅可以在高温起到弥散强化的作用，而且可以改变蠕变变形机制，使其由沿穿晶位错滑移变为沿晶界滑移。弹簧钢中加入ni可以提高其抗腐蚀疲劳性能，低碳低硫可以提高其韧性，而加入v可以提高其断裂强度23 ，稀土y可改善铸造热作模具钢的抗氧化性能24。加入稀土元素后，这些稀土元素在合金表面形成稀土氧化物（y2o3 和 ce2o3 等）质点可作为 cr2o3膜的形核核心，促进保护膜的形成。1.6 合金化元素在模具钢中的作用1.6.1 mn元素的作用几乎所有商业用钢都含一定数量的mn。钢中含有mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。同时它与s有较大的亲合力,可以避免在晶界上形成低熔点的硫化物fes，而以具有一定塑性的mns存在,从而消除硫的有害影响,改善钢的热加工性能25。在美国热作模具钢中h2126和h4143的含锰量均在(0.150.40)%范围内，h10h 19的含锰量高于该范围。mn具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅，但其对钢的延展性几乎没有影响。在铁素体-珠光体型钢中mn是唯一可使屈服强度增加又使冷脆转变温度变化最小的合金元素。锰是弱碳化物形成元素，它可溶入渗碳体中形成合金渗碳体(fe，mn)3c，其形成可降低系统的自由能，即趋于更稳定状态（注意fe3c中的fe可全部为mn所取代，而cr只可在fe3c中固溶18%20%(原子分数)）。锰溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈减低钢的ms点。mn加入钢中使ac1、ac3、ar1和ar3降低，这与细化铁素体和珠光体相联系，又会减薄碳化物片, 对f-p型钢的强化起积极作用。1.6.2 si元素的作用 硅是一个对铁素体进行置换固溶强化非常有效的元素，仅次于磷，但同时在一定程度上降低钢的韧度和塑性。一般都将si限制在钢脱氧需要的范围内。si也为提高回火抗力的有效元素。si降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。另外，si虽然不推迟碳化物的生成，但它可固溶于碳化物，并提高其稳定性，延迟转变。第一类回火脆性与转变和沿马氏体条间界分布形成连续薄膜有关，延迟转变便意味着提高第一类回火脆性发生温度或提高回火温度-硬度曲线，可使回火马氏体的碳化物与基体保持共格和均均匀分布，使回火马氏体保持有良好的强韧性配合。1.6.3 cr元素的作用铬是合金工具钢中最普遍含有的和价廉的合金元素。在美国h型热作模具钢中含cr量在2%12%范围。在我国合金工具钢（gb/t1299）的37个钢号中，除8crsi和9mn2v外都含有cr。铬对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能，在h13钢中含cr和si会使氧化膜致密来提高钢的抗氧化性。工具钢中的铬一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与碳结合，按含铬量高低以(fecr)3c、(fecr)7c3和m23c6形式存在，从而来影响钢的性能。铬溶入钢奥氏体中增加钢的淬透性，crmnmosini都与cr一样是增加钢淬透性的合金元素。1.6.4 mo元素的作用mo溶于fe中也具固溶强化的作用，mo溶解于奥氏体中能提高钢的淬透性。mo是作为使钢具有二次硬化的主要合金元素加入的，现在普遍认为，这是由于在回火时马氏体中析出mo2c造成。为了产生二次硬化效应，要求mo的加入量不低于1.0%，加入3%mo时可取得接近极值的效果。当加入量为2.0%2.5%时，可获得最合经济和有效的效果26。mo会提高钢的脱碳氧化敏感性，一般认为含3%mo是使钢发生脱碳敏感的临界加入量。mo还可以降低回火脆性的敏感性。1.6.5 v元素的作用v是置换固溶强化铁素体和形成奥氏体圈的元素。它和c，n的亲和力强。人们已知过渡族金属与c的亲和力因为其d电子壳层电子未填满，碳原子将其价电子填入过渡族金属d电子壳层。对vc，rc/rm =0.57（0.59），形成间隙相化合物，具有fcc点阵结构，但在点阵的正八面体间隙并不都有碳原子，即存在碳原子缺位，这样，碳化钒并不严格按化学式，一般表示为v4c3（vc0.980.75），所以其点阵常数和硬度在一定范围内变化。vc的g298o为83.7kjmol27，熔点为2830，硬度为2400hv，其残留在钢内将有利于耐磨性提高。其全部溶于a的温度为1413。v在工具钢中的主要作用是细化钢的晶粒和组织，增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应。一般介绍，v加入0.05%可细化晶粒，随加入量增加，细化效果加强。因为既使温度趋近700 ，v的碳化物稳定性仍高，仍能保持细小，所以v是有效阻止a晶粒粗化的元素，也是在高温下服役的钢的重要合金化元素。1.6.6 nb元素的作用微量的nb可增加mc碳化物的数量，减少m23c6数量，使碳化物平均尺寸减少；还可以提高mc的溶解温度，有助于钢在淬火时可以保留更多的mc碳化物，从而稳定奥氏体晶粒不至于显著长大。钢中加入微量nb ,提高了m6c和mc型碳化物的稳定性，细化了晶粒，降低了过热敏感性。nb不仅能细化奥氏体晶粒，而且还能使回火后的组织相对细小，同时也改变了碳化物的颗粒度和分布情况，使碳化物分布更加均匀弥散。1.6.7 b元素的作用微量的b可以具有提高模具钢的淬透性、高温强度、强化晶界的作用。钢中添加硼能显著节省镍、铬、钼等昂贵的合金元素，有可观的经济效益。硼的主要优点是在保证模具钢有所需高的淬透性和力学性能的同时，降低模具钢的成本。1.7 本课题研究的主要内容由于铜合金压铸热作模具的复杂工况和特殊的失效形式，热作模具钢不仅要具有较高的淬透性、强韧性、红硬性和热稳定性，还要具有较好的抗热疲劳性能和热磨损性能。但目前应用的商业化热作模具钢并不能完全满足上述的性能要求。3cr2w8v钢虽然具有较高的热强性，使用温度可以达到650，但是w系模具钢导热性和抗热疲劳性能差，塑、韧性低，容易发生早期断裂失效。以铬含量为 5wt%的h13为代表的h系列热作模具钢具有良好的淬透性和抗热疲劳性及较高的韧性，但h13钢在600以上的热强性欠佳，不适合压铸高熔点合金。综上所述，本课题通过合金成分设计、球化处理及强韧性热处理等手段控制钢的组织结构，尽量获得对钢的强韧性有利的组织结构，使这种钢具有高淬透性、强韧性和抗氧化性的良好配合，来提高其抗热疲劳性能，使其使用寿命与进口优质模具钢相当，达到铜合金压铸模具使用性能的要求。本课题重点研究热处理工艺对铸造热作模具钢微观组织、力学性能及夹杂物的影响，并分析影响规律和作用机制。并将其组织性能与h13进行对比，优化出具有较佳性能的微量元素化学成分。为进一步研究铜合金压铸模具钢提供理论基础。第2章 实验设备及方法2.1 实验用钢的制备2.1.1 化学成分设计化学成分设计主要考虑在保持h13钢特点的基础上，尽量提高模具钢的热强性、热稳定性等优良特点。一般情况下，cr元素易形成富cr的m23c6型碳化物，这种碳化物较为粗大，易降低材料的塑、韧性。 因此，在保证强度的前提下,可以适当降低cr含量，同时以b来提高因减少cr含量而降低的淬透性和高温强度。研究发现，mo含量的提高可以增加m2c碳化物的形成驱动力，延缓mc和m2c向m23c6转变26，经高温回火析出m2c型碳化物产生二次硬化,可有效改善钢的高温性能。另外由于nb的mc型碳化物更为稳定细小，因而有助于在提高奥氏体化温度时阻止奥氏体晶粒长大。较高的奥氏体化温度可以将许多粗大的碳化物充分溶解，使马氏体中碳和合金元素含量增加，提高淬火后的硬度；同时淬火温度提高还有助于回火时弥散碳化物的析出，增加二次硬化效果，进一步提高强韧性，也可提高回火稳定性和热疲劳抗力。新设计钢种与h13钢的化学成分比较如表2-1所示。表2-1 新钢种与h13钢的成分/wt%化学元素h13新钢种c0.320.450.360.42si0.801.200.250.50mn0.20.500.901.30cr4.755.502.202.70mo1.101.7502.002.50v0.801.200.901.30b0.0020.006nb0.040.10s、p0.030s0.010， p0.0302.1.2 原材料试验用原材料如表2-2所示。表2-2 原材料化学成分原料名称化 学 成 分 /wt.% csicrmomnbnbvh13钢45#钢钼铁铌铁硼铁锰0.400.451.05.01.4055.00.4099.019.060.01.02.1.3实验用钢的熔炼本实验用钢为自行配制的铜合金压铸热作模具钢。其化学成分如表2-3所示。表2-3热作模具钢化学成分/wt.% csicrmomnbnbv0.410.42.62.21.20.0040.091钢的熔炼在沈阳工业大学铸造实验室。熔炼设备为沈阳铸造研究所生产的gw系列中频感应炉，型号为kgps-100kw，如图2-1、图2-2。该晶闸管中频电源是一种将50赫兹工频交流电变为频率高于工频，低于10000赫兹中频交流电的静止式变频装置，它可为无心感应炉供电。用于金属的透热、淬火、钎焊等各种感应加热或者涂敷、清洗等需要低温的场合。本实验室主要用其进行熔炼金属。 图2-1 中频感应电源 图2-2 合金熔炼炉2.1.4 熔炼工艺过程（1）根据配料预算每一种合金元素的烧损量及所应补加的量。（2）装料：检查准备石墨坩埚，先在炉底放入适当的小块炉料，然后在放大块的炉料，直到放满。在装料时炉子底部要密实，上部要松散，以防损坏炉衬。（3）熔化：先送电通水，注意冷却水的温度不应超过45，加料时要防止钢水飞溅，往钢水中加的炉料要预热。（4）造渣：在第一批炉料全熔后可视具体情况和要求及时造渣，以便将钢水覆盖，严防钢水吸气和氧化。本实验炉为碱性炉衬，用石灰和萤石混配成溶剂造渣。（5）精炼及脱氧：当钢液温度达到1600左右时，放入铝，对钢液进行脱氧处理。铝的质量不能超过钢水质量的0.15%。（6）出钢：当炉内温度适合，成分合格，脱氧情况正常，方能决定出钢。（7）出钢后要及时检查炉衬浸蚀情况，当确认无问题时方可继续使用。 2.2 热处理工艺 2.2.1锻造工艺 锻造设备采用h61-500型金属液压机。主要性能及工艺参数：公称压力：05000kn；主活塞最大空载下行速度：120mm/s；滑块压制速度：516mm/s；顶出力范围：01000kn；压力范围：026mpa；将试块放入高温箱试炉内，随炉升温，加热速度1000/1.5h，加热温度到1150保温10分钟，方可出炉。始锻温度1130，终锻温度大于900， 砂缓冷。2.2.2 锻材等温退火图2-3 锻件的等温退火工艺将锻后试块加热温度850，保温时间2小时，炉冷，等温温度680，保温时间4小时，缓冷。 2.2.3 淬火、回火工艺本文拟定用箱式炉加热温度500保温2h后，升温到1150，用油淬火。然后在630、650、680下回火，回火时间为1.5 h。回火后的试块加工成力学性能测试试样后，再磨削加工至规定尺寸。准备进行力学性能测试。 2.3力学性能测试2.3.1 拉伸性能在经过淬火、回火后的不同试块的相同位置加工成所需试样。采用机械工业部长春实验机研究所生产的css-55100型电子万能试验机进行拉伸试验，拉伸速率为0.3mm/s。试验中所用试样如图2-4所示。图2-4 标准拉伸试样简图2.3.2 硬度测量采用 hrc150 型洛氏硬度计进行硬度测试，为了防止脱碳层的影响，将热处理后的试样在平面磨床上磨去 1mm 以上，在试样上测 5 个点硬度，取平均值。2.4 组织与成分分析选取具有典型力学性能的试片制备金相试样，并用xjl02型立式金相显微镜、日本岛津公司产的hitachis-3400n scanning electron microscope扫描电子显微镜(sem)进行试样组织形貌观察、能谱分析。扫描电镜试样的制备：在拉伸试片上截取高10mm左右的试样，经研磨抛光后用2%的硝酸酒精腐蚀35s，并用酒精冲洗干净。第3章 实验结果及分析3.1 锻件退火后组织分析该钢铸态组织是通过中频电炉冶炼而成的，该模具钢由于合金元素含量较高，在凝固时选择结晶，高熔点的碳化物先形核结晶，形成碳与合金元素的富集区，因此，该钢原始组织碳化物分布不均匀，大小不一，形态多样，有大量的偏析存在，在晶界附近，特别是在晶界的交接处有碳化物和夹杂物偏聚，同时铸锭本身在凝固过程中存在着非平衡凝固的粗大结晶组织。，这种铸态组织既不利于强度的提高也不利于韧性的改善，而且在随后的使用过程中会成为制约模具寿命的关键因素。因此，需要对铸钢件进行锻造来改善其组织。如图3-1为该模具钢锻后退火的微观组织。 图3-1 试样锻后退火的显微组织（sem扫描）从中可以看出（图3-1），该模具钢经过锻造退火工艺后，仍存在部分成分偏析，晶界处仍然有较多的块状铁素体与网状碳化物，且晶粒比较粗大。这主要是因为，成分偏析只能通过扩散来加以改善，虽然碳原子半径比较小，容易扩散，该钢中含量较高的mo、nb、v等碳化物形成元素，原子半径较大，扩散速度慢，特别是当扩散距离较长，偏聚物比较大时，需在高温下长时间加热才能达到改善偏析的目的；而且mo、nb、v都是强碳化物生成元素，并且这些合金碳化物具有很强的稳定性，在退火工艺较低的加热温度下，这些合金碳化物是无法消除的，所以严重的成分偏析和沿晶碳化物链仍然存在。从图3-2中可以看出，对试样晶界处的成分扫描，该处含有cr、mn、v、mo合金元素，其中含mo最多，可以判断mo在此处形成强化相，该强化相聚集在晶界处，使钢在晶界处与断裂，这对钢的组织性能产生很不利的影响。说明经过退火后成分偏析依然存在。图3-2 试样点成分分析3.2 淬火、回火后的组织分析 选择淬火温度原则是，使钢具有良好的淬火组织，同时保持细小的晶粒，以保证回火后获得良好的性能27。对于该模具钢来说，因含有较多的碳化物形成元素mo、cr、v、nb，这些元素形成的碳化物在加热过程中溶解的程度不同，将对模具的硬度、耐磨性、热硬性、热稳定性和抗热疲劳性能影响极大。若淬火温度低，碳化物没有充分溶解，淬火后的硬度不高。随着淬火温度的升高，淬火后硬度有所增高。从提高合金元素在奥氏体中的溶解度，以保证淬火时获得较高的淬透性，回火时有良好的回火稳定性及回火后具有良好的综合性能的角度出发，提高淬火温度是有利的。但淬火温度过高，会造成ms点升高，淬火后残余奥氏体量增加，马氏体也变得粗大，使塑性、韧性下降。根据不同的材料，不同的性能要求，选用不同的淬火与回火工艺是十分必要的，在这方面前期的模具工作者已经作了不少工作可供我们参考。奥氏体化温度不同，碳化物溶解的数量和类型也不同。当奥氏体化温度为 1000时，富铬的碳化物 m23c6和 m7c3已基本溶解，而温度提高到 1150时，富mo的碳化物才大体上溶解，vc在1150以上仍然没有完全分解。回火时特殊碳化物的析出温度随合金的种类、含量而异。这种碳化物在钢中呈细小弥散分布，它的粒度比针状钼的碳化物 m2c 还要细小的多，而且具有最好的动力学高温稳定性，对抗回火稳定性有最好的作用。 3.2.1回火温度对钢组织的影响该模具钢淬火组织主要是马氏体和残余奥氏体。马氏体和残余奥氏体在室温下都处于亚稳定状态，马氏体处于含碳过饱和状态，残余奥氏体处于过冷状态，它们都趋于向铁素体加碳化物的稳定状态转化。但这种转化需要一定的热力学和动力学条件（温度和时间），因此，淬火钢件必须立即回火，以消除或减少火所产生的内应力，防止变形或开裂，并获得稳定的组织和需要的性能。为了使残余奥氏体充分转变为回火马氏体，并消除应力，以提高模具的使用寿命。另外，硬度和韧性的综合协调是淬、回火钢热处理的主要目的。 图3-3是该模具钢在经过1150淬火，然后在不同温度回火后的组织。从图中的组织可以看出，该模具钢在630到 680之间回火时，随着回火温度的升高，淬火态板条状马氏体的组织特征逐渐减弱，但在很大程度上仍然保持着淬火马氏体的位向和板条形状。这是由于随着碳化物在低碳板条马氏体中形成，小角度板条界面的消除，单位体积马氏体板条界面面积迅速减少28。剩下的大角度板条界面被早期形成的碳化物钉扎住，因此，淬火马氏体的板条形态，尽管发生了粗化，仍可稳定存在到相当高的回火温度。根据该模具钢在不同回火温度范围发生的组织转变，可将整个回火过程分为以下三个有区别而又互相重叠的阶段：（1）马氏体的分解，即马氏体基体过饱的固溶碳析出，形成碳化物的沉淀析出（2）残余奥氏体的分解（3）碳化物的粗化和球化以及等轴铁素体晶粒的形成。630回火650回火680回火图3-3 不同回火温度对微观组织的影响3.2.2 650的回火组织如图3-4是该模具钢经过1150淬火（油淬）+650回火后的组织。该模具钢回火后的组织为板条状马氏体，上面分布着未溶的点状碳化物。可以看到组织中析出的大量的细小弥散相，这些碳化物中的一部分是从母体中析出的二次碳化物（淬火过程中固溶进去的），另一部分是淬火时未固溶的残余下来的一次碳化物，这些析出相具有较高的热稳定性，有利于提高材料的高温强韧性。speich等对fe10ni系合金钢中的合金元素co、ni、mo、cr的作用和二次硬化反应的析出行为进行了较细致的工作29，实验证明，通过控制钢的组分、时效温度可使其具有较高的韧度，明确指出材料在热处理过程中微结构表现为渗碳体转化成细小弥散的合金碳化物相而达到高强韧度。图3-4 1150淬火+650回火后的微观组织正是由于在回火马氏体基体上弥散析出的大量细小尺寸碳化物，才使该钢在回火后保持高的强度的同时具有较好的韧性，增强了该钢的热疲劳抗回火温度，当温度达到650时，碳化物聚集长大，部分基体开始发生马氏体回复、再结晶，形成铁素体晶粒，随着回火温度的提高，铁素体颗粒逐渐的长大，向等轴状方向发展，其内部也比较“干净”，说明位错密度已大大降低；同时，析出的点状碳化物颗粒由小变大，由沿晶界分布的线状变成了单个孤立的大颗粒，相邻马氏体板条合并成宽板条形状，回火组织转为回火屈氏体。马氏体板条的合并和等轴晶的出现主要是由于碳化物颗粒。图3-5 回火后成分分析图3-5说明回火后合金元素均匀分布到基体内。在这种温度下回火后，可使合金元素所形成的强化相均匀分布在机体内，而且可获得细小均匀的球状碳化物，该组织基体具有较高的强度和硬度等综合性能。3.3 力学性能分析退火态及淬、回火态的室温