畢業(yè)設計（論文）銅合金壓鑄模具鋼組織性能的研究

1、摘 要隨著現代制造技術的迅速發(fā)展，越來越多的零件采用熱擠壓、精鍛、壓鑄等工藝成形，因此熱作模具的重要性日益顯著起來。壓鑄銅合金生產模具上的一些重要零件，在工作時直接接觸900左右的高溫液體銅合金，工作條件非常惡劣，使用壽命低，熱作模具材料的選擇成為影響壓鑄銅合金業(yè)發(fā)展的主要因素之一。針對目前銅合金壓鑄模具壽命低，易產生裂紋的問題，本文在銅合金壓鑄模具鋼組織性能方面進行了探討性研究。在h13鋼的基礎上，通過對合金化學成分設計、熱處理等，研制出一種銅合金壓鑄模具鋼。合金化學成分(wt%):c: 0.360.42 si: 0.250.50 cr: 2.202.70 mo: 2.002.50 mn:

2、0.901.30 b: 0.0020.006 nb: 0.040.10 v: 0.901.0，該鋼在在1150淬火，650回火（保溫1.5h）具有微細的顯微組織和較高的強韌性配合。其回火組織為細小的屈氏體，上面均勻分布著細小尺寸的碳化物，使該模具鋼保持高的強度，同時還具有較好的塑性，符合銅合金壓鑄模具的要求。本文重點研究了在淬火溫度相同時，不同回火溫度對鋼組織和力學性能的影響。結果顯示，新鋼種的回火穩(wěn)定性較好，在650回火硬度仍保持48hrc左右，抗拉強度為1314.5mpa，伸長率16.2%。明顯高于h13鋼在相同條件下的力學性能。本課題為進一步研究銅合金壓鑄模具鋼提供可行的理論方法。通過調

3、整合金元素含量，優(yōu)化熱處理工藝等來提高模具鋼強度、塑性及抗熱疲勞性能等，進一步提高銅合金壓鑄模具的使用性能。關鍵詞：熱作模具鋼；顯微組織；力學性能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 impor

4、tant 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 o

5、f 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 wa

6、s 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 co

7、nsist 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, temp

8、ered 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 allo

9、ying 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 錄摘 要iabstractii第

10、1章 緒論11.1 本課題研究的內容及意義11.2 模具的發(fā)展現狀21.3 熱作模具鋼的國內外研究現狀及發(fā)展31.3.1 國外熱作模具鋼的研究現狀31.3.2 國內熱作模具鋼的研究現狀41.4 銅合金壓鑄的發(fā)展現狀51.5 銅合金壓鑄模具鋼的性能要求61.5.1 模具鋼的硬度和紅硬性61.5.2 模具鋼的強韌性61.5.3 模具鋼的抗熱疲勞性71.5.4 模具鋼的耐磨性71.5.5 模具鋼的抗氧化性71.5.6 模具鋼的淬透性71.6 合金化元素在模具鋼中的作用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

11、作用91.6.6 nb元素的作用101.6.7 b元素的作用101.7 本課題研究的主要內容10第2章 實驗設備及方法122.1 實驗用鋼的制備122.1.1 化學成分設計122.1.2 原材料132.1.3實驗用鋼的熔煉132.1.4 熔煉工藝過程142.2 熱處理工藝142.2.1鍛造工藝142.2.2 鍛材等溫退火152.2.3 淬火、回火工藝152.3力學性能測試162.3.1 拉伸性能162.3.2 硬度測量162.4 組織與成分分析16第3章 實驗結果及分析173.1 鍛件退火后組織分析173.2 淬火、回火后的組織分析183.2.1回火溫度對鋼組織的影響193.2.2 650的回

12、火組織213.3 力學性能分析223.4 回火溫度對硬度的影響23第4章 結論24參 考 文 獻25致 謝27 iv沈陽工業(yè)大學本科生畢業(yè)設計（論文）第1章 緒論以往銅合金產品的成形方法大多采用離心鑄造，該工藝為：離心鑄造或外購銅管，經粗車、細車、鏜孔、鉚接而成。該工藝加工工序多，制造周期長，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，由于鑄造毛坯的力學性能較差，使一些工件達不到設計要求；同時勞動條件和作業(yè)環(huán)境也比較差。而利用壓鑄方式成型會大幅度降低成本并且提高生產效率。壓鑄銅合金生產設備上的一些重要零件，如頂桿、模芯等熱作件在工作時直接接觸900左右的高溫液體銅合金

13、，工作條件非常惡劣，使用壽命低，熱作件材料的選擇成為影響壓鑄銅合金業(yè)發(fā)展的主要因素之一。目前，壓鑄模具鋼常用h13鋼，該鋼為馬氏體型熱作模具鋼1以cr、mo、v等元素為主要合金化元素，在600以下具有較好的高溫強度，但當使用溫度超過650時，其高溫性能嚴重下降，不能滿足銅合金熱作模具的性能要求。為此，我們配制了一種新型的熱作模具鋼，考慮其壓鑄模具在生產中出現高成本、低壽命的問題，以提高模具壽命、降低生產成本為出發(fā)點展開研究，研究這種鋼的室溫、高溫力學性能及顯微織等。1.1 本課題研究的內容及意義為了降低產品生產成本，提高生產效率和產品質量，提高材料利用率，銅合金軸承保持架采用壓鑄的方法。但由于

14、銅液溫度高，且導熱性極好好，工件傳遞給模具的熱量大且快，常使模具在極短的時間內升到較高的溫度，然后又很快降溫，產生很大的熱應力，導致壓鑄模具在高溫的工作條件下壽命較低。通過對模具鋼組織性能的研究，來提高壓鑄模具壽命，可以解決模具費用高、損耗速度快等缺點，使其節(jié)省成本，順利投入大批量生產。本次設計以測試分析銅合金壓鑄模具鋼組織性能特點，改善熱處理工藝來提高熱作模具鋼的組織性能，總結出較優(yōu)質的材料，研制開發(fā)具有低成本、低能耗、高壽命的新型鑄造熱作模具鋼，將銅合金以壓鑄的方式成形，使銅合金壓鑄得到更廣泛的應用。因此，本研究具有重要的理論意義與實用價值。1.2 模具的發(fā)展現狀模具由于成本高、價格昂貴，

15、素有“黑色黃金”之稱，國外將模具比喻為“金鑰匙”、“金屬加工皇帝”、“進入富裕社會的原動力”。目前，模具技術已經成為衡量一個國家產品制造水平高低的重要標志。全世界模具鋼市場總量在600-650 億美元之間波動27。其中日本是模具第一大國，每年超過100億美元。我國加入wto以后，各行業(yè)產品的品種和數量不斷增加，換型加快，對產品質量、樣式和外觀也不斷提出新要求，致使模具需求量增加對模具的質量要求也越來越高。因此，迅速提高模具技術水平已成為當務之急。例如，日本汽車、計算機、電視機、手機等產品的品種、數量、質量在國際市場占有優(yōu)勢地位，其重原因之一就是日本模具技術居于世界領先水平。從資料獲悉，目前，美

16、國、日本德國等發(fā)達國家的模具總產值都已超過機床總產值。模具技術的進步極大地促進了工業(yè)產品的發(fā)展，模具是“效益放大器”，用模具生產的最終產品的價值將超過模具自身價格的幾十倍乃至上百倍、上千倍。近10年來，我國模具工業(yè)一直以每年15%的增長速度快速發(fā)展。2005年模具行業(yè)的發(fā)展迅速，模具銷售額610億元，同比增長25%，排在世界第三位。模具出口大幅增長，表明模具水平和競爭力提高。據海關統(tǒng)計，2005年模具出口7.4億美元，同比增長50%以上。模具產品結構更趨高檔、復雜、精密，長壽的模具壽命份額提高到30%。具體數據如表1-1所示。今后我國的模具工業(yè)仍有較大的增長，技術含量高的模具仍為國家發(fā)展的重點

17、8。表1-1 1995年以來中國歷年模具產值表年份1995199619971998199920002001200220032004產值（億元）1451602002202502803163604505301.3 熱作模具鋼的國內外研究現狀及發(fā)展熱作模具鋼的發(fā)展與工業(yè)生產的實際需要是密不可分的，隨著新的生產工藝的出現，對熱作模具鋼提出新的要求。同時，模具因其生產效率高、產品質量好、材料消耗低、生產成本低而獲得廣泛應用，這是其他加工制造業(yè)所無法比擬的。1.3.1 國外熱作模具鋼的研究現狀近年來（特別是2001 年以來），國外很多大鋼廠都推出了性能優(yōu)異的新型熱作模具鋼種。比如，奧地利百樂鋼廠通過合理的

18、成分配比，通過選精料、真空冶煉及重熔、最優(yōu)化擴散退火、組織處理和特殊退火處理，開發(fā)了bohler w400 vmr新型熱作模具鋼。uddeholm 公司采用新的生產工藝和精煉技術，降低了碳含量和硅含量，增加了鉬含量，開發(fā)了 dievar 熱作模具鋼，該鋼比 h13 鋼具有更加優(yōu)良的抗熱疲勞、抗熱沖擊和抗熱磨損性能，具有更長的使用壽命。法國奧博杜瓦公司在h11的基礎上，添加微合金元素ta等開發(fā)出 adc3，該鋼具有良好的韌性和優(yōu)異的抗熱疲勞性能。德國蒂森把h13鋼的鉬含量增加了1.7倍（鉬含量達到 3wt.%），同時應用微合金技術，推出了gs344m，解決了h13鋼高溫紅硬性差的問題，使得 gs

19、344m 在 650回火時，硬度可以達到hrc47以上。德國還推出了含鉬量達到5%和9%的優(yōu)質模具鋼 gs885 和 gs999，具有更高的高溫紅硬性；同時還推出了含 co 的 gs888 等優(yōu)質模具鋼。日本大同特殊鋼有限公司由于在成分設計上取得突破，加上合理的精煉工藝（真空純凈化和高溫均勻化），推出了 dh31-s 鋼。日本日立金屬和高周波公司也推出了含有 co 和 ni 的優(yōu)質模具鋼 dac55 和 amax，使鋼在具有較強的高溫性能的同時，還具有較高的韌性。表1-2是近年來國外最新推出的熱作模具鋼化的學成分。表中帶*部分鋼號的化學成分是由國外鋼廠提供試樣，通過實驗室光譜分析得到的。表1-

20、2 近年來國外最新推出的熱作模具鋼化學成分9鋼號元素含量（wt.%）ccrmowvsi其它w400(奧地利)*dievar（瑞典）*adc3（法國）*gs344m（德國）*gs888（德國）*gs999（德國）*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

21、-ni:0.64,co:0.58-ni:0.6,co:0.6附注a：帶“*”鋼化學成分是國外鋼廠提供試樣，通過實驗光譜分析得到。1.3.2 國內熱作模具鋼的研究現狀hm1(4cr3mo3w2v)鋼和hm3(3cr3mo3vnb)鋼是結合我國資源條件研制而成的。hm1鋼獲國家發(fā)明獎，在h10（3cr3mo3v）的基礎上，增加鎢并提高釩含量，在保持較好的強韌性條件下提高其熱穩(wěn)定性（國外加入鈷）這兩種鋼突出的優(yōu)點是具有很高的室溫與高溫沖擊韌性和優(yōu)良的抗熱疲勞性能，適用于制造高溫、高速、高載荷、水冷條件下工作、因斷裂或熱疲勞失效的熱作模具。gr鋼（4cr3mo3w4vtinb）含有較高的鎢和少量的鈦和

22、鈮，具有最高的熱強性和熱穩(wěn)定性以及良好的熱疲勞性，適用于制造溫度較高，與工件接觸時間長，容易引起熱變形塌陷或熱磨損失效的模具。tm 鋼與 qro90 鋼的成分不同之處是加入了 1%的w。y4鋼的成分與 qro90 鋼的成分不同之處是加入了少量的 nb 和微量的 b對 hd2 鋼的研究表明，適當的合金元素配比對改善鋼的性能是十分重要的。1%ni 能增加二次硬化峰值的硬度，提高斷裂韌性和鋼的室溫和高溫塑性及韌性。表1-3是近年來國內最新推出的熱作模具鋼化的學成分。表1-3 國產主要熱作模具鋼化學成分1012鋼號元素含量（wt.%）ccrmowvsi其它chdhm1hm3grhdtmy4012a0.

23、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國內在六五、七五期間曾經大力發(fā)展模

24、具鋼，引進和開發(fā)了不少適合國情的新鋼種，取得了良好的效果，使用壽命較早期的國產模具鋼有明顯提高，為中國模具產業(yè)的快速發(fā)展做出了很大貢獻。進入二十一世紀以來，國外模具鋼有了突飛猛進的快速發(fā)展，很多大鋼廠都推出了高壽命優(yōu)質的新鋼種，但是國內模具鋼的開發(fā)和應用工作幾乎處于一種停滯狀態(tài)。目前，國產新鋼種的使用僅占模具鋼總產量的2%左右。我國一方面是模具行業(yè)產值高速增長，另一方面是國產模具鋼所占比重越來越小，這不得不引起國人的深思和警惕，因此，開發(fā)具有自主知識產權的優(yōu)質高壽命熱作模具鋼具有十分緊迫的重要意義。1.4 銅合金壓鑄的發(fā)展現狀目前，就所查到的資料，美國1998年汽車用銅鑄件增長7%，近年來,隨

25、著科技的飛速發(fā)展，鑄造業(yè)在生產領域中大量采用新技術、新工藝、新設備、新材料，有色合金鑄造表現得尤為突出。壓鑄的發(fā)展就是典型代表，無論是設備及控制，還是壓鑄工藝及壓鑄合金等各方面都不斷取得新進展。隨著汽車、摩托車等基礎工業(yè)的發(fā)展，減少本體質量、節(jié)約能耗、降低污染等設計要求的實現，大大促進了有色合金鑄件, 這不僅因為壓鑄的效率和出品率非常高，而且還可以最大限度地減少鑄件壁厚以減輕鑄件質量，減少后續(xù)加工量，同時鑄件具有較好的表面質量和尺寸精度13 。我國經過建國50年來的發(fā)展，特別是改革開放20年來，鑄造工業(yè)取得了很大的發(fā)展，大量引進了新的工藝、新設備，并有外資企業(yè)大量進入，帶動了我國的鑄造企業(yè)，使

26、我國進入了世界鑄件生產大國的行列，年產鑄件超過了1000萬。有色合金鑄件的發(fā)展更快，特別是壓鑄工業(yè)，保持著年增長率8%12%14。年產壓鑄件30余萬，其中銅等占2.2%，銅合金鑄件增加了216.7%。2003年,我國銅產量預計可達170萬，資源是有保障的。隨著房地產的迅猛發(fā)展，銅閥門、廚衛(wèi)五金和裝飾件的市場需求日益增多，銅合金壓鑄件產量也有所增長，但其量甚微。2002銅合金壓鑄件產量為5280，僅占壓鑄件總產量的0.84%。這主要由于銅合金壓鑄的模具壽命問題尚未根本突破，從而制約了銅合金壓鑄件生產的發(fā)展15。1.5 銅合金壓鑄模具鋼的性能要求1.5.1 模具鋼的硬度和紅硬性硬度是模具鋼的重要性

27、能指標。模具在工作中應能在壓應力的作用下，保持其形狀和尺寸不會迅速發(fā)生變化。因此，經過熱處理后的模具應具有足夠高的硬度，熱作模具硬度一般在hrc4250范圍內。紅硬性與熱穩(wěn)定性是指模具在受熱或高溫工作條件下，能夠保持組織和性能穩(wěn)定，具有抗軟化的能力，在500600條件下，仍保持足夠高的硬度。鋼的紅硬性和熱穩(wěn)定性主要取決于鋼的化學成分和熱處理制度，它是熱作模具鋼的重要性能指標之一。1.5.2 模具鋼的強韌性模具在工作中承受較大負荷以及沖擊、震動、扭轉、彎曲和剪切等復雜應力，重負荷的模具往往由于強度不夠、韌性不足，造成模具邊緣或局部斷裂而提前損壞。因此，使模具鋼保持足夠的強度和韌性有利于延長模具壽

28、命。但是，鋼的晶粒度和鋼中碳化物的數量、大小及分布情況以及殘余奧氏體量等，均對鋼的強度和韌性有很大的影響。例如，隨著鋼中晶粒的長大和碳化物分布不均勻度的增加，鋼的強度下降，而對韌性影響則更為明顯。實踐表明，根據使用條件和性能要求，合理地選擇模具鋼的化學成分、組織狀態(tài)及熱處理工藝能夠得到足夠高的強度和韌性的最佳配合。1.5.3 模具鋼的抗熱疲勞性熱作模具在服役過程中頻繁地被加熱和冷卻，模腔表面由于反復急冷急熱產生交變熱應力作用，極易發(fā)生熱疲勞破壞。據統(tǒng)計，有60%70%的鋁合金壓鑄模和95%以上的銅合金壓鑄模具都因熱疲勞開裂失效16。大量資料表明，熱疲勞是熱作模具的主要失效形式之一和壽命限制因素

29、1722。因此，熱作模具鋼必須具有好的抗熱疲勞性。1.5.4 模具鋼的耐磨性熱作模具型腔表面由于熱金屬運動會產生高溫氧化磨損現象。由于高溫下，空氣中的氧會與金屬和潤滑劑中某些成分生成氧化物，破壞潤滑劑的作用，從而使模具與壓鑄件和氧化物直接接觸，加速模具磨損。模具的磨損一是空氣中的氧引起的氧化磨損；二是嚴重的氧化磨損導致的粘著磨損。1.5.5 模具鋼的抗氧化性熱作摸具鋼在使用中常常在氧化氣氛中加熱，表面容易發(fā)生氧化。當模具發(fā)生氧化時，使用中易產生早期疲勞裂紋。另外，氧化膜脫落不僅會使模具型腔尺寸變小，而且脫落的氧化物還會引起磨粒磨損，造成模具的早期磨損，加速模具失效，降低熱作模具的使用壽命。因此

30、，抗氧化性能是熱作模具鋼非常重要的性能。1.5.6 模具鋼的淬透性模具用鋼優(yōu)良的淬透性是保證模具淬火后獲得整體均勻高強度馬氏體組織的有效保證，對大型模具的淬透性要求更加嚴格。銅合金壓鑄模具鋼必須滿足以上性能要求，在具體選擇銅合金壓鑄熱作模具材料時，必須對其工作特性及性能要求有所了解，如模腔表面溫度的高低，工作時模具承載和加載速度的大小及模具的冷卻方式等。鋼中的碳及合金元素對熱疲勞性能的影響取決于其含量及存在狀態(tài)。合金元素與碳形成碳化物的類型、尺寸、形狀、數量和熱穩(wěn)定性與熱疲勞抗力密切相關。v的碳、氮化物不僅可以在高溫起到彌散強化的作用，而且可以改變蠕變變形機制，使其由沿穿晶位錯滑移變?yōu)檠鼐Ы缁?/p>

31、移。彈簧鋼中加入ni可以提高其抗腐蝕疲勞性能，低碳低硫可以提高其韌性，而加入v可以提高其斷裂強度23 ，稀土y可改善鑄造熱作模具鋼的抗氧化性能24。加入稀土元素后，這些稀土元素在合金表面形成稀土氧化物（y2o3 和 ce2o3 等）質點可作為 cr2o3膜的形核核心，促進保護膜的形成。1.6 合金化元素在模具鋼中的作用1.6.1 mn元素的作用幾乎所有商業(yè)用鋼都含一定數量的mn。鋼中含有mn可以改變鋼在凝固時所形成的氧化物的性質和形狀。同時它與s有較大的親合力,可以避免在晶界上形成低熔點的硫化物fes，而以具有一定塑性的mns存在,從而消除硫的有害影響,改善鋼的熱加工性能25。在美國熱作模具鋼

32、中h2126和h4143的含錳量均在(0.150.40)%范圍內，h10h 19的含錳量高于該范圍。mn具有固溶強化作用，從而提高鐵素體和奧氏體的強度和硬度，雖然其固溶強化效果不及碳、磷和硅，但其對鋼的延展性幾乎沒有影響。在鐵素體-珠光體型鋼中mn是唯一可使屈服強度增加又使冷脆轉變溫度變化最小的合金元素。錳是弱碳化物形成元素，它可溶入滲碳體中形成合金滲碳體(fe，mn)3c，其形成可降低系統(tǒng)的自由能，即趨于更穩(wěn)定狀態(tài)（注意fe3c中的fe可全部為mn所取代，而cr只可在fe3c中固溶18%20%(原子分數)）。錳溶入奧氏體中能強烈增加鋼的淬透性，同時強烈減低鋼的ms點。mn加入鋼中使ac1、a

33、c3、ar1和ar3降低，這與細化鐵素體和珠光體相聯系，又會減薄碳化物片, 對f-p型鋼的強化起積極作用。1.6.2 si元素的作用 硅是一個對鐵素體進行置換固溶強化非常有效的元素，僅次于磷，但同時在一定程度上降低鋼的韌度和塑性。一般都將si限制在鋼脫氧需要的范圍內。si也為提高回火抗力的有效元素。si降低碳在鐵素體中的擴散速度，使回火時析出的碳化物不易聚集，增加回火穩(wěn)定性。另外，si雖然不推遲碳化物的生成，但它可固溶于碳化物，并提高其穩(wěn)定性，延遲轉變。第一類回火脆性與轉變和沿馬氏體條間界分布形成連續(xù)薄膜有關，延遲轉變便意味著提高第一類回火脆性發(fā)生溫度或提高回火溫度-硬度曲線，可使回火馬氏體的

34、碳化物與基體保持共格和均均勻分布，使回火馬氏體保持有良好的強韌性配合。1.6.3 cr元素的作用鉻是合金工具鋼中最普遍含有的和價廉的合金元素。在美國h型熱作模具鋼中含cr量在2%12%范圍。在我國合金工具鋼（gb/t1299）的37個鋼號中，除8crsi和9mn2v外都含有cr。鉻對鋼的耐磨損性、高溫強度、熱態(tài)硬度、韌度和淬透性都有有利的影響，同時它溶入基體中會顯著改善鋼的耐蝕性能，在h13鋼中含cr和si會使氧化膜致密來提高鋼的抗氧化性。工具鋼中的鉻一部分溶入鋼中起固溶強化作用，另一部分與碳結合，按含鉻量高低以(fecr)3c、(fecr)7c3和m23c6形式存在，從而來影響鋼的性能。鉻溶

35、入鋼奧氏體中增加鋼的淬透性，crmnmosini都與cr一樣是增加鋼淬透性的合金元素。1.6.4 mo元素的作用mo溶于fe中也具固溶強化的作用，mo溶解于奧氏體中能提高鋼的淬透性。mo是作為使鋼具有二次硬化的主要合金元素加入的，現在普遍認為，這是由于在回火時馬氏體中析出mo2c造成。為了產生二次硬化效應，要求mo的加入量不低于1.0%，加入3%mo時可取得接近極值的效果。當加入量為2.0%2.5%時，可獲得最合經濟和有效的效果26。mo會提高鋼的脫碳氧化敏感性，一般認為含3%mo是使鋼發(fā)生脫碳敏感的臨界加入量。mo還可以降低回火脆性的敏感性。1.6.5 v元素的作用v是置換固溶強化鐵素體和形

36、成奧氏體圈的元素。它和c，n的親和力強。人們已知過渡族金屬與c的親和力因為其d電子殼層電子未填滿，碳原子將其價電子填入過渡族金屬d電子殼層。對vc，rc/rm =0.57（0.59），形成間隙相化合物，具有fcc點陣結構，但在點陣的正八面體間隙并不都有碳原子，即存在碳原子缺位，這樣，碳化釩并不嚴格按化學式，一般表示為v4c3（vc0.980.75），所以其點陣常數和硬度在一定范圍內變化。vc的g298o為83.7kjmol27，熔點為2830，硬度為2400hv，其殘留在鋼內將有利于耐磨性提高。其全部溶于a的溫度為1413。v在工具鋼中的主要作用是細化鋼的晶粒和組織，增加鋼的回火穩(wěn)定性和增強二

37、次硬化效應。一般介紹，v加入0.05%可細化晶粒，隨加入量增加，細化效果加強。因為既使溫度趨近700 ，v的碳化物穩(wěn)定性仍高，仍能保持細小，所以v是有效阻止a晶粒粗化的元素，也是在高溫下服役的鋼的重要合金化元素。1.6.6 nb元素的作用微量的nb可增加mc碳化物的數量，減少m23c6數量，使碳化物平均尺寸減少；還可以提高mc的溶解溫度，有助于鋼在淬火時可以保留更多的mc碳化物，從而穩(wěn)定奧氏體晶粒不至于顯著長大。鋼中加入微量nb ,提高了m6c和mc型碳化物的穩(wěn)定性，細化了晶粒，降低了過熱敏感性。nb不僅能細化奧氏體晶粒，而且還能使回火后的組織相對細小，同時也改變了碳化物的顆粒度和分布情況，使

38、碳化物分布更加均勻彌散。1.6.7 b元素的作用微量的b可以具有提高模具鋼的淬透性、高溫強度、強化晶界的作用。鋼中添加硼能顯著節(jié)省鎳、鉻、鉬等昂貴的合金元素，有可觀的經濟效益。硼的主要優(yōu)點是在保證模具鋼有所需高的淬透性和力學性能的同時，降低模具鋼的成本。1.7 本課題研究的主要內容由于銅合金壓鑄熱作模具的復雜工況和特殊的失效形式，熱作模具鋼不僅要具有較高的淬透性、強韌性、紅硬性和熱穩(wěn)定性，還要具有較好的抗熱疲勞性能和熱磨損性能。但目前應用的商業(yè)化熱作模具鋼并不能完全滿足上述的性能要求。3cr2w8v鋼雖然具有較高的熱強性，使用溫度可以達到650，但是w系模具鋼導熱性和抗熱疲勞性能差，塑、韌性低

39、，容易發(fā)生早期斷裂失效。以鉻含量為 5wt%的h13為代表的h系列熱作模具鋼具有良好的淬透性和抗熱疲勞性及較高的韌性，但h13鋼在600以上的熱強性欠佳，不適合壓鑄高熔點合金。綜上所述，本課題通過合金成分設計、球化處理及強韌性熱處理等手段控制鋼的組織結構，盡量獲得對鋼的強韌性有利的組織結構，使這種鋼具有高淬透性、強韌性和抗氧化性的良好配合，來提高其抗熱疲勞性能，使其使用壽命與進口優(yōu)質模具鋼相當，達到銅合金壓鑄模具使用性能的要求。本課題重點研究熱處理工藝對鑄造熱作模具鋼微觀組織、力學性能及夾雜物的影響，并分析影響規(guī)律和作用機制。并將其組織性能與h13進行對比，優(yōu)化出具有較佳性能的微量元素化學成分

40、。為進一步研究銅合金壓鑄模具鋼提供理論基礎。第2章 實驗設備及方法2.1 實驗用鋼的制備2.1.1 化學成分設計化學成分設計主要考慮在保持h13鋼特點的基礎上，盡量提高模具鋼的熱強性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)良特點。一般情況下，cr元素易形成富cr的m23c6型碳化物，這種碳化物較為粗大，易降低材料的塑、韌性。 因此，在保證強度的前提下,可以適當降低cr含量，同時以b來提高因減少cr含量而降低的淬透性和高溫強度。研究發(fā)現，mo含量的提高可以增加m2c碳化物的形成驅動力，延緩mc和m2c向m23c6轉變26，經高溫回火析出m2c型碳化物產生二次硬化,可有效改善鋼的高溫性能。另外由于nb的mc型碳化物更為穩(wěn)定

41、細小，因而有助于在提高奧氏體化溫度時阻止奧氏體晶粒長大。較高的奧氏體化溫度可以將許多粗大的碳化物充分溶解，使馬氏體中碳和合金元素含量增加，提高淬火后的硬度；同時淬火溫度提高還有助于回火時彌散碳化物的析出，增加二次硬化效果，進一步提高強韌性，也可提高回火穩(wěn)定性和熱疲勞抗力。新設計鋼種與h13鋼的化學成分比較如表2-1所示。表2-1 新鋼種與h13鋼的成分/wt%化學元素h13新鋼種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.

42、0020.006nb0.040.10s、p0.030s0.010， p0.0302.1.2 原材料試驗用原材料如表2-2所示。表2-2 原材料化學成分原料名稱化 學 成 分 /wt.% csicrmomnbnbvh13鋼45#鋼鉬鐵鈮鐵硼鐵錳0.400.451.05.01.4055.00.4099.019.060.01.02.1.3實驗用鋼的熔煉本實驗用鋼為自行配制的銅合金壓鑄熱作模具鋼。其化學成分如表2-3所示。表2-3熱作模具鋼化學成分/wt.% csicrmomnbnbv0.410.42.62.21.20.0040.091鋼的熔煉在沈陽工業(yè)大學鑄造實驗室。熔煉設備為沈陽鑄造研究所生產的g

43、w系列中頻感應爐，型號為kgps-100kw，如圖2-1、圖2-2。該晶閘管中頻電源是一種將50赫茲工頻交流電變?yōu)轭l率高于工頻，低于10000赫茲中頻交流電的靜止式變頻裝置，它可為無心感應爐供電。用于金屬的透熱、淬火、釬焊等各種感應加熱或者涂敷、清洗等需要低溫的場合。本實驗室主要用其進行熔煉金屬。 圖2-1 中頻感應電源 圖2-2 合金熔煉爐2.1.4 熔煉工藝過程（1）根據配料預算每一種合金元素的燒損量及所應補加的量。（2）裝料：檢查準備石墨坩堝，先在爐底放入適當的小塊爐料，然后在放大塊的爐料，直到放滿。在裝料時爐子底部要密實，上部要松散，以防損壞爐襯。（3）熔化：先送電通水，注意冷卻水的溫

44、度不應超過45，加料時要防止鋼水飛濺，往鋼水中加的爐料要預熱。（4）造渣：在第一批爐料全熔后可視具體情況和要求及時造渣，以便將鋼水覆蓋，嚴防鋼水吸氣和氧化。本實驗爐為堿性爐襯，用石灰和螢石混配成溶劑造渣。（5）精煉及脫氧：當鋼液溫度達到1600左右時，放入鋁，對鋼液進行脫氧處理。鋁的質量不能超過鋼水質量的0.15%。（6）出鋼：當爐內溫度適合，成分合格，脫氧情況正常，方能決定出鋼。（7）出鋼后要及時檢查爐襯浸蝕情況，當確認無問題時方可繼續(xù)使用。 2.2 熱處理工藝 2.2.1鍛造工藝 鍛造設備采用h61-500型金屬液壓機。主要性能及工藝參數：公稱壓力：05000kn；主活塞最大空載下行速度：

45、120mm/s；滑塊壓制速度：516mm/s；頂出力范圍：01000kn；壓力范圍：026mpa；將試塊放入高溫箱試爐內，隨爐升溫，加熱速度1000/1.5h，加熱溫度到1150保溫10分鐘，方可出爐。始鍛溫度1130，終鍛溫度大于900， 砂緩冷。2.2.2 鍛材等溫退火圖2-3 鍛件的等溫退火工藝將鍛后試塊加熱溫度850，保溫時間2小時，爐冷，等溫溫度680，保溫時間4小時，緩冷。 2.2.3 淬火、回火工藝本文擬定用箱式爐加熱溫度500保溫2h后，升溫到1150，用油淬火。然后在630、650、680下回火，回火時間為1.5 h?；鼗鸷蟮脑噳K加工成力學性能測試試樣后，再磨削加工至規(guī)定尺寸

46、。準備進行力學性能測試。 2.3力學性能測試2.3.1 拉伸性能在經過淬火、回火后的不同試塊的相同位置加工成所需試樣。采用機械工業(yè)部長春實驗機研究所生產的css-55100型電子萬能試驗機進行拉伸試驗，拉伸速率為0.3mm/s。試驗中所用試樣如圖2-4所示。圖2-4 標準拉伸試樣簡圖2.3.2 硬度測量采用 hrc150 型洛氏硬度計進行硬度測試，為了防止脫碳層的影響，將熱處理后的試樣在平面磨床上磨去 1mm 以上，在試樣上測 5 個點硬度，取平均值。2.4 組織與成分分析選取具有典型力學性能的試片制備金相試樣，并用xjl02型立式金相顯微鏡、日本島津公司產的hitachis-3400n sc

47、anning electron microscope掃描電子顯微鏡(sem)進行試樣組織形貌觀察、能譜分析。掃描電鏡試樣的制備：在拉伸試片上截取高10mm左右的試樣，經研磨拋光后用2%的硝酸酒精腐蝕35s，并用酒精沖洗干凈。第3章 實驗結果及分析3.1 鍛件退火后組織分析該鋼鑄態(tài)組織是通過中頻電爐冶煉而成的，該模具鋼由于合金元素含量較高，在凝固時選擇結晶，高熔點的碳化物先形核結晶，形成碳與合金元素的富集區(qū)，因此，該鋼原始組織碳化物分布不均勻，大小不一，形態(tài)多樣，有大量的偏析存在，在晶界附近，特別是在晶界的交接處有碳化物和夾雜物偏聚，同時鑄錠本身在凝固過程中存在著非平衡凝固的粗大結晶組織。，這種

48、鑄態(tài)組織既不利于強度的提高也不利于韌性的改善，而且在隨后的使用過程中會成為制約模具壽命的關鍵因素。因此，需要對鑄鋼件進行鍛造來改善其組織。如圖3-1為該模具鋼鍛后退火的微觀組織。 圖3-1 試樣鍛后退火的顯微組織（sem掃描）從中可以看出（圖3-1），該模具鋼經過鍛造退火工藝后，仍存在部分成分偏析，晶界處仍然有較多的塊狀鐵素體與網狀碳化物，且晶粒比較粗大。這主要是因為，成分偏析只能通過擴散來加以改善，雖然碳原子半徑比較小，容易擴散，該鋼中含量較高的mo、nb、v等碳化物形成元素，原子半徑較大，擴散速度慢，特別是當擴散距離較長，偏聚物比較大時，需在高溫下長時間加熱才能達到改善偏析的目的；而且mo

49、、nb、v都是強碳化物生成元素，并且這些合金碳化物具有很強的穩(wěn)定性，在退火工藝較低的加熱溫度下，這些合金碳化物是無法消除的，所以嚴重的成分偏析和沿晶碳化物鏈仍然存在。從圖3-2中可以看出，對試樣晶界處的成分掃描，該處含有cr、mn、v、mo合金元素，其中含mo最多，可以判斷mo在此處形成強化相，該強化相聚集在晶界處，使鋼在晶界處與斷裂，這對鋼的組織性能產生很不利的影響。說明經過退火后成分偏析依然存在。圖3-2 試樣點成分分析3.2 淬火、回火后的組織分析 選擇淬火溫度原則是，使鋼具有良好的淬火組織，同時保持細小的晶粒，以保證回火后獲得良好的性能27。對于該模具鋼來說，因含有較多的碳化物形成元素

50、mo、cr、v、nb，這些元素形成的碳化物在加熱過程中溶解的程度不同，將對模具的硬度、耐磨性、熱硬性、熱穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能影響極大。若淬火溫度低，碳化物沒有充分溶解，淬火后的硬度不高。隨著淬火溫度的升高，淬火后硬度有所增高。從提高合金元素在奧氏體中的溶解度，以保證淬火時獲得較高的淬透性，回火時有良好的回火穩(wěn)定性及回火后具有良好的綜合性能的角度出發(fā)，提高淬火溫度是有利的。但淬火溫度過高，會造成ms點升高，淬火后殘余奧氏體量增加，馬氏體也變得粗大，使塑性、韌性下降。根據不同的材料，不同的性能要求，選用不同的淬火與回火工藝是十分必要的，在這方面前期的模具工作者已經作了不少工作可供我們參考。奧氏體化

51、溫度不同，碳化物溶解的數量和類型也不同。當奧氏體化溫度為 1000時，富鉻的碳化物 m23c6和 m7c3已基本溶解，而溫度提高到 1150時，富mo的碳化物才大體上溶解，vc在1150以上仍然沒有完全分解。回火時特殊碳化物的析出溫度隨合金的種類、含量而異。這種碳化物在鋼中呈細小彌散分布，它的粒度比針狀鉬的碳化物 m2c 還要細小的多，而且具有最好的動力學高溫穩(wěn)定性，對抗回火穩(wěn)定性有最好的作用。 3.2.1回火溫度對鋼組織的影響該模具鋼淬火組織主要是馬氏體和殘余奧氏體。馬氏體和殘余奧氏體在室溫下都處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，馬氏體處于含碳過飽和狀態(tài)，殘余奧氏體處于過冷狀態(tài)，它們都趨于向鐵素體加碳化物的穩(wěn)定

52、狀態(tài)轉化。但這種轉化需要一定的熱力學和動力學條件（溫度和時間），因此，淬火鋼件必須立即回火，以消除或減少火所產生的內應力，防止變形或開裂，并獲得穩(wěn)定的組織和需要的性能。為了使殘余奧氏體充分轉變?yōu)榛鼗瘃R氏體，并消除應力，以提高模具的使用壽命。另外，硬度和韌性的綜合協(xié)調是淬、回火鋼熱處理的主要目的。 圖3-3是該模具鋼在經過1150淬火，然后在不同溫度回火后的組織。從圖中的組織可以看出，該模具鋼在630到 680之間回火時，隨著回火溫度的升高，淬火態(tài)板條狀馬氏體的組織特征逐漸減弱，但在很大程度上仍然保持著淬火馬氏體的位向和板條形狀。這是由于隨著碳化物在低碳板條馬氏體中形成，小角度板條界面的消除，單

53、位體積馬氏體板條界面面積迅速減少28。剩下的大角度板條界面被早期形成的碳化物釘扎住，因此，淬火馬氏體的板條形態(tài)，盡管發(fā)生了粗化，仍可穩(wěn)定存在到相當高的回火溫度。根據該模具鋼在不同回火溫度范圍發(fā)生的組織轉變，可將整個回火過程分為以下三個有區(qū)別而又互相重疊的階段：（1）馬氏體的分解，即馬氏體基體過飽的固溶碳析出，形成碳化物的沉淀析出（2）殘余奧氏體的分解（3）碳化物的粗化和球化以及等軸鐵素體晶粒的形成。630回火650回火680回火圖3-3 不同回火溫度對微觀組織的影響3.2.2 650的回火組織如圖3-4是該模具鋼經過1150淬火（油淬）+650回火后的組織。該模具鋼回火后的組織為板條狀馬氏體，

54、上面分布著未溶的點狀碳化物?？梢钥吹浇M織中析出的大量的細小彌散相，這些碳化物中的一部分是從母體中析出的二次碳化物（淬火過程中固溶進去的），另一部分是淬火時未固溶的殘余下來的一次碳化物，這些析出相具有較高的熱穩(wěn)定性，有利于提高材料的高溫強韌性。speich等對fe10ni系合金鋼中的合金元素co、ni、mo、cr的作用和二次硬化反應的析出行為進行了較細致的工作29，實驗證明，通過控制鋼的組分、時效溫度可使其具有較高的韌度，明確指出材料在熱處理過程中微結構表現為滲碳體轉化成細小彌散的合金碳化物相而達到高強韌度。圖3-4 1150淬火+650回火后的微觀組織正是由于在回火馬氏體基體上彌散析出的大量細

55、小尺寸碳化物，才使該鋼在回火后保持高的強度的同時具有較好的韌性，增強了該鋼的熱疲勞抗回火溫度，當溫度達到650時，碳化物聚集長大，部分基體開始發(fā)生馬氏體回復、再結晶，形成鐵素體晶粒，隨著回火溫度的提高，鐵素體顆粒逐漸的長大，向等軸狀方向發(fā)展，其內部也比較“干凈”，說明位錯密度已大大降低；同時，析出的點狀碳化物顆粒由小變大，由沿晶界分布的線狀變成了單個孤立的大顆粒，相鄰馬氏體板條合并成寬板條形狀，回火組織轉為回火屈氏體。馬氏體板條的合并和等軸晶的出現主要是由于碳化物顆粒。圖3-5 回火后成分分析圖3-5說明回火后合金元素均勻分布到基體內。在這種溫度下回火后，可使合金元素所形成的強化相均勻分布在機體內，而且可獲得細小均勻的球狀碳化物，該組織基體具有較高的強度和硬度等綜合性能。3.3 力學性能分析退火態(tài)及淬、回火態(tài)的室溫