（材料学专业论文）sn、sb复合处理方法在汽车覆盖件模具用球墨铸铁中的应用.pdf

s n 、s b 复合处理方法在汽车覆盖件模具用球墨铸铁 中的应用 材料学专业 研究生孙立喜指导教师刘晓烈 摘要 覆盖件的制造是汽车车身制造的关键环节。而覆盖件模具又以其大型、复 杂、精密等特点而成为模具中举足轻重的部位。过去，中大型薄钢板冲压件模 具大多用锻造合金模具钢组合制作，原材料价格高、工序复杂、制造周期长、 加工费用高、组合安装精度低，使模具制作成本居高不下，冲压件精度下降。 铜、钼、镍合金铸铁由于合金元素含量大，价格昂贵，也造成模具成本过高。 本研究目的在于开发汽车覆盖件用新型高性能球墨铸铁模具材料，以降低 成本，替代锻造合金钢及其它高合金铸铁等模具材料。本试验在普通的干砂型 条件下，采取和孕育剂一起加入的方式，向普通球墨铸铁中加入微量s n 、s b 合金元素的方法制备了高强度球墨铸铁。 本试验选取的主要成分范围为c ：3 7 ，s i ：2 3 ，m n ：0 5 5 ，s n ： 0 0 3 o 0 9 ，s b ：0 0 0 4 - 4 ) 0 1 2 。铁液采用无芯中频感应电炉熔炼，采用光 学高温计测温。铁液由电炉熔化后倒入经过烘干预热的浇包中，采用冲入法在 浇包内进行球化和孕育处理。浇注成型后的试样经过4 0 分钟左右开型，然后空 冷至室温。 通过多组试验，分析了s n 、s b 合金含量对球墨铸铁组织和性能的影响规 律。通过微观分析，探讨了s n 、s b 元素对基体的强化机理和对石墨形态的影 响规律。s n 、s b 能够明显促进珠光体的形成，细化珠光体的片间距，同时增加 西华大学硕士学位论文 石墨球数，提高球化率，从而提高球墨铸铁的机械性能和耐磨性能。其中s n 含量为0 0 3 ，s b 含量为o 0 1 2 的试样抗拉强度达到8 0 5u p a ，硬度达到 2 9 0 h b ，伸长率为4 6 ，冲击韧性为3 2 j e m 2 。磨损量只有普通球铁的1 8 ， 含c u ( o 5 ) 球铁的2 7 ，其性能完全可以满足汽车覆盖件模具对材质的要 求。 关键词：s n 、s b 合金球墨铸铁珠光体汽车覆盖件模具机械性能耐磨性 能 两华大学硕十学位论文 a p p l i c a t i o no fc o m p o u n d t r e a t m e n ti nd u c t i l ec a s t i r o nf o ra u t o m o b i l ep a n e ld i e s m a t e r i a l ss c i e n c e p o s t g r a d u a t e ：s u nl i x is u p e r v i s o r ：l i ux i a o l i e a b s t r a c t p a n e lm a n u f a c t u r i n gi st h ek e yt oa u t o m o b i l eb o d ym a n u f a c t u r i n g p a n e ld i e s o c c u p yad e c i s i v ep o s i t i o no w i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c so fl a r g es c a l e ，c o m p l e x i t y , p r e c i s i o na n ds oo n l a r g e - s c a l ep u n c h i n gd i ei sg e n e r a l l ya s s e m b l e db yf o r g i n g m o u l ds t e e la l l o yf o r m e r l y i tl e a d st ot h eh i g hp r i c ea n dl o wp r e c i s i o no fd i e b e c a u s eo fh i g hc o s t ，c o m p l i c a t e dw o r k i n gp r o c e d u r e ，l o n gm a n u f a c t u r ec y c l e t h e s ea l l o yc a s ti r o nc o n t a i n i n gc u ，m oa n dn il e a dt oh i g hd i ec o s tb e c a u s eo fh i g h c o n t e n ta l l o ye l e m e n t s t h ep u r p o s eo ft h i ss t u d yi st od e v e l o pan e wt y p eh i g hp e r f o r m a n c ed u c t i l ec a s t i r o nd i em a t e r i a l ，t or e d u c ec o s t sa n ds i m p l i f yt h ep r o c e s s ，s u b s t i t u t ef o r g e da l l o y s t e e la n do t h e rh i g h a l l o yc a s ti r o nd i em a t e r i a l s ah i g hs t r e n g t hd u c t i l ec a s ti r o n h a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e db ya d d i n gt r a c ea m o u n to fs na n ds bt ou n a l l o y d u c t i l ec a s ti r o nw i t hi n o c u l a n ti ns i t u m i o n o fo r d i n a r yd r ys a n dm o l d t h er a n g eo fm a j o rc o m p o n e n t sa r ec ：3 7 ，s i ：2 3 ，m n ：0 5 5 ，s n ： 0 0 3 o 0 9 s b ：0 0 0 4 - - 0 0 1 2 l i q u i di r o na r em e l t e db yc o r e l e s sm e d i u m f r e q u e n c yi n d u c t i o nf u r n a c e ，m e a s u r e dt e m p e t u r eb yo p t i c a lp y r o m e t e r l i q u i di r o n a r ep o u r e di n t ot h eo v e n d r i e dc a s t i n gl a d l ew h i c hh a sb e e np r e h e m e d t h er e a c t i o n o fs p h e r o i d i s i n ga n di n o c u l a t i o na r ei nt h ec a s t i n gl a d l e k n o c k o u ti so p e r a t e da b o u t 4 0m i n u t e sa f t e rm o u l d i n gb yc a s t i n g ，t h e na i rc o o l e dt or o o mt e m p e r a t u r e t h ee f f e c to ft h et r a c ee l e m e n t ss na n ds bo nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f 1 1 i 两华大学硕士学位论文 d u c t i l ec a s ti r o nw a sa n a l y z e dt h r o u g hm u l t ig r o u pt e s t s t h e s t r e n g t h e n i n g m e c h a n i s mo fs na n ds bo nm a t r i xw a ss t u d i e d t h ee f f e c to fs na n ds bo ng r a p h i t e m o r p h o l o g yw a sd i s c u s s e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es na n ds be l e m e n t sn o t o n l yi n c r e a s et h ep e a r l i t ec o n t e n tb u ta l s od e c r e a s ep e a r l i t el a m e l l a rd i s t a n c e ，a n d m a k et h eg r a p h i t es p h e r o i ds m a l l e ra n dr o u n d e r s os na n ds bc a ni n c r e a s et h e m e c h a n i c a la n dw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e s w h e ns na n ds bc o n t e n ta r eo 0 3 a n d 0 012 ，t h ev a r i o u sm e c h a n i c a lp r o p e r t i e si sa sf o l l o w s ：t e n s i l es t r e n g t hi s8 0 5 m p a , h a r d n e s si s2 9 0 h b p e r c e n t a g ee l o n g a t i o ni s4 6 a n di m p a c tt o u g h n e s si s3 2 j c m 2 m i s sl o s si so n l y18 o f u n a l l o yd u n t i l ec a s ti r o na n d2 7 o fc ua l l o yd u c t i l ec a s t i r o n i tc a l lf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n to fa u t o m o b i l ep a n e lo nd i e b u ti fs na n ds b a r ea d d e de x c e s s i v e l y ，d i s t o r t i o n a lg r a p h i t ew i l lb eo b s e r v e di nm a t r i xw h i c hw i l l i m p a c to nt h et h em e c h a n i c a la n dw e a rr e s i s t a n c ep r o p e r t i e s ，h o w e v e r , t h en e g a t i v e e f f e c t sc a nb ee l i m i n a t e db yt h er a r ee a r t h k e yw o r d s ：s na n ds ba l l o yd u c t i l ec a s ti r o n ，p e a r l i t e ，a u t o m o b i l ep a n d ld i e ， m e c h a n i c a lp r o p e r t y , w e a rr e s i s t a n c e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位 论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送 交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密e 1 ，适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：为。建 日期：功 艚撕躲刮例 b 觏：j 乞 两华大学硕+ 学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示感谢。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师指导下取得的，论文成 果归西华大学所有，特此声明。 作者签名乃i 翩签叫 西华大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 选题的目的意义 模具在现代生产中，是生产各种工业产品的重要工艺装备，它以其特定的 形状通过一定的方式使原材料成型。在各行业，特别是汽车、拖拉机、航空航 天、仪器仪表、机械制造、家用电器、石油化工、轻工日用品等工业生产部门 得到及其广泛的应用。例如汽车工业，一个车型的轿车，共需4 0 0 0 多套模具， 价值2 3 亿元。在各种类型的汽车中，平均一个车型需要冲压模具2 0 0 0 套， 其中，大中型覆盖件模具3 0 0 套。据国际生产协会预测，到2 0 1 0 年，产品零件 粗加工的9 0 ，精加工的6 5 将由模具直接成型【l 】。因此，高效率低成本地生 产模具越来越引起世界各国的高度重视。 从长期发展来看，中国经济保持持续增长，今后铸造模具总体需求还会增 长。中国模具近年来以平均1 7 的速度增长，高于中国g d p 的平均增值一倍 多。铸造模具也可以保持同步的发展，因此铸造模具还有很大的发展空间 2 1 。 随着经济的发展，汽车、地铁、客车等车辆所需的中大型冲压件的生产和使用 量急剧增多，相应地中大型冲压件所需模具的数量大幅度增加。但是我国目前 只是模具生产大国，还算不上是模具生产强国。现阶段我国只有少数模具企业 能够独立承担大型系统模具项目的综合开发。汽车车身模具，特别是大中型冲 压件模具，是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一 个关键环节。冲压模具占模具总量的4 0 以上。汽车冲压件模具在冲压模具中 具有代表性，这些模具大都是中大型的，结构复杂，技术要求高，尤其是为轿 车配套的冲压件模具，要求更高，它可以代表冲压模具的水平。在自主设计、 开发和制造轿车的整套大中型冲压件模具方面，我们同国外先进水平相比，还 有较大的差距。目前轿车大型冲压件模具主要依靠进口，国产化程度比较低， 已成为我国汽车工业发展的瓶颈，极大地影响了我国新车型的开发。 模具工业要上水平，模具材料是关键。因选材和用材不当，致使模具过早 失效，大约占失效模具的4 5 以上【3 1 。因此选用合适的材料和应用相应的表面 处理技术来提高模具的寿命，使之满足使用要求就显得十分必要。过去，中大 西华大学硕十学位论文 型薄钢板冲压件模具大多用锻造合金模具钢组合制作，存在原材料价格高、工 序复杂、制造周期长、加工费用高、组合安装精度低等缺点，使模具制作成本 居高不下，冲压件精度下降。因此国内外以汽车制造厂家为代表的企业均在寻 找新的材料，以代替锻造合金模具钢。经过大量的研究与试验，证明球墨铸铁 材料具有强韧性和耐磨性，综合性能好，同时是铸造成型性优良的材料，是代 替锻造合金模具钢的优选材料，在日本、德国等国家已开始应用，被认为是汽 车薄板用中大型冲压件模具选材的方向和发展趋势。因此，开发成本低廉，工 艺简单的新型汽车覆盖件用球墨铸铁模具成为目前的研究重点。开发优质中大 型冲压件模具用球墨铸铁模具材料不仅具有十分紧迫的现实意义，而且还具有 很好的产业化前景和市场竞争能力，具有显著的经济效益和社会效益。正因为 如此，本研究得到了成都市科技攻关计划支持，本文就是结合该项目“中高档轿 车外覆盖件模具大型铸件先进生产工艺研发”所开展的研究与攻关工作。 1 2 中大型汽车覆盖件模具材质的国内外研究现状 汽车覆盖件( 以下简称覆盖件) 是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机 和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。轿车的车前板和车身、载 重车的车前板和驾驶室等都是由覆盖件和一般冲压件构成的。覆盖件组装后构 成了车身或驾驶室的全部外部和内部形状。从质量分析上来看，轿车车身占整 车的4 0 , - 6 0 ，载重车车身( 又称驾驶室) 占整车的2 0 , - 3 0 ；从制造成本 上来看，轿车车身占整车的5 0 7 0 ，载重车车身占整车的1 5 - 3 0 ，且豪 华档次越高的车，车身成本占的比重越大。覆盖件的制造是汽车车身制造的关 键环节【4 5 1 。而覆盖件模具又以其大型、复杂、精密等特点而成为模具中举足轻 重的部位。 按国际发展情况看，汽车模具已进入专业化、标准化阶段。发达国家的汽 车模具基本由专业制造商提供，商品化率在7 0 以上，而且还有大量生产模具 标准件的专业企业，提供的标准件多达几百种【6 】。相应的c a d 和c a m 的应用 日益普及，对模具材料的质量，特别是钢的纯净度、等向性也提出了更高的要 求。为此，国外普遍采用电炉加炉外精炼工艺生产纯净度高的模具钢，对于大 2 两华大学硕十学位论文 截面锻压模块和大型的钢材采用真空处理。对于纯净度要求更高的模具钢，大 部分采用电渣重熔，以进一步提高钢的纯净度、致密度、等向性和均匀性，减 少偏析【7 1 。为了加强竞争力，适应经济全球化的发展趋势，国外模具钢的生产 从分散趋向于集中，多家公司进行跨国合并。为了更好地进行竞争，这些公司 都建成了完善的、技术先进的模具钢生产线和模具钢科学研究基地，形成了几 个世界著名的模具生产和科研中心，以满足迅速发展的模具工业的需要。 中国模具近年来以平均1 7 的速度增长，高于中国g d p 的平均增值一倍 多，模具钢的用量也在显著增加。模具材料是模具制造的首要问题，建国以来 我国模具钢生产技术发展较快，从无到有，从仿制到自己开发，产量已跃居世 界前列。经过几次钢种的标准修订，在g b t 1 2 9 9 - 2 0 0 0 合金工具钢标准中 包含了3 7 个钢种，基本上形成了我国特色的模具钢系列【8 1 。随着我国模具行业 的迅速发展，模具钢用量不断增加，特别是大型、精密、复杂、长寿命等技术 含量高的模具的比例逐年增大，目前国内模具钢已达6 0 万吨左右，但因品种、 质量、尺寸规格及性能等方面的原因，国产模具钢还不能完全满足要求，大约 4 0 的中高档模具必须从国外进口，估计每年进口模具钢约6 8 万吨左右， 而这一部分进口的模具钢价格要比国内同类产品高出3 5 倍【9 1 。进口模具钢的 规格主要是大尺寸的锻制模块( 厚2 5 0 m m - 8 0 0 m m ) x ( 宽6 0 0 m m - 1 2 0 0 m m ) 及大尺 寸的模具扁钢( 厚3 0 m m - 3 0 0 m m ) x ( 宽4 0 0 m m 1 5 0 0 m m ) ，这些钢材在国内目前 只有少数钢厂能生产【l o 】。进口材料中：冷作模具钢约占2 0 ( 2 万吨左右) ，主要 是c r l 2 m 0 1 v l 。 覆盖件冲模材料主要是选取凸模和凹模等主要工作零件的材料，对这部分 材料有如下要求 ( 1 ) 高强度和高硬度。 ( 2 ) 高耐磨损性能。 ( 3 ) 高冲击韧性。 ( 4 ) 热处理工艺简单，淬透性好，热处理变形小。 ( 5 ) 良好的机械加工性能。 ( 6 ) 价格便宜，市场供应方便充足。 实际上，满足所有这些要求的模具材料是不存在的，可根据用途分别选材。 3 西华大学硕士学位论文 常用模具钢材料，主要是凸、凹模材料如表1 1 所示。 表1 1 覆盖件冲模工作零件常用模具钢材料 t a b l e l 一1m a t e r i a l sc o m m o nu s e do f d i es t e e lf o rp u n c h i n gd i e so f c o v e r i n gp a r t 这些常见的模具钢经过适当的热处理，基本满足大型薄钢板冲压件模具对 材料的要求，但存在原材料价格高，材料利用率低，工序比较复杂，生产周期 长，加工周期长，加工费用高，组合安装精度低等缺点，因此采用经济性及成 型性好的材料来部分替代或全部代替该材料是汽车等工业发展的重要要求。 一般大、中型模具的材料费为模具总费用的5 0 。小型模具的材料费不超 过总成本的5 l o 【】。因此，大中型模具材料的费用，成为其降低总成本的 关键环节。 铸铁具有很多优良的机械性能和工艺性能，主要特点是铸造性能好，易浇 注成型，尤其是能铸出复杂形状，并且工艺简便，适应性强，设备投资少，成 本较低。同时它的抗振减震性能好，切削性能很好。对某些铸铁，在一定程度 上克服了一般铸铁抗拉强度和韧性低的缺点，有的还具有耐热、耐蚀和耐磨等 特殊性能。因此，近年来逐渐广泛用作模具材料，常用来制造各种拉探模、压 型模、玻璃模及塑料模等。 应用于模具的铸铁多为球墨铸铁、蠕墨铸铁、特殊性能铸铁，有时也用灰 铸铁。 球墨铸铁是由基体组织与球状石墨组成，石墨呈圆球状，对基体割裂作用 4 西华大学硕十学位论文 很小，基体强度的利用率可达7 0 , - 9 0 ，力学性能相对优良。强度和塑性超过 一般的灰铸铁和可锻铸铁，抗拉强度一般在4 0 0 1 0 0 0 m p a 。珠光体球墨铸铁的 抗拉强度与t 8 锻钢相近，o 。达7 0 0 - 8 0 0 m p a 、屈服强度和屈强比高于4 5 钢， 疲劳强度较高( 与中碳钢接近) ，耐磨性较好。球墨铸铁的塑性和韧性都低于钢， 却高于其他各类铸铁，其延伸率在2 2 0 范围内，冲击韧度通常在1 5 - 2 0 j c m 2 以上。球墨铸铁还具有很好的热处理效果，可利用退火、正火、淬火、回火、 等温淬火、表面处理和化学热处理等多种工艺提高它的性能。由于它具有较优 良的性能，可用来制造各种压型模、冲压模等。 蠕墨铸铁石墨呈蠕虫状，介于片状与球状之间，对基体的切割作用较轻， 力学性能较高，既具有接近球墨铸铁的较高强度、刚度、耐磨性和一定韧性， 又具有灰铸铁良好的铸造性能和导热性。例如它对壁厚敏感性小，导热性优于 球墨铸铁，抗热和抗氧化性均优于其他铸铁，耐磨性优于孕育铸铁及高磷铸铁。 这种铸铁用于制造玻璃模具已取得良好效果，引起广泛重视。 合金铸铁根据加入合金元素不同而具有耐热、耐蚀、耐磨等不同的特殊性 能，性能与相应的合金钢相似，但力学性能低于铸钢。脆性较大，容易破裂， 然而它们熔铸方便，成本低廉。模具用合金铸铁的性能要求以耐热性为主，也 常要求较高的耐蚀性和耐磨性。合金成分以加人铬、硅、铝为主，有的也加入 适量的钼、镍、铜等。这些合金铸铁材料常用来制造受冲击较小的热作模具， 如玻璃模、塑料模、热压模等。例如c r - m o 合金铸铁( w ( c ) 3 3 7 、w ( c r ) o 7 3 、 w ( m o ) o 7 2 ) 在4 0 0 的强度为普通球墨铸铁的两倍以上。另一些合金铸铁还有 较好的耐磨性和耐蚀性，可有效提高热作模具的使用寿命。例如用c r - c u 合金 铸铁( w ( c ) 3 2 7 、w ( s i ) 1 2 9 、w ( m o ) o 5 9 、w ( c r ) o 6 、w ( c u ) 2 1 0 ) 制模具， 其使用寿命常比灰铸铁高3 倍【1 1 。1 2 j 。 1 3 中大型汽车覆盖件模具对材质的性能要求 1 3 1 模具材料的一般性能要求 模具的工作条件复杂，工作温度高低不一，失效形式多样，对各类模具性 能要求不同。综合考察，模具的服役条件比较恶劣，一般承受高压、冲击、振 西华大学硕士学位论文 动、摩擦、弯扭、拉伸等载荷；工作温度有的很高；精度要求较高；磨损、变 形、疲劳、断裂时有发生。模具材料的性能相对于一般零件为高，一般从使用 性能和工艺性能两大方面考虑： 1 使用性能要求： 1 ) 硬度和耐磨性 这是基本的性能要求，使模具在特定的工作条件下，保持形状和尺寸的 稳定而不迅速发生变化。冷作模具一般要求硬度在6 0 h r c 左右，热作模具一 般在4 2 5 0 h r c 范围内，塑料模具通常在4 5 - - 6 0 h r c 内考虑。 2 ) 强度和韧性 在工作时，希望模具既要保证有足够强度、承受高压，又要具有一定的 韧性，承受冲击。强度除一般强度指标( o 。、o 。) 外，还包括抵抗循环应力 所需的疲劳强度。承受强大压力的挤压模具应满足高强度要求，而承受猛烈冲 击的锤锻模、冷镦模以及高速锤锻模应有较好的韧性要求。 3 ) 抗热性能 冷作模具在强烈摩擦时，局部的温升有时甚至可达4 0 0 t 2 以上( 冷挤压模) 。 而热作模具对加热到高温的固体或液体材料进行加工时，模体的温升更高。例 如锤锻模可达5 0 0 6 0 0 。c ，挤压模达8 0 0 8 5 0 ，压铸模达3 0 0 1 0 0 0 。c 。由于 模具材料经常受到高温作用，因此要求有一定的抗热性能。 2 工艺性能要求 1 1 热加工工艺性能 包括锻轧、铸造、焊接等性能。根据模具的不同制造工艺，可提出不同的 加工性能要求。这些性能受到模具材料的化学成分、冶金质量、组织状态等因 素的影响。 2 ) 冷加工工艺性能 包括切削、抛光、研磨等性能。对现代的压制产品有时要求很高的表面质 量、低的表面粗糙度及高的精度，所以对切削性能和抛光性能均有很高要求。 例如对有些塑料模具要求具有很好的镜面加工性很低的表面粗糙度值。同时要 求材料杂质少，组织细微均一，无纤维方向性。 3 l 热处理工艺性能 6 西华大学硕士学位论文 实际它是一种热加工工艺性能，因为它的重要性，所以单独列出。由于模 具失效事故中，热处理所造成的因素，一般占5 2 2 ，以致热处理在整个模具 的制造过程中占有重要的地位，它的好坏对模具质量有较大的影响。它要求热 处理变形小，淬火温度范围宽，过热敏感性小，脱碳敏感性低，特别是要有足 够的淬硬性和淬透性。淬硬性保证了模具的硬度和耐磨性，淬透性保证了大尺 寸模具的强韧性及断面性能的均匀性。对要求表面高硬度的冲裁、拉深模具、 淬硬性显得更重要，而对于要求整个截面的均匀一致性能的热锻模来说，淬透 性往往更为重要。 1 3 2 汽车覆盖件模具对材质的性能要求 汽车覆盖件同一般冲压件相比材料薄、形状复杂、结构尺寸大，表面质量 要求高。覆盖件的工艺设计、冲模的结构设计和制造工艺都具有特殊性。因此， 在实践中常把覆盖件从一般冲压件中分离出来，作为一种特殊的类别加以研究 和分析。覆盖件的特点决定了其对模具的特殊要求。 覆盖件冲模分为拉深模、修边模、翻边模。 1 拉深模 拉深模是保证制成合格覆盖件最主要的装备。其作用是将平板状毛料经过 拉延工序使之成型为立体空间工件。拉深模的材料主要是指凸模、凹模和压料 圈所用的材料。由于汽车覆盖件拉深模的尺寸大且形状复杂，所以凸模、凹模 和压料圈通常采用铸件，制造拉深模的材料应满足耐磨，不易拉毛和易加工的 要求，而且能够进行局部的淬火，空冷后能达到硬度要求。 目前采用的铸铁材料主要有合金铸铁、球墨铸铁、和灰铸铁。铸铁中的石 墨起润滑作用，又有很好的耐磨性，加工性也好。 拉深模主要的零件材料，通常根据生产量和模具的使用寿命的要求来选择： 新产品试制时，采用树脂或低熔点合金；小批量生产时，采用灰铸铁h t 2 5 0 或 h t 3 0 0 ；中批量生产时，采用q t 5 0 0 1 0 或者q t 6 0 0 3 等；大批量生产时，采 用镍铬铸铁或者钼钒铸铁等合金铸铁。表1 2 为制造拉深模常用的铸铁的化学 成份。 近年来，汽车产品改型换代快，同时企业为了节约合金材料，降低拉深模 7 西华大学硕士学位论文 的成本，选用使用寿命过长、过于昂贵的模具材料从经济角度来看是没有必要 的。因此选用合适的材料和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命，使之 满足使用要求就显得十分必要。球墨铸铁由于其优良的综合性能，低廉的成本， 得到越来越广泛的应用。例如德国大型高精度长寿命和大批量生产用模具，一 般选用球墨铸铁g c 6 0 、g c 7 0 、o g g 7 0 l ( 含1 n i ，0 5 m o ) 制造【1 3 - 1 4 。 表1 - 2 拉深模常用的铸铁的化学成份 t a b l e1 - 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fc a s ti r o nc o m m o nu s e df o rd r a w i n gd i e 2 修边模 修边模用于将拉延件的工艺补充部分和压料凸缘的多余料切除， 整形准备条件。在小批量生产时，可以用手工和其他简单装备代替。 边往往兼冲孔。 为翻边和 修边模修 修边模凸、凹模的材料，直接影响修边模的寿命、加工成本和加工方法。 一般修边模刃口拼块都选用优质碳素工具钢制造。由于热处理变形的影响，有 些修边件的拼块组必须经过二次仿形加工。拼块结合面需留出二次仿形加工余 量，加工费用明显提高。因此当采用碳素工具钢制造时，修边凸模多采用仿形 加工，而修边凹模多设计成波浪线刃口，采用普通机械加工设备加工，以降低 8 两华大学硕士学位论文 模具成本。 近年来，t 1 0 a 工具钢己逐渐被7 c r s i m n m o v 空冷钢所代替，其优点是凸 凹模镶件加工好以后，只需在刃口部位局部火焰加热空气冷却淬火，硬度为 5 8 6 2 h r c 。由于淬火变形小，不需再修整刃口间隙。另外，铸造7 c r s i m n m o v 空冷钢用于形状复杂的覆盖件修边以及冲孔的凸凹模镶件，镶件可以按冲裁要 求的形状铸出，仅在安装基准面、接合面和刃口处留出加工余量，其余部位均 不需要加工。需要加工的部位，一次加工到要求的尺寸，经钳工精修后，即可 进行火焰加热空气冷却淬火，硬度可达到5 8 - - 6 2 h r c ，完全可以满足冲裁模的 使用要求。并可大大简化制模工艺，缩短制模周期，节省费用，模具镶件的刃 口还可以进行堆焊、补焊，便于维修【1 5 】。 3 翻边模 翻边模是将半成品工件的一部分材料相对另一部分材料发生翻转，根据翻 边的冲压方向不同，翻边模可分为垂直翻边模和水平翻边模两大类。水平翻边 ( 含倾斜翻边) 则需要斜楔结构完成翻边成型工作。翻边模也是制成合格覆盖件 的必要装备。 翻边凸模在翻边过程中受力不大，磨损也比较小。因此，对材料的要求不 高。翻边凹模在翻边过程中受力较大，磨损也严重。特别是在压缩型翻边中磨 损更严重。因此要求材料有较高的耐磨性、较高的强度和硬度。 1 ) 翻边凸模的材料 翻边凸模在翻边时受力较小，磨损也较小，可根据模具结构和产量的具体 情况，选择适当的材料制造。 对于整体的翻边凸模，由于尺寸大，形状复杂，为了结构简化和制造方便， 多采用铸造结构。材质可根据产量的大小，选用球墨铸铁( q t 5 0 0 7 或q t 6 0 0 3 ) 、 铬钼钒合金铸铁或铜铬铸钢。表1 3 列出了铜铬铸钢的化学成分。铜铬铸钢可 进行局部表面火焰淬火，空冷后硬度可达( 5 0 5 5 ) h r c 。 9 西华大学硕士学位论文 c u - c r0 5 5 0 3 -100。8+ 1 0 - 0 0 8 一 e 蔽诹舞 彳0 6 5 o 。4l 。2 耍氍翊甜 1 1 l 。20 1 5 对于镶块结构的翻边凸模，根据产量的大小，材质可选用t 1 0 a 、5 c r n i m o 或c r l 2 m o v ，热处理硬度可达( 5 4 5 8 ) h r c 或( 5 8 q 5 2 ) h r c 。 2 ) 翻边凹模的材料 翻边凹模在翻边时受力较大，磨损较大，尤其在曲线轮廓翻边处。通常， 翻边凹模镶块采用t i o a ( 产量小时) 或c r l 2 m o v ( 产量大时或曲线轮廓处) ，热处 理硬度为( 5 8 - - 6 2 ) h r c 翻d 6 。 1 4 球墨铸铁的性能及应用 1 9 4 7 年球墨铸铁问世以来，由于它对各种机械零件有广泛适应性和优良的 工艺性，而迅速发展成为一种应用范围十分广泛的机械工程材料。 1 4 1 球墨铸铁的组织和性能 在铸态球墨铸铁中，基体组织对铸铁的机械性能有着很明显的影响。常见 的基体组织有珠光体、铁素体、渗碳体、磷共晶等。其中，在生产中大约有9 0 的球墨铸铁基体组织是由铁素体和珠光体组成( 包括纯铁素体或纯珠光体基体 组织) 。经过合金化或热处理以后，球墨铸铁还可以具有贝氏体、奥氏体或马氏 体组织，以满足不同铸件的使用要求【l 鲥。 铸铁组织由金属基体和石墨缀成，铸铁的机械性能就取决于金属基体的性 能和石墨的性质及其数量、大小、形状和分布。石墨对机械性能的影响，一是 减少了金属基体的有效截面，虽然在铸铁中碳的含量不高，但因石墨的密度很 小，所以石墨在基体组织中占的体积较大，楣对地减少了金属的实际有效面积， 从而使铸铁的强度降低。二是石墨切断了金属基体的联系，在铁素体铸铁中， 1 0 西华大学硕士学位论文 片状石墨分布在结晶颗粒的边界上，切断了铁素体基体的一部分晶粒之间的联 系，使这些地方变成弱点，同时，晶粒间的石墨可以被看作是一条条尖锐的裂 缝或者是微小的夹杂物，在基体的内部会产生局部应力集中，破坏最先从这些 地方开始。另外，球状石墨和团状石墨在体积相同时比表面积比片状石墨小， 它们在基体中形成的缺口没有片状石墨尖锐，所以球墨铸铁的强度大大超过灰 铸铁，且具有较高的延伸率和冲击韧性；石墨的数量愈少，在组织中占有的体 积愈小，对基体的切口作用也愈小，铸铁的强度就较高；石墨的片状程度愈大， 其对基体的破坏程度也就愈大，使铸铁的强度也就大大降低。 球墨铸铁基体组织对球墨铸铁机械性能有明显影响。球墨铸铁的金属基体 几乎和钢没有区别，由于球墨铸铁中s i 和m n 含量较高，同时球状石墨对削弱 基体和造成应力集中的作用较小，因而基体的作用得到了充分的发挥，所以球 墨铸铁的强度、塑性、韧性不仅高于其它铸铁，而且可与相应组织的铸钢媲美。 具体机械性能如表1 _ 4 所示 表1 _ 4 球墨铸铁的机械性能( g b t 1 3 4 8 1 9 8 8 ) t a b l e1 - 4m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f d u n t i l ec a s ti r o n ( g b t 13 4 8 1 9 8 8 ) 西华大学硕士学位论文 如表l _ 4 所示，球墨铸铁的屈强比6 0 2 c b 高，约为0 7 o 8 ，而钢一般只有 0 3 5 o 5 。高的屈强比可以防止模具产生过量的塑性变形。 球墨铸铁的疲劳极限接近一般的中碳钢。采用滚压、喷丸等机械方法使工 件表面变形强化，它使晶格畸变加剧，提高表面残留压应力和表面硬度，可明 显提高工件的疲劳强度。表1 5 是球墨铸铁不同状态下的疲劳强度与铸钢、锻 钢的对比【博j 。 表1 5 球墨铸铁不同状态下的疲劳强度与铸钢、锻钢的对比 t a b l e1 - 5t h e f a t i g u es t r e n g t hc o m p a r i s o no fd u c t i l ei r o na n dc a s ts t e e la n df o r g e ds t e e li n d i f f e r e n ts t a t e s 从表1 5 可以看出，珠光体基体球墨铸铁经圆角滚压处理后的疲劳强度， 可与经氮化处理的锻钢相同。疲劳强度高可以保证模具能够承受一定的循环应 力，与拉深模具的工作条件相符。 在正常的工作条件下，模具材料的耐磨性是决定模具寿命的主要因素之一 【17 1 。球墨铸铁具有良好的耐磨性能，是良好的耐磨材料。其耐磨性比钢好，因 为石墨球镶嵌在坚硬的金属基体中，在工件条件下，金属基体承受负荷，石墨 球可以充当润滑剂，它剥落下来，留下的空洞可以储藏润滑剂，这就为减少摩 擦提供了有利条件。球墨铸铁的耐磨性能和石墨球径及金属基体的组织结构密 切相关。马氏体和贝氏体球墨铸铁的耐磨性能最好，珠光体次之，铁素体球墨 铸铁的耐磨性能最差。球墨铸铁的耐磨损性能远比高强度的灰铁好，表1 - 6 显 西华大学硕士学位论文 示了两者与g c r l 5 钢的润滑磨损对比结果。显然，球墨铸铁在运转5 0 万次后 的磨耗量仅是灰铁的1 6 。 表l - 6 球墨铸铁、灰铸铁与g c r l 5 钢的润滑磨损对比 t a b l el 一6t h el u b r i c a n tw e a rc o m p a r i s o no fd u c t i l ei r o na n dg r a yi r o na n dg c r l5s t e e l 除了上述性能外，球墨铸铁还具有良好的机械加工性能，一定的韧性。所 以，只要采取合适的热处理工艺和表面强化技术，就可以用球墨铸铁来制造汽 车覆盖件模具。如贝氏体球墨铸铁等温淬火的机械性能为a b = 1 5 0 0 m p a ； o r - 9 0 0 l l o o m p a ；o w = 3 1 0 - 3 5 0 m p a ；a k _ 3 0 j 锄。2 ；当添加钼含量达o 1 5 , - - , 0 2 0 时，综合性能超过1 8 c r m n t i 。 1 4 2 球墨铸铁在中大型汽车覆盖件模具的使用情况 由于球墨铸铁具有强韧性和耐磨性，综合性能好，同时是铸造成型性优良 的材料，可实现近终成型，而且铸铁价格低廉，一般大、中型模具( 2 0 0 m m ) 的材料费为总费用的5 0 。小型模具的材料费不超过总成本的5 l o 】。所 以在中大型汽车覆盖件模具中的应用越来越广泛。例如，德国对大型高精度长 寿命和大批量生产用模具，一般选用球墨铸铁g g g 6 0 、g c k 3 7 0 、g g g 7 0 l ( 含 1 n i ，o 5 m o ) 制造。在国内，吉林大学朱先勇掣2 4 】研制的c u 、s b 合金球墨 铸铁已在多家汽车模具生产企业得到应用。例如，东风日产汽车模具公司的快 换模板模具，经随本体试样测试，抗拉强度达到7 1 0 m p a ，硬度可达2 8 0 h b ， 延伸率可达5 ，且表面经热处理后，表面硬度达h r c 5 3 ，能够代替国外产品， 降低生产成本约为4 8 ，缩短了生产周期。一汽轿车后翻盖大型冲压模具，经 随本体试样测试抗拉强度达到7 2 0 m p a ，硬度可达2 6 0 h b ，延伸率可达5 ，且 表面经热处理后，表面硬度达h r c 5 0 ，已在实际生产中使用，已生产5 万件左 右，且状况良好，完全能够代替国外产品。上海大众公司大型冲压模具经随本 l 两华大学硕士学位论文 体试样测试抗拉强度达到7 2 5 m p a ，硬度可达2 4 0 h b ，延伸率可达4 ，且表面 经热处理后，表面硬度达h r c 5 0 ，完全符合图纸要求。 1 5 本文研究的主要内容 本研究的目标是开发应用于汽车中大型冲压件模具上的新型球墨铸铁材 料。达到以新型球墨铸铁代替锻造模具钢的目的。为此，本研究拟在以下方面 开展研究工作： 1 研究球墨铸铁冲压件模具材料中s n 、s b 变化对组织的影响规律。 2 研究球墨铸铁冲压件模具材料中s n 、s b 变化对拉伸强度、硬度、伸长 率的影响。 3 研究球墨铸铁冲压件模具材料中s n 、s b 变化对冲击韧性的影响。 4 球墨铸铁冲压件模具材料在不同工况下的磨损行为研究 1 ) 球墨铸铁冲压件模具材料的干滑动摩擦磨损行为。 2 ) 球墨铸铁冲压件模具材料中s n 、s b 合金化球墨铸铁的磨损量、摩 擦系数随磨损时间的变化规律。 1 4 西华大学硕+ 学位论文 2 试验内容及方法 2 1 化学成分及工艺的确定 2 1 1 化学成分的确定 球墨铸铁是一种复杂的多元合金，因此影响其性能的因素是多方面的，如 化学成分、型砂性质、浇注温度、球化和孕育的时间和成分、冷却速度等，其 中化学成分的影响作用较大。因为即使在同一种工艺条件下，不同化学成分的 球墨铸铁的性能也会有很大的差异。此外，加入球墨铸铁中合金元素的含量和 比例不同，球墨铸铁的性能也会千差万别，各不相同。所以在试验之前，要综 合考虑各种化学元素及其含量和相互间的成分配比对球墨铸铁性能的影响，合 理确定试样的化学成分。表2 1 列举了各元素对石墨球化和基体的影响【l8 1 。 1 碳和硅 碳和硅是影响低碳球墨铸铁组织和性能的两个主要因素。碳是促进石墨化 的元素，碳含量高，则析出的石墨球数量多，石墨球数多，球径尺寸小，圆整 度增加。提高含碳量可以减少缩孔体积，减少缩松面积，可使铸件致密。大约 碳在4 o 4 3 的范围，缩松倾向最小；含碳量过高，降低缩松的作用不明显， 反而出现严重的石墨漂浮。 碳对球铁力学性能的影响主要是通过其对基体的影响起作用。对于铸态球 墨铸铁，增加含碳量可以减少游离渗碳体，碳接近3 时，渗碳体消失；超过 3 时，开始出现铁素体。球墨铸铁退火后，游离渗碳体分解，基体组织为铁素 体。此时，含碳量是通过对石墨球数量、球径大小及其圆整度的变化来影响力 学性能。所以，应从球墨铸铁力学性能和铸造性能两方面考虑来选择含碳量， 高碳量有利于获得健全铸件。在球墨铸铁中，碳一般为3 5 3 8 ，高碳量即 指碳为3 8 。 硅也是促进石墨化的元素，硅使共晶温度升高，使共晶含碳量降低。硅是 f e c 合金中能够封闭丫区的元素，能降低碳在丫f e 中的溶解度，使共析点的含 碳量降低。硅提高共析转变温度。 西华大学硕十学位论文