CN114045429B - 一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材及其制备方法 - Google Patents

一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材及其制备方法，按照质量百分数包括以下组分：3～4％Ni，3.6～3.9％C，2.0～2.8％Si，0.6～1.0％Mn，≤0.1P，≤0.04％S，0.03～0.05％Mg，0.03～0.05％Re，其余为Fe和不可避免的杂质。通过成分控制、型材凝固过程中加入孕育剂和球化剂以及热处理等，获得组织为下贝氏体+30～40％富碳奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体的型材，从而使得该型材具有高硬度、高耐磨性、高强度、高韧性、低摩擦系数、良好的自润滑性能和对铝粘着性低等特点，满足了铝合金冲压模具服役时对其制备材料提出的性能要求。

Description

一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材及其制备方法
技术领域
本发明属于铝合金冲压成型材料制备技术领域，具体涉及一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材，还涉及该高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法。
背景技术
铝合金冲压是在室温下，利用安装在压力机上的模具对铝合金施加压力，使其产生分离或塑性变形，从而获得所需铝合金零件的铝合金压力加工方法。在冲压过程中，铝合金的外表面与模具的工作面间在外加压力的作用下发生强烈的摩擦，造成模具工作面的磨损或粘着铝，从而导致模具失效。因此，对铝合金冲压模具的性能要求是：高强度、高冲击韧性、室温高硬度、低摩擦系数、对铝粘着性低。而现有的铝合金冲压模具用材料是沿用钢的冲压模具材料，即常用冷变形模具钢，如Cr12MoV、Cr5Mo1V、基体钢、8Cr8Mo2V2Si等制造。由于铝的熔点低、强度低、塑性好、钢与Al的相容性好等原因，使得铝合金冲压过程中，在摩擦或挤压产生的塑性变形的作用下，极易在钢制模具的工作表面上发生粘着铝或磨损而使模具的工作面变得粗糙，造成冲压出的铝合金零件表面不合格，进而使得现有的用冷变形模具钢制作的铝合金冲压模具常常使用不到2万次就失效，远低于在冲压钢制零件时的寿命10万次，因此冷变形模具钢并不是制作铝合金冲压模具的最佳材料选择。故而开发强度高、冲击韧性高、摩擦系数小、耐磨性能好、对铝不粘着的专用铝合金冲压模具型材，以制备出高性能、长寿命铝合金冲压工模具，这能显著推动铝合金冲压成型技术的进步，降低铝合金冲压成型的生产成本，对冲压成型铝合金零件具有重要的实际意义。
石墨具有对铝合金不粘着的特点，同时由于石墨呈片状结构，使其具有低摩擦系数、自润滑的特性。但是石墨本身的强度低、塑性为零，不能用于制造铝合金冲压模具。通过粉末冶金或搅拌铸造等方法，把石墨复合到某些金属基体中获得的石墨/金属复合材料，如Cu/Ca复合材料、Ti/C复合材料等，因有石墨存在，从而可以降低与铝形成的摩擦副的摩擦系数小和对铝的粘着性等。但是通过外加石墨的方法，无法解决石墨在基体中的均匀与弥散分布的难题，因而很难在摩擦面上形成完整的隔离性转移膜，实现摩擦副之间的完全自润滑，进而不能有效地降低摩擦副上发生的磨损。另外，相对于熔体浇铸得到的零件，粉末冶金零件存在孔隙，不能获得100%的致密度，因而其力学性能如强度、冲击韧性较差。故通过外加石墨法获得的石墨/金属复合材料并不能用于制造铝合金冲压模具。
现有的灰铸铁材料，其中的石墨属于在材料的凝固过程中自生出来的，很好的解决了材料中石墨的大小与分布问题，但是现有的各种灰铸铁（C在铸铁中主要以石墨形式存在的铸铁）的冲击韧性很差，无法满足铝合金冲压模具所需的力学性能要求，因而也不能用于制造铝合金模具。
发明内容
本发明的目的是提供一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材，解决了现有铝合金模具型材摩擦系数大、对铝粘着性高的问题。
本发明的另一目的是提供上述高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法。
本发明所采用的技术方案是，一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材，按照质量百分数包括以下组分：3~4%Ni，3.6~3.9%C，2.0~2.8%Si，0.6~1.0%Mn，≤0.1P，≤0.04%S，0.03~0.05%Mg，0.03~0.05%Re，其余为Fe和不可避免的杂质。
本发明所采用的另一技术方案是，一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、纯镍板、孕育剂、球化剂、硅铁；将称取的生铁原料、废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入硅铁、纯镍板；
步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入浇包的铁水中；
步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出相应的模具型材；
步骤4，对步骤3得到的型材进行等温淬火处理，即可得到高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材。
本发明的特点还在于，
步骤1中，生铁原料为面包铁或高炉铁水；熔炼温度为1530~1550℃，保温时间为3~5min。
步骤1中，孕育剂按照质量分数包括以下组分：65~75%Si，1~2%Ba，1~2%Ca，2.0~2.5%Mn，1~2%Re，0.004~0.010%Bi，其余为Fe，孕育剂配制量占铁水总质量的0.3~0.4%。
步骤1中，球化剂按照质量分数包括以下组分： 4.0~6.0%Mg，0.5~1.5%Re，35.0~44.0%Si，1.5~2.5%Ca，≤4.0%Mn，≤0.5%Al，≤0.4%Ti，其余为Fe；球化剂占铁水总质量1.0~1.2%，且保证型材中残余Mg含量为0.04~0.06%，稀土Re 含量为0.03~0.06%。
经步骤2后得到的铁水成分为：3~4%Ni，3.6~3.9%C，2.0~2.8%Si，0.6~1.0%Mn，≤0.10P，≤0.04%S，0.03~0.05%Mg，0.03~0.05%Re，其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤3中，连铸时的拉拔速度要保证每一包铁水在10min内完全拉拔成相应的型材；凝固后得到的模具型材厚度或直径不大于200mm，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球。
步骤4中，等温淬火处理工艺为：等温淬火的加热温度为850~1000℃，加热保温时间为型材有效厚度的3倍，淬火介质为熔融盐，熔融盐温为250~400℃，在熔融盐中的等温时间为0.5~1.5h。
本发明的有益效果是：通过成分控制、型材凝固过程中加入合适的孕育剂和球化剂，以及成型后对型材进行合适的热处理等，以获得组织为下贝氏体+30~40%（体积百分比）富碳（大于1%C）奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体的型材，从而使得该型材具有高硬度、高耐磨性、高强度、高韧性、低摩擦系数、良好的自润滑性能和对铝粘着性低等特点，满足了铝合金冲压模具服役时对其制备材料提出的性能要求，解决了现有冷变形模具钢制造的铝合金冲压模具中存在摩擦系数高、磨损严重、粘铝严重，进而造成冲压出的铝合金表面质量不高、模具服役寿命短等难题，显著延长铝合金冲压模具的使用寿命，提高了铝合金冲压型材的表面质量，降低铝合金冲压型材的生产成本，提高其生产效益，从而显著提高铝合金冲压型材生产技术的进步。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材，按照质量百分数包括以下组分：3~4%Ni，3.6~3.9%C，2.0~2.8%Si，0.6~1.0%Mn，≤0.1P，≤0.04%S，0.03~0.05%Mg，0.03~0.05%Re（稀土），其余为Fe和不可避免的杂质。其组织为：下贝氏体+富碳（大于1%C）奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体。在组织中，富碳奥氏体的体积百分比约占总体积的30~40%；球形石墨必须满足：对有效厚度小于200mm的型材，其中，心处石墨球数量不少于500个/mm2。
本发明一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、纯镍板、孕育剂、球化剂、硅铁；将称取的生铁原料、废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入硅铁、纯镍板；
生铁原料为面包铁或高炉铁水；熔炼温度为1530~1550℃，保温时间为3~5min；
孕育剂按照质量分数包括以下组分：65~75%Si，1~2%Ba，1~2%Ca，2.0~2.5%Mn，1~2%Re，0.004~0.010%Bi，其余为Fe，孕育剂配制量占铁水总质量的0.3~0.4%；
球化剂按照质量分数包括以下组分： 4.0~6.0%Mg，0.5~1.5%Re，35.0~44.0%Si，1.5~2.5%Ca，≤4.0%Mn，≤0.5%Al，≤0.4%Ti，其余为Fe；球化剂占铁水总质量1.0~1.2%，且保证型材中残余Mg含量为0.04~0.06%，稀土Re 含量为0.03~0.06%；
步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入浇包的铁水中；
经步骤2后得到的铁水成分为：3~4%Ni，3.6~3.9%C，2.0~2.8%Si，0.6~1.0%Mn，≤0.10P，≤0.04%S，0.03~0.05%Mg，0.03~0.05%Re（稀土），其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出相应的模具型材；
连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在10min内完全拉拔成相应的型材；
凝固后得到的模具型材厚度或直径不大于200mm，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球。
步骤4，对步骤3得到的型材进行等温淬火处理，即可得到高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材；
等温淬火处理工艺为：等温淬火的加热温度为850~1000℃，加热保温时间为型材有效厚度（单位：mm）的3倍（单位：分钟），淬火介质为熔融盐，熔融盐温为250~400℃，在熔融盐中的等温时间为0.5~1.5h；
等温淬火处理后获得的型材金相组织为下贝氏体+富碳奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体，其硬度值不低于HRC45。
本发明运用在Fe水的冷却过程中自生石墨的方法，通过控制自生石墨的形核铝和生长方式与速度，获得石墨细小、尺寸分布均一、空间分布均匀的Fe/石墨复合材料。然后再通过合适的热处理，以调节金属基体的组织，获得金属基体为下贝氏体+富碳奥氏体+少量马氏体的组织。该组织中下贝氏体和少量马氏体赋予材料高强度；富碳奥氏体使得材料具有良好的韧性和在外应力下诱发相变硬化的特性，因而使得材料具有良好的韧性、高硬度和优异的耐磨性。而自生出的大量细小、均匀的石墨保证了摩擦面上隔离性专用膜的形成，降低材料的摩擦系数和对铝的粘着，使其具有良好的自润滑性。因此应用本发明制得的材料用于制造铝合金冲压模具，既可以保证模具服役过程中所需的高硬度、高强度和良好的冲击韧性等力学性能要求，还满足了铝合金冲压模具服役条件下所需的对铝粘着性低、摩擦系数小和良好的自润滑性能。
实施例1
本发明一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的组分组成称取：废钢、面包铁、纯镍板、孕育剂、球化剂、硅铁；将称取的生铁原料、废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入硅铁、纯镍板；
熔炼温度为1530℃，保温时间为5min；
孕育剂按照质量分数包括以下组分：65%Si，1%Ba，1%Ca，2.0%Mn，1%Re，0.004%Bi，其余为Fe，孕育剂配制量占铁水总质量的0.3%；
球化剂按照质量分数包括以下组分： 4.0%Mg，0.5%Re，35.0%Si，1.5~2.5%Ca，≤4.0%Mn，≤0.5%Al，≤0.4%Ti，其余为Fe；球化剂占铁水总质量1.0%，且保证型材中残余Mg含量为0.04%，稀土Re 含量为0.03%；
步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入浇包的铁水中；
经步骤2后得到的铁水成分为：3%Ni，3.6%C，2.0%Si，0.6%Mn，≤0.10P，≤0.04%S，0.03%Mg，0.03%Re（稀土），其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出相应的模具型材；
连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在10min内完全拉拔成相应的型材；
凝固后得到的模具型材直径为200mm，其中心处的石墨球密度数为500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球。
步骤4，对步骤3得到的型材进行等温淬火处理，即可得到高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材；
等温淬火处理工艺为：等温淬火的加热温度为850℃，加热保温时间为型材有效厚度（单位：mm）的3倍（单位：分钟），淬火介质为熔融盐，熔融盐温为250℃，在熔融盐中的等温时间为0.5h；
等温淬火处理后获得的型材金相组织为下贝氏体+富碳奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体，其硬度值为HRC51。
实施例2
本发明一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的组分组成称取：废钢、高炉铁水、纯镍板、孕育剂、球化剂、硅铁；将称取的生铁原料、废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入硅铁、纯镍板；
熔炼温度为1550℃，保温时间为3min；
孕育剂按照质量分数包括以下组分：75%Si，2%Ba，2%Ca，2.5%Mn，2%Re，0.010%Bi，其余为Fe，孕育剂配制量占铁水总质量的0.4%；
球化剂按照质量分数包括以下组分：6.0%Mg，1.5%Re，44.0%Si，2.5%Ca，≤4.0%Mn，≤0.5%Al，≤0.4%Ti，其余为Fe；球化剂占铁水总质量1.2%，且保证型材中残余Mg含量为0.06%，稀土Re 含量为0.06%；
步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入浇包的铁水中；
经步骤2后得到的铁水成分为：4%Ni，3.6%C，2.8%Si，1.0%Mn，≤0.10P，≤0.04%S，0.05%Mg，0.05%Re（稀土），其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出相应的模具型材；
连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在10min内完全拉拔成相应的型材；
凝固后得到的模具型材厚度为150mm的板材，其中心处的石墨球密度数为660个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球。
步骤4，对步骤3得到的型材进行等温淬火处理，即可得到高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材；
等温淬火处理工艺为：等温淬火的加热温度为1000℃，加热保温时间为型材有效厚度（单位：mm）的3倍（单位：分钟），淬火介质为熔融盐，熔融盐温为400℃，在熔融盐中的等温时间为1.5h；
等温淬火处理后获得的型材金相组织为下贝氏体+富碳奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体，其硬度值为HRC45。
实施例3
本发明一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的组分组成称取：废钢、高炉铁水、纯镍板、孕育剂、球化剂、硅铁；将称取的生铁原料、废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入硅铁、纯镍板；
熔炼温度为1540℃，保温时间为4min；
孕育剂按照质量分数包括以下组分：70%Si，1.5%Ba，1.5%Ca，2.3%Mn，1.5%Re，0.006%Bi，其余为Fe，孕育剂配制量占铁水总质量的0.35%；
球化剂按照质量分数包括以下组分：5.0%Mg，1.0%Re，40%Si，2.0%Ca，≤4.0%Mn，≤0.5%Al，≤0.4%Ti，其余为Fe；球化剂占铁水总质量1.1%，且保证型材中残余Mg含量为0.05%，稀土Re 含量为0.05%；
步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入浇包的铁水中；
经步骤2后得到的铁水成分为：3.5%Ni，3.8%C，2.5%Si，0.8%Mn，≤0.10P，≤0.04%S，0.04%Mg，0.04%Re（稀土），其余为Fe和不可避免的杂质。
步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出相应的模具型材；
连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在10min内完全拉拔成相应的型材；
凝固后得到的模具型材直径为180mm，其中心处的石墨球密度数为580个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球。
步骤4，对步骤3得到的型材进行等温淬火处理，即可得到高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材；
等温淬火处理工艺为：等温淬火的加热温度为950℃，加热保温时间为型材有效厚度（单位：mm）的3倍（单位：分钟），淬火介质为熔融盐，熔融盐温为300℃，在熔融盐中的等温时间为1h；
等温淬火处理后获得的型材金相组织为下贝氏体+富碳奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体，其硬度值为HRC48。
本发明一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材及其制备方法，制得的铝合金冲压模具较传统的冷变形模具钢制铝合金模具，由于摩擦系数的减少、自润滑性能的存在、对铝粘着性的降低，以及本身具有的高强度和相变诱发的高硬度等特点，当该型材制造的模具用于厚度为2mm的铝合金薄板上冲压孔时，相较于传统的冷变形模具钢制模具的2万次服役寿命，其服役寿命接近4万次，服役寿命提高了近一倍。

Claims (2)

1.一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材，其特征在于，按照质量百分数包括以下组分：3~4%Ni，3.6~3.9%C，2.0~2.8%Si，0.6~1.0%Mn，≤0.1%P，≤0.04%S，0.03~0.05%Mg，0.03~0.05%Re稀土，其余为Fe和不可避免的杂质；
其组织为：下贝氏体+富碳奥氏体+细小均匀分布的球形石墨+少量马氏体，在组织中，富碳奥氏体的体积百分比占总体积的30~40%，富碳奥氏体的C含量大于1%；球形石墨必须满足：对有效厚度小于200mm的型材，其中心处石墨球数量不少于500个/mm2。
2.一种高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的制备方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1，按照高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、纯镍板、孕育剂、球化剂、硅铁；将称取的生铁原料、废钢放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入硅铁、纯镍板；
生铁原料为面包铁或高炉铁水；熔炼温度为1530~1550℃，保温时间为3~5min；
孕育剂按照质量分数包括以下组分：65~75%Si，1~2%Ba，1~2%Ca，2.0~2.5%Mn，1~2%Re稀土，0.004~0.010%Bi，其余为Fe，孕育剂配制量占铁水总质量的0.3~0.4%；
球化剂按照质量分数包括以下组分： 4.0~6.0%Mg，0.5~1.5%Re稀土，35.0~44.0%Si，1.5~2.5%Ca，≤4.0%Mn，≤0.5%Al，≤0.4%Ti，其余为Fe；球化剂占铁水总质量1.0~1.2%；
步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入浇包的铁水中；
经步骤2后得到的铁水成分为：3~4%Ni，3.6~3.9%C，2.0~2.8%Si，0.6~1.0%Mn，≤0.10%P，≤0.04%S，0.03~0.05%Mg，0.03~0.05%Re稀土，其余为Fe和不可避免的杂质；
步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，然后按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出相应的模具型材；
连铸时的拉拔速度要保证每一包铁水在10min内完全拉拔成相应的型材；凝固后得到的模具型材厚度或直径不大于200mm，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球；
步骤4，对步骤3得到的型材进行等温淬火处理，即可得到高性能、长寿命铝合金冲压工模具型材；
等温淬火处理工艺为：等温淬火的加热温度为850~1000℃，加热保温时间为型材有效厚度的3倍，淬火介质为熔融盐，熔融盐温为250~400℃，在熔融盐中的等温时间为0.5~1.5h。
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