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1、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:
2、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
3、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 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目 录摘 要IAbstractII第1章 绪
10、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
11、.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2
12、13.3 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
13、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
14、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”
15、、“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
