新型铸造模具钢的研究

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1、上海交通大学博士学位论文新型铸造模具钢的研究姓名：兰杰申请学位级别：博士专业：材料加工指导教师：丁文江2001.6.1上海交通大学博士学位论文新型铸造模具钢的研究摘要j铸造模具制造技术是一项具有广阔前景的模具制造技术。它充分利用了液态金属直接成型的特点，通过适当的铸造方法将模具直接铸造成型，具有加工周期短、制造成本低等优点，能够实现少或无切削加工，尤其适用于曲面复杂、线型多变、难以进行切削加工的型腔模制造。从60年代开始，英国、日本、美国、前苏联及中国等国家就开始对铸造方法生产模具进行研究，并在一定范围内推广使用

2、。然而从国内外的应用情况来看，铸造模具尚有一些不尽如人意的地方，主要表现在：铸造模具用钢的力学性能，特别是韧性普遍较低，容易导致模具的脆性断裂；其次是材料的铸造性能较差，难以成型高精度的模具。从国内外研究现状来看，还未发现对铸造模具钢进行过系统的研究开发工作，大多只是将原有的锻造模具钢直接作铸造模具钢使用，并未针对铸造模具的成型特点开发出适合的材料。本课题的目标就是拟得到一种具有优异综合性能的铸造模具钢，以解决长期围绕铸造模具生产应用的问题，提高铸造模具的性能价格比，为铸造模具的推广应用奠定研究基础。本研究选择锻

3、造模具钢H13钢作为基体，该钢种是世界上应用最为广泛的锻造压铸模具钢，也曾用作铸造模具钢使用。但对该钢种的铸造性能、铸态组织和力学性能等方面并没见系统的研究。在本论文中，我们对该钢种进行了系统深入的研究，并在该钢种主要组元不变的情况下，采用RE—Ca．B复合变质处理、NbC颗粒以及其它合金添加剂加入、合金热处理和表面处理等手段，成功地开发了一种具有优良综合性能的铸造模具钢MCHl3钢。同时，对该合金的微观组织、夹杂物形貌、合金力学性能、合金断裂行为、表面处理等进行了深入研究，并采用自制的热疲劳试验机和热熔蚀试验装

4、置对铸造模具钢的热疲劳和热熔蚀行为进行了系统的研究，在此基础上，对新型铸造模具钢进行了工业化试验。试验结果表明，新型铸造模具钢MCHl3钢不仅具有良好的流动性能，采用重力浇注方式，可成型各种复杂的模具，同时也具有良好的使用性能：i在整个论文工作中，我们得出如下主要结果：通过金相观察，CHl3钢(铸态H13钢的简称)的铸态组织呈粗大枝晶状结构，主要合金元素Cr、Mo、V偏析严重，而加入稀土和Ca-Si后的MCHl3钢铸态组织均匀，通过面扫描分析表明．其合金元素的偏析情况明显改善。由于CHl3钢中合金元素偏析严重，因

5、此其在退火缓冷过程中容易沿晶界析出合金碳化物，而MCHl3钢的合金元素偏析减小，因此在其组织中没有发现晶界上晦交通大学博士学位论文碳化物析出。与CHl3钢相比，MCHl3钢的常温冲击韧性大大提高．其无缺口冲击试样的冲击韧性由29．3J．cm‘上升至68．2J．cm～。采用扫描电镜和电子探针相结合的方法，观察到MCHl3钢的铸态组织存在许多细小的球形化合物，经电子探针分析发现，这些化合物多是稀土化合物，主要有Ce203、Ce202S和CeS。通过热力学分析和二维点阵错配度计算发现，Ce203的(0001)面，Ce2

6、02S的(0001)面，CeS的(100)面和(110)面与CHl3凝固过程中的初生奥氏体的000)面均有较好的点阵错配度，符合异质核心条件。但结合热力学分析结果来看，Ce203最适合成为有效异质核心，并观测到MCHl3钢铸态晶粒明显细化。利用扫描电镜观测两种钢的断口形貌。采用断口和断口侧面金相相结合的方法，得出了CHl3钢中的晶界碳化物作为裂纹源而导致CHl3钢断裂的证据。采用同样的方法，发现CHl3钢的硫化物、氧化物以及MCHl3钢中的球形稀土化合物都可作为裂纹源。并对合金的特殊断裂方式准解理断裂进行了探讨。

7、对于热作模具钢，特别是压铸模具钢，抗热疲劳性能和抗热熔蚀性能是合金的两个重要性能。然而，国内外对热疲劳的试验研究设备和评定指标存在一定的片面性，本试验采用自制的热疲劳试验机，真实地模拟了压铸模具实际工况，并采用主裂纹平均长度和总裂纹面积相结合的评定指标，对CHl3钢和MCHl3钢的热疲劳性能进行考核，结果表明，在冷热循环次数较少时，CHl3和MCHl3钢的疲劳指标接近，但当循环次数继续上升时，CHl3钢中的热疲劳裂纹长大速度明显高于MCHl3钢，这主要是由于热裂纹的扩展速度主要取决于材料的韧性，而MCHl3钢相对

8、高的冲击韧性则有效抑制了热疲劳裂纹的快速扩展。对于直接与合金液接触的热作模具钢(如压铸模具等)，抗热熔蚀性能是模具钢特殊的工艺性能，国内外很少有这方面的系统研究。本试验采用自制的热熔蚀试验装置，对CHl3钢和MCHl3钢的抗热熔蚀行为进行研究，并对其侵蚀机理进行了探讨。通过研究发现，两种钢在铝合金液中侵蚀一定时间后，在铝合金液和模具钢的界面上将会形成金属间化合物。当侵蚀时