（材料加工工程专业论文）汽车车身铸铁模具材料及模具表面感应淬火工艺的研究.pdf

海夫学倾- 论义汽车车身铸铁模具材料及模具表面感应淬火t 艺的删究 摘要 为了提高车身覆盖件模具的使用寿命，促进我国汽车覆盖件模具的国产 化，本文从模具材料及其表面处理出发，通过研究合金元素对灰铁和球铁的组 织和性能，特别是淬透性的影响，设计出具有高淬透性和良好机械加工性能的 合会铸铁材料。同时配备音频感应电源、冷却系统等组成部件，研制出一套移 动式感应热处理设备，并采用红外测温仪和p i d 自整定控制仪等装置，实现对 该设备的温度自动控制，而且对移动式感应热处理设备的感应淬火工艺进行了 全面的研究。 本论文主要得到如下结论： 1 、 通过调节移动式感应热处理各参数，得出一套满足汽车大型模具的工艺 参数，使用此参数可将感应处理的温度波动控制在6 0 。c 范围内，以下是具体参 数： s v 9 0 0 ，a t5 0 。c ，a l l9 0 0 。c ，a 1 29 5 0 ，p 1 0 0 ，10 ，d0 ， 2 、 通过对常用的覆盖件模具材料g m 2 4 1 ( 灰铁) 和g g g 7 0 l ( 球铁) 进 行感应淬火研究，可以得出：灰铁和球铁材料分别在功率为7 0 p o 和6 0 p o 时，表而感应淬火效果最佳。此时，灰铁材料感应淬火空冷和水冷后，表面硬 度分别达到4 7 5 5 h r c 和4 7 5 6 h r c ，淬硬层深度分别为2 3 m m 和3 9 m m ： 球铁材料感应淬火空冷和水冷后，表面硬度分别为5 2 6 0 h r c 和5 7 6 1 h r c ， 淬硬层深度分别为1 9 m m 和4 8 m m 。 ； 3 、 通过对感应淬火软带进行研究，发现感应加热功率对其影响不大，软带 宽度较小，均在2 3 5 m m 之间。采用喷淬火液的冷却方式可提高感应淬火效 果。 4 、没计出两种具有高淬透性和良好机械加工性能的车身铸铁模具材料，分 别为h 6 ( c 2 8 32 ，s i l 8 2 2 ，m n 0 6 09 ，p 0 0 8 ，s o 0 3 ，c r 0 3 0 5 ， c u 0 7 10 ，m 0 0 3 o 5 ，n i 0 3 0 5 ) 和q 2 ( c 3 5 3 8 ，s i 2 1 25 ，m n 0 5 0 8 ， c r 01 03 ，c u 0 8 10 ，m o o4 o 6 ，n i 0 2 0 4 ) ，其实际临界直径均大于1 6 5 m m 。 并且r 艺性较好，经表面感应淬火空冷和水冷后，h 6 和q 2 表面硬度分别达到 5 0 h r c 和6 0 h r c ，淬硬层深度超过2 5 r n m 。 关键字：车身模具，铸铁材料，淬透性，感应热处理设备，感应淬火工艺 汽下车身铸铁摸具材料及模具表面感应淬火t 艺的研究 a b s t r a c t i no r d e rt oi n c r e a s et h eo p e r a t i n gl i f eo fa u t o m o b i l eb o d yp a n e ld i ea n dp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l eb o d yp a n e ld i eo fo u r c o u n t r y , a l l o yc a s ti r o nw i t h h i g hh a r d e n a b i l i t ya n dg o o dm a c h i n i n gp r o p e r t yw a sd e v e l o p e db yr e s e a r c h i n gt h e i n f l u e n c eo fa l l o ye l e m e n t so no r g a n i z a t i o na n dp e r f o r m a n c eo fg r a yi r o na n d s p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o n ，e s p e c i a l l yo nh a r d e n a b i l i t y a tt h es a l n et i m e ，as u i to f m o b i l ei n d u c t i o nh e a tt r e a t m e n t e q u i p m e n tw a sd e v e l o p e db ya l l o c a t i n ga u d i o i n d u c t i o np o w e r , c o o l i n gs y s t e ma n do t h e rc o m p o n e n t sa n dr e s e a r c ht h et e m p e r a t u r e a u t o - c o n t r o l l i n gs y s t e mo ft h i se q u i p m e n t f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c ho fi n d u c t i o n h a r d e n i n gp r o c e s so f t h ee q n i p m e n tw a sc a r r i e do u to v e r a l l t h e m a i nc o n c l u s i o n so ft h i sp a p e ri sf o l l o w i n g ： 1 、as e to fp r o c e s sd i a m e t e ro fm o b i l ei n d u c t i o nh e a tt r e a t m e n te q u i p m e n t h a sg o t t e nb ya d j u s t i n gi n d u c t i o nh e a tt r e a t m e n tp r o c e s sd i a m e t e rt h e i n d u c t i o nh e a tt r e a t m e n tc a r lb ec o n t r o l l e di nt h ef l u c t u a n tr a n g eo f6 0 。| c u s i n gt h i sd i a m e t e r t h ed i a m e t e rd e t a i l e di sf o l l o w i n g ： s v9 0 0 。c ，a t5 0 ，a 1 19 0 0 ，a 1 29 5 0 ，p 1 0 0 ，10 ，d0 2 、 b ys t u d y i n g i n d u c t i o n h a r d e n i n go n g m 2 4 1 ( g r a y i r o n ) a n d g g g 7 0 l ( s p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o n ) ，i tc a ng e tc o n c l u s i o n ：g r a yi r o nh a sb e s t i n d u c t i o nh a r d e n i n gr e s u l tw h e nt h ep o w e ri s7 0 p 0 i nt h ec o n d i t i o no f ， c o o l i n gi na i r , t h es u r f a c eh a r d n e s si s4 7 5 5 h r ca n dt h ed e p t ho f h a r d e n i n gz o n ei s 2 3 m m i nt h ec o n d i t i o n o fc o o l i n gi nw a t e r ，t h e s u r f a c eh a r d n e s si s4 7 5 6 h r ca n dd e p t ho fh a r d e n i n gz o n ei s3 9 m m ； s p h e r o i d a lg r a p h i t ei r o nh a sb e s ti n d u c t i o nh a r d e n i n gr e s u l tw h e nt h e p o w e ri s6 0 p 0 i nt h ec o n d i t i o no fc o o l i n gi na i r , t h es u r f a c eh a r d n e s s i s5 2 6 0 h r ca n dd e p t ho fh a r d e n i n gz o n ei s19 m m i nt h ec o n d i t i o n o f c o o l i n g i nw a t e r , t h es u r f a c e h a r d n e s s is57 6 2 h r ca n dd e p t ho f h a r d e n i n gz o n ei s4 8 n m a 3 、i n d u c t i o nh e a t i n gp o w e rh a sl i t t l ee f f e c to ni n d u c t i o nh a r d e n i n gs o f t z o n e i n d u c t i o nh a r d e n i n gs o f tz o n ew i d t hi si n f e r i o ra n da l li nt h er a n g e i i 汽车车身铸铁模具材料及模具表面感心淬火t 岂的研究 o f2 r a mt o3 5 m m i tc a ni m p r o v ei n d u c t i o nh a r d e n i n gr e s u l tb ys p o u t i n g q u e n c hb a t h h 6 ( c 2 8 3 2 ，s i l ，8 2 2 ，m n o 6 o 9 ，p o0 8 ，s 0 0 3 ，c r o 3 0 5 ， c u 07 1 0 ，m o o 3 - 0 5 ，n i 0 3 0 5 ) a n dq 2 ( c 3 5 3 8 ，s i 2 1 - 2 5 ， m n o 5 - 0 8 ，c r 0 1 - 0 3 ，c u o 8 - 1 ，0 ，m o o 4 o 6 ，n i 0 2 o 4 ) w h i c hw i t h h i g hh a r d e n a b i l i t ya n dgo o dm a c h i n i n gp r o p e r t yw a sd e v e l o p e d t h e i r a c t u a lc r i t i c a ld i a m e t e ri so v e rl6 5 r a m t h es u r f a c eh a r d n e s so fh 6a n d q 2c a nr e s p e c t i v e l yr e a c ht o5 0 h r ca n d6 0 h r ca n dd e p t ho fh a r d e n i n g z o e ec a nb o t ho v e r g a g e2 5 m mb ys u r f a c ei n d u c t i o nh a r d e n i n ga n d c o o l i n gi na i r , w h i c hh a sg o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t y k e yw o r d s ：a u t ob o d yd i e ，c a s ti r o nm a t e r i a l ，h a r d e n a b i l i t y , i n d u c t i o nh a r d e n i n g e q u i p m e n t ，i n d u c t i o nh a r d e n i n gp r o c e s s 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：雄 日期：塑型 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留沦文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校口 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：牲导师签名：三潋日期：2 塑尘：少 海人学坝1 论史 汽车车身铸铁模具丰才料及模具表面感械淬火丁岂的究 第一章绪论 1 1 汽车模具工业的发展现状 随着社会的快速发展，汽车己成为人类社会活动中不可缺少的工具，是人 民物质文化生活需要的重要方面。我国的汽车工业也在迅猛发展，轿车进入家 庭已不再是梦，汽车大量进入家庭是小康生活的重要标志之一，预计在中国 达到中等发达国家水平时多数家庭将拥有私家车。汽车工业已成为许多工业发 达囡家的支柱产业，作为国家工业化水平的代表性产业，汽车工业的年均增长 速度高于国民经济的平均增速。据有关部门预测，到2 0 1 0 年中国汽车产量将会 超过原规划设想的6 0 0 万辆，达到8 0 0 万辆左右，进入全球排名第三位【引。而 且汽车工业是带动相关产业发展的产业，汽车工业的振兴能带动相关产业的发 展，相关产业的发展又支撑汽车工业的振兴。f 是基于汽车工业的产业特征和 发展潜力，国家将汽车工业确定为国民经济发展的支柱产业。由于汽车工业具 有产业关联度大及紧跟时代特别是技术创新步伐和高投入、高产出之规模经济 等特点，汽车业已成为世界公认的推动国民经济发展的火车头。从世界范围看， 汽车工业一直是全球最大的制造业部门f 3 】，是一个国家技术发展水平的重要标 志之一。 近年来，我国汽车工业发展迅速，汽车市场的竞争也日益激烈。除却一些 外观方面的考虑，愈来愈多的人在意的是汽车的实用性和整体性能。围绕着汽 车的节能、高效、环保、低成本和安全性，新车型更新换代的速度不断加快。 如上海大众和上海通用汽车公司均提出每年推出一个新车型的发展计划。从而， 各汽车公司每年在汽车模具上的投入高于以往任何时期，因为汽车中7 5 d a 上 的零自口件是采用模具制造加工或成型删，表现出汽车制造业对模具的依赖程度 越来越高。 汽车模具是汽车工业生产的基础工艺装备，模具工艺发展的快慢，模具技 术水平的高低，直接影响着汽车工业的发展6 ，“。从国内外汽车模具发展的状况 来看，我国汽车模具的发展现状与先进国家相比，不仅是生产能力上的差距， 在技术、管理、行业结构、专业人才等方面都存在一定的差距。为了改变我固 如人学f i ! ；! i 论丈汽车车身铸铁模具材料及模具表面感应淬火t 岂的拇f 究 汽牟模具具确的生产能力小、生产效率低、制造周期长的现状，适应汽车工业 的发展要求，应从各方面努力，以早r 达到世界先进水平心j 。 上海汽车1 ：业作为上海六大支柱产业之一，近年来取得了飞速发展一】，如 上海火众2 0 0 2 年轿车的年产销量突破3 0 万辆，国内市场占有率达2 7 以上，轿 车产量在未来的五年内将从现在的3 0 万辆提高到6 0 万辆；与此同时，上海通用 汽车公司也得到迅速发展，因此上海汽车工业在轿车生产方面雄居国内之首； 但是，相对于上海汽车工业的地位，上海汽车模具工业发展水平要低于国内其 它主要汽车生产基地，特别是大型、复杂、高精度的车身模具和大中型内饰件 塑料模其和复杂型腔模具，国产化能力严重不足，基本依赖进口。上海平均每 年进口汽车模具总额在8 0 0 0 万美元左右，还不包括一些大型项目在内【l 。因此， 上海汽车模具工业发展水平与汽车制造业水平不相适应的局面急需尽早解决。 如：上汽集团中，大型模具一般从德国、日本和美国等国进口，但进口的大型 汽车模具中普遍存在质量问题。 改革开放以来，我国几个主要的汽车模具制造厂通过技术引进和技术改造， 设计和制造大中型汽车覆盖件模具的装备条件有了极大的改善。很多模具厂出 于采用了国际上先进的模具加工设备、制造技术和软件，实现了c a d c a e c a m 一体化，提高了汽车模具的设计开发和制造能力，缩短了模具的生产周期 ，”，”】。不仅如此，目前，除轿车以外各种汽车车身模具，我国已经具备了自主 丌发能力，完全可以立足于国内设计制造。然而，在自主设计、开发和制造轿 车的整套大中型车身模具方面，我们同国外先进水平相比，还有较大的差距， 同6 h 的轿车大型覆盖件模具主要依靠进口，国产化程度比较低【l ”。据统计，我 圈每年进口各类模具的金额达近十亿美元。在进口的模具中，汽车车身冲压模 具，估计至少在2 亿美元左右。车身覆盖件模具开发能力不足的现状，已经成 为制约我国轿车工业发展的瓶颈问题( i “。 汽车车身是一个形状复杂的空间薄壁壳体，主要由覆盖件所组成。作为汽 车的主要部件，它的好坏直接影响着整车的产品质量1 1 6 】。而汽车覆盖件模具是 生产汽车覆盖件的重要工艺装备和车身开发的重要环节，对车身质量起着决定 性的作用，它的好坏将直接制约汽车产品的质量和新车型的- 3 二发( 1 7 。从结构形 状及尺寸来看，汽车覆盖件一般具有总体尺寸大、相对厚度小、形状复杂以及 r 。、1 一下身铸铁模只村荆使模具表叮感j j ，淬火r 岂的 i j | 宄 轮e ，们勺翔矧h j j j 鄢形状等特点呲州。它彳i 仪外观要求高以满足汽f i 造，弘的 要求，f 阿h 婴求配合精度高、形状和尺寸的一致性好及互换性要求高，以保证 其焊接和装配质量，因此汽车覆盖件应满足如下要求： 1 )尺寸精度。汽车覆盖件必须有很高的尺、f 精度，以保证焊装或组 装时的准确性、瓦换性，便于实现车身焊装的自动化和无人化， 也保证车身外观形状的一致性和美观性。 2 )形状精度。特别是对覆盖件，要求具有很高的形状精度，必须与 主模型相符合。否则将偏离车身总体设计，不能体现车身的造型 j 扎格。 3 )表麻质毓。外覆盖件表l 雨不允订：有波纹、锨纹、| j 痕、撩伤、压 痕等缺陷，棱线应清晰、平直，曲线应圆滑、过渡均匀。 4 )刚性好。覆盖件在成形过程中，材料应有足够的塑性变形，以保 证零件具有足够的刚性，使汽车在行驶中受振动时，不能产生较 大的噪声，减轻驾驶员的疲劳，更不能因振动而产生早期损坏甚 j 兰空洞。 5 )良好的工艺性。良好的工艺性是针对产品设计结构而言，即在一 定生产规模条件下能够较容易的安排冲压工艺和冲压模具设计， 能够最经济、最安全、最稳定地获得高质量产品。 掺j i 汽年覆揣件模具的结构特点和质量要求，。般采用 怠深成形r 艺进行 制造。扎深成形过程中，凸模和凹模是受力最大、 作条件最恶劣的零件。拉 5 。 深j 二作是否顺利进行，主要看制件是否产生起皱和拉裂，因此拉深模常有压边 圈或压边装胃防j r 起皱。拉深时，凸模承受压应力，回程时受拉应力，这就形 成了拉压循叫：应力，如果坯料偏斜( 或由于送料误差等原因) ，则凸模承受偏 心裁甜。以r 受力情况使j 模折断或疲劳断裂。凹模在拉深成形时，般受径 川k 应力和轴向拉应力，且都是周期性变化的循环应力，致使凹模疲劳破坏失 效。故凸、凹模处于恶劣一l ：作条件下，可能导致断裂、变形、磨损、粘台、啃 伤、软化等失效形式。因此拉深模具材料应具备抗变形、抗磨损、抗断裂、耐 疲劳和抗软化及抗粘合的能力川。 汽下下身铸铁模其丰 _ = | 灶模n 表i i | 】感my 平火i 。岂f l o t 0 1 冗 汽自二- i - ：产二的大批量和高精度的要求，决定汽车模具一般均祸氏寿命模具， l 设计好命都任几h j ，乃至上百) - d 件，冈而一般不会出现模具在短期p , j 失效 的现豫，叭j , j 保持其生产产品的高精度，模具需定期或玎j 定期f 内维修，行则影 l l l , g ，。霓锭、梢度和牛产效牢f 2 2 1 。传统的模具维修手段是：堆j ：s , 4 d h 7 - 7 膀，这种 方法只能保证模具的尺寸精度，不能保证硬度的均匀和合理分布，主要原因是 焊接日i 重熔造成模具局部的自回火，硬度降低；另外焊接材料与母体材料的差 异。这种传统的修模方式不仅消耗巨大的维护费用，更重要的是影响生产进程 2 3 , 2 4 1 。因此，如何提高大型模具的使用寿命，降低维修频率是追在崩睫的问题。 1 2 汽车模具的表面处理技术 为了提高汽车大型模具的使用寿命，目前在国外，汽车大型成型模具均经 过适1 的表面处理。而我国由于技术相对落后，各大汽车集团的汽年模县一般 均小进行发由j 处理。只有部分要求较高的关键模具进行表向处理，其巾f 衷断 火焰淬火、镀铬和近年来刚刚兴起的汽车模具的表面离子渗氮。但由十镀铬和 表衙离子渗氮受设备大小的限制，难以实现大型模具和模具局部的表面处理， 均术能在技术上有所突破，从而未能实现产业化【2 ”。因此，我国汽车模具的表 面处理仍以火焰淬火工艺为主，即在机械加工后采用氧乙炔喷枪等工具对模具 i 椎引p 进行火焰加热，空冷淬火或火焰加热回火后直接使用。但是，由j 二火 焰淬火质量很大程度l ：决定于操作者的经验，经常出现模具表面硬度低或者丌 裂的问题，从而降低模具的使用寿命( 2 6 】。因此。寻求一种质量高而且稳定的表 i h i 处理j i 艺足提高汽车大型模具寿命的关键所在。 现今凼勋：l 对人j 型汽1 i 模具均采用相应的表嘶处理技术，如表嘶火 j ：f i 7 7 - 火、 表同感应淬火、表面渗氮、表面镀铬、物理气象沉积p v d 、表面电刷镀、表面 激光淬火等1 2 7 , 2 8 】。在众多的模具表面处理工艺中，各个国家和厂家均有其特定 的表面处理1 艺，并根据模具大小、工件条件、要求高低、制造和维护为目的 的小同选择1 ；同的l ：艺。它们可简单的分为三类： 第类，通过相变改变模具表层组织，获得高硬度，如火焰淬火、感应热 处理、激光热处理等。这类方法的特点是，不改变模具表面的化学成分，仅通 过加热冷却相变达到提高硬度的目的，方法简单，硬化层较厚。但其对模具 4 汽下印身铸铁模具材料及模具表面感府淬火t 岂的州究 材利的化学成分及原始组织要求较高。 笫类，侄模具表两采用镀覆或涂层方法获得高硬度，其特征是表面商硬 度层 ：要足通过物理方法获得，如电镀c r 、刷镀、p v d 沉积、c v d 沉积等m ”1 。 这类力法的最大问题是表面硬化层与基体的结合力相对较差，硬化层较浅。由 j 二冷作模具卜作时，模具表面承受很大的挤压力和摩擦力，容易造成表i 酊硬化 层的脱落：嘶纠物理；手u 化学沉积的处理温度过高，不适f 大型模具的表断处理， 更小适r 大型模具的修复。 第三类采用热扩散的方法改变模具表层的化学成分和组成相，达到提高 表面硬度的目的，如渗碳、渗氮、渗硼、渗会属等叭3 2 】。但此类方法得到的淬 硬脍+ 般卅i 超过0 1 m m ，满足不了汽车模具的表面处理要求。 在上述：类表面处理工艺中，综合考虑生产成本和可操作性，第一类通过 棚变改变模具表层组织的方法最适合于大批量的生产因其相对低的成本和较 厚的硬化层，使该类工艺得到广泛的应用。在这类工艺中，国际上尽管出现模 具激光表州淬火： 二岂和感应淬火艺，但阁内摹本上仍采用传统的模具表向火 焰淬火i 一艺，使我固模具表面处理技术明显落后于困际水平。 火焰加热表面淬火1 ，艺是将高温火焰喷向工件表面，使其迅速加热到淬火 温度，然后以一定的淬火介质喷射于加热表面进行冷却的淬火方式。它具有设 备投资低、简单易行的优点，可处理大尺寸和重量大的工件，并具有较平缓的 硬度过渡层。但火焰淬火工艺的质量控制和操作者的技术水平密切相关，经常 j ：圯处理扁的模具硬度不均匀或硬度过低7 ，从唾影响模具的使用寿命，而日难 以实现臼动化0 二产。 激光表面淬火技术具有可精确控制淬火区、工件变形小等优点，但dj 于其 处珲的淬硬层般不超过o 5 m m ，再加上国内该技术还处于研究的初级阶段， 使得汽4 一夔舆的激光表面淬火j ：艺的应用受到制约吲。 州i 刘i f l ni ，表面感应淬火综合了火焰淬火及激光淬火的优点，同时擗弃了 火焰淬火及激光淬火的缺点，并且表面感应淬火是属于无环境污染的绿色热处 理一r 艺，闲此近年来得到了迅速发展。尽管我国在汽车模具的表面感应淬火工 艺的应用研究方面j + 刚刚起步，但我国传统的感应加热淬火工艺已相当成熟， 闪此仃阑内丌发汽车模具的表面感应加热淬火i ：艺是切实i = l _ 行的。 。jv ：。蛳i1 0z，( 下寸：身铸铁挂且慢樟h 表m 感i t 中_ iz m l l j | a 1 3 感应热处理技术及其在汽车模具上的应用 1 3 1 感应热处理原理 ，湛心力热表嘲热处理是利用电磁感应原珥，在工件表面，乍密度很高的感 越i 乜流，井使之迅速加热全舆氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火 方法，其淬火示意罔如陶l 一1 所示。 邕1 1 堪麻加热表面淬火示意削 。感应吲中通过一定频焉曼交流电时，n 其内外将产q - o ，电流变化煳率斗h 嗣 的交变磁场。 ? 将工件放入感应圈内，在交变磁场作用h 工件内就会产：! l j 感应圈频牢州同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿工件表面形成封闭网 ， 路故通常称为涡流。此涡流将电能变为热能广使工件加热。涡流在被加热工 件巾的分如山表面全心部呈指数规律衰减。因此，涡流主要分布于工件表面， 工件内部j l 予没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肽效应。感应加热就 地利川集肤设f 衄，依靠电流热效j 晤皑上件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈 用紫钢管制作，内通冷却水。当t 件表面在感应圈内加热到相变温度，立即喷 水冷划，实现表丽淬火上艺【”】。 1 3 2 感应热处理技术应用于汽车模具所面临的问题 感应热处瑚山j 二具有加热速度快、节约能源、_ 产效率高、1 i 污染环境以 发易j 实现机械化和自动化等优点，在汽车制造领域得到越来越广泛的应用。 发易j 实现机械化和自动化等优点，在汽车制造领域得到越来越广泛的应用。 浆 m m 夕m q 、。挪l ；1h e z 汽 l i e l 身铸戡摸曩剌蚓使模且表j j f 感j 07 十火iz f j 训充 1 3 感应热处理技术及其在汽车模具上的应用 1 3 1 感应热处理原理 感膨句热表面热处理是利用乜磁感应原理，在一f 件表面产z l - ：密度很高的感 i 皿1 乜流，并使之迅速加热至奥氏体状态，随后快速冷却获得马氏体组织的淬火 方法，其淬火示意图如图i 一1 所示。 幽1 1感麻加热表面淬火示意图 、_ 感成矧中通过一定频率交流电时，在其内外将产生o j 电流变化频牢相同 的交变磁场。若将工件放入感应圈内，在交变磁场作用下，r 件内就会产生与 感应圈频率棚同而方向相反的感应电流。由于感应电流沿_ t 件表面形成封闭回 路，故通常称为涡流。此涡流将电能变为热能广使工件加热。涡流在被加热工 件巾的分柿表面至心部呈指数规律衰减。因此，涡流主要分布于工件表面， 工件内部几乎没有电流通过。这种现象叫做表面效应或集肽效应。感应加热就 赴利川集肤效迎，依靠电流热效应把工件表面迅速加热到淬火温度的。感应圈 用紫铜管制作，内通冷却水。当工件表面在感应圈内加热到相变温度，立即喷 水冷却，实现表面淬火工艺( 3 4 】。 1 3 2 感应热处理技术应用于汽车模具所面临的问题 感应热处理由j i 具有加热速度快、节约能源、生产效率高、不污染环境以 及易j 二实现机械化和自动化等优点，在汽车制造领域得到越来越广泛的应用。 汽乍下身博铁模具材料技模具表由感h 淬火丁苎：的究 其t 扣以感府淬火机床庵用最为广+ 泛，生产中大量配罱和使用各种微机处碑器系 统进行监拧，产品质量稳定，生产效率很高。但由于感应淬火机床自身的特点 坫圳l 。池l | ；】n 限i l l j 乩儿局限r 处理i j _ | 1 轴、齿轮等舰则零件，嘶对0 ij 艘舱复杂零 件或朽人，魁零件，感应淬火机床则不能实旆。综合考虑感应淬火方式的特点和 汽午模具的使用要求，要将感应热处理技术应用于汽车模具需解决以下几个方 日1 的问题： 1 ) 由r 汽车模其型腔复杂，传统用于感应淬火机床的规则感鹰潮珥i 能适用于汽车模具的表衙处理，因此需设计制造一组不同形状和 尺寸的感应圈。 2 ) 大型模具处理需功率长距离输出。 3 ) 模具型腔不同部位的冷却速度不同，为达到相同的性能，需选择 1 i i 司的淬火方式，如风冷、水冷以及冷却剂的选择。 4 )感应圈jt + 什的接触会发生短路现象，因此必须解决感应圈与工 件之间的结缘问题。 5 ) 感应热处理加热速度很快，需解决加热温度的控制问题。 1 4 汽车车身模具材料存在的问题 为了解决国内模具长期依赖进口的局面，一汽、二汽、天汽、成1 i 、哈1 l 等幽内儿火汽车模具厂通过技术引进和技术改造，设计和制造大中型汽车覆盖 件模其的袈备条件有了极大的改善f 3 ”。然而。电于其生产制造能力受到模具材 利的制约，1 常凶闭内刚套厂家提供的模其毛坯小合格，从 t l i 影响，h 、，进度耳 模t 质量，如模具型腔面的材料缺陷、模具材料成分、组织控制问题等，其中 因模具材料成分、组织控制不当引起模具最后淬火淬不硬的现象已多次影响模 具的制造j 州期：为了保证模具质量，不得不从r 本、韩国等国进口模具毛坯， 使得模具捌造成本增加、生产周期受到影响。 2 0 0 2 q i ，上海荻原模具制造有限公司联合i ：海大学材料学院和 ：海：芷钏铸 造订限公t j 】兆同探索性地试生产了几副大型车身模具，但遇到如下几个问题： 1 ) 实形浇铸表面质量问题；主要问题是如何避免央渣、气孔、疏松在模具型腔 m 现，袭i i * h 糙度及精度的问题。这可通过铸造工艺的改进_ ：改善，另方面 汽午下身铸铁模具午才科技模具表血感j 啦 卒火 一岂的圳究 i , j - 选扦合适的涂利改睁畴件表面质董。2 ) 浇铸件的变形问题；通过合理的设计 及铸造r 艺也可得到一定的控制。3 ) 浇铸件的成分与组织控制：为保证模具机 械加丁1 7 , 的淬硬性，又耍保证模具的机械加工性，需提出合理的成分和组织， 达到仃效控制的同的。4 ) 车身模具实形浇铸件检验杯准问题。卜16 u ，嘲内铸件 伶验枷：准i i 适合乍身模具，闻为标准t 中l 代f i - 以力学忭能为验收标准，火鼬、 ：仅 根j ：l i ：j 学性能验收是不科学地，组织及成分也应有明确舰定，否则会出现后续 淬火丁：艺淬不硬的现象。什么样的成分是最合理应根据模具性能要求、 ：作 条件、模其尺、j 一及后续淬火工艺确定，而这些数据无文献可查，需进行大量试 验确定。山于固内从事车身模具的生产时问较短，对车身模具材料与生产工艺 的研究较少，缺少有效的技术文献资料。因此，除了改善模具的表面处理工艺 外如何获得高品质晌车身模具材料及模具毛坯也是制约国产汽车车身模具丌 发与q ：产的个关键冈素。 1 5 汽车常用铸造模具材料 曲，闸内外所使刚的模具材料根据其用途主要分为：j 大类，h d 冷作模具 材利、热作模具利料和塑料成型用模具材料胁”3 8 1 。根据汽车车身覆盖件模具 的服役条件，其应属f 冷作模具材料范畴。由于汽车覆盖件模具外形轮廓尺寸 大、工作零件型腔复杂、表面质量要求高等特点，因此传统的汽车模具多采用 镶块模其，_ j _ | 1 二周期长，生产成本高，精度低。 随着汽车工业竞争的门益激烈，汽车车型更新换代频率的加快，汽车冷作 模具向整体、多型腔、商精度发展。过去的预成型、成型模具采用整体模具， 现在落料、切边模等模具也采用整体铸造模具，使其模具生产成本降低至1 4 ， 减少材利消耗和切削加t 罨，简化工序，极大地缩短模具q 三产周期，提高了经 济效e i 。铸造模具一般采， j 乜弧炉或感应炉冶炼，砂型、陶瓷型或熔模等铸造 方法阿绥铸接近j 二成品形状的模具铸件。汽车常用铸造模具材料有【3 ： ( 1 ) 低合会铸钢，如7 c r s i m n m o v ( c h 一1 ) 、c a r m o 钢； f2 ) 高合会铸钢，如c r l 2 型冷作模具钢： ( 3 ) 合令铸铁；如合金灰铁、合盒球铁等。 c h 一1 例的合金化程度不高，无大量过剩碳化物。其具有较好的锻造性能、 汽下下身铸铁模j ；l 利利幢模h 柱咖感j 柚沂火r 岂的宄 淬逐阽和u _ 焊接性，并具有较好的强韧性和酬磨性能。它的热处理变形在o 0 2 - - 0 0 5 ，制造有偏差时可用相应的焊条进行补焊，经打磨修整即可达到理想的 效紧。c h 一1 钢淬火温度范围较宽，甚至在1 0 0 2 5 0 的变化范围内淬火，也能 获衔满意效果4 引。 c a r m o 锏是与汽车行业一起丌发的一种冷作工具钢，它是一种高强度火 焰、感应和整体加热淬火用钢。该钢经火焰淬火或整体淬火能用于汽车车身覆 萧件( 薄板) 或结构件( 厚板) 的冲压和成形。浚钢表面经火焰淬火( 无需水 冷) j 艘蔓j 达5 8 + 2 h r d “i ，淬硬层深度一般为4 5 r a m ，经凋质处婵后的基 体为火尘 f 1 淬火堪提供良好的基础，并且浚钢易焊接修补h 烈。 c r l 2 型冷作模具钢属高碳高铬钢，代表铡种有c r l 2 m o v 、c r l 2 m o l v l ( d 2 ) 等。这类钢的共同特点是具有高的淬透性、耐磨性、红硬性和抗压强度。c r l 2 m o v 钏f 1 含碳量比c r l 2 钢低，又因加入了钼和钒，因此其碳化物数量、粒度、形态、 1 j 均匀程度都比c r l 2 钢具有较大的改善，从而韧性得到明显的提高阻“舢】。d 2 钢1 ：| ! c r l 2 m o v 的基础上增加了m o 、v 含量，改善了钢的铸造组织，细化了晶 粒，改善了碳化物形貌，因而d 2 钢的强韧性较c r l 2 m o v 钢高，州磨性也有所 增加 4 “。实践表明，d 2 钢模具寿命较c r l 2 m o v 钢模具寿命有所提高。如用 d 2 钢制作的冷冲裁模、滚丝模、滚轧轮等均比c r1 2 m o v 钢提高5 6 俯。 c h - 1 ，c a r m o 钢等低合金铸钢虽然具有良好的综合性能，侗i l l i 其价 钱较扎般不用来制造车身覆盏件模具。而c r l 2 钢铸造性能较差，也不适用 于车身模具材料。 铸铁渊具有优异的铸造性能、耐磨性能以及良好的经济效果，而被广泛用 作模具材料。特别是在铸铁中加入c r 、m o 、c u 、n i 等合会元素之后，使合会 铸铁的综合e 1 ：能大大增强，在制造大型或特大型模具中应用广泛，其中以c r m o 铸铁j 、i j h 最为j 泛。 但是虽然合余铸铁具有较好的流动性，易于浇铸，而且以它作为汽车覆盖 件模具材料所需的成本较低，但它同样有以下一些缺陷： ( 1 ) 合铸铁在凝嘲过程中，因液念收缩和凝固收缩在铸件犁腔h j 观火 渣、气孔、缩孔及疏松等缺陷。 ( 2 ) 由于铸铁件刚性不足，在内、外力的作用下，容易引起铸铁件的变形： j l 凡学坝i 论业汽下下身铸铁模具丰j 料成模只表面感j 淬火。岂的冗 ( 3 ) 材料成分及组织控制币肖，导致横其机械力工陀较箍或淬小彻。 埘r 铸铁的以i ：缺陷，我们可以通过选择合理的铸j 蛆，较好的悯配再儿索 f 1 9 比例术u 以弥补。j 阿时r 材料成分与组纵控制小当而造成模具机加l 性能差 或淬一i 硬的问题，很少有人研究。 【j j 丁圜内从事车身模具的生产时问较短，对车身模具材料与生产_ 丁：艺的研 究较少，缺少有效的技术文献资料，因此，本论文从铸铁材料的合会化等方面 技，研究j 1 发汽车车身覆盖件模具用铸铁材料，具有重要的理论与实际应用 价值，将能有效推进国产车身模具的生产，实现汽车车身模具的国产化。 1 6 合金元素对铸铁材料淬透性的影响 一合金儿素对铸铁的组织和性能有着重要的影响，冈此，为了解决1 1 ：tj 二 利料成分j 组织控制卅i 当而造成模具机加工性能差或淬不硬的问题，就必须了 解材料机械加工性能和淬透性能的影响因素。从而研究出具有高的淬硬性、良 好的机械加- 性能和良好的铸造性能的车身模具材料。因合会铸铁材料本身就 具有良好的铸造性能，所以必须对材料淬透性和机械加工性进行合理配合，其 r i ，材料的淬硬性是研究的关键所在。而合会元素是材料淬透性的最人影响因素， 幽此就必须知道合盒元素在铸铁中的具体作用，以及其对铸铁组织与性能的影 响，特别是淬透性的影响，从而研究丌发出符合性能要求的合金铸铁。下面是 各元索在铸铁中的具体作用。 ( 1 ) c 是产生高碳相的基础，其生成的石墨对基体的割裂作用和铸造心力 集小的仃害影响在铸件承受压应力作用时较小，所以铸铁的抗拉强度较高适 用丁制造在压应力作用下一 作的拉深模。另外，石墨的存在已经造成大量的内 缺1 ，吲此，铸铁还具有缺口不敏感的特点，但是随着c 的增加，铸铁的石墨 化程度增加而变得柯大，珠光体减少而铁素体增加，硬度减小。 ( 2 ) s i 是促进c 石墨化的元素，溶于铁素体中，使铁索体的强度和硬度 均仃提高，缉性相应有所降低，但s i 含量较高时会使机械性能卜降。硅能降低 哑共析钢的临界冷却速度，增加淬透性。 ( 3 ) m n 能溶于铁索体和渗碳体，增强铁和碳原子的结合力，因而它是阻 础“墨化促进碳化物形成的元素，而且它是稳定蛛光体元素，能提高强度、硬 o 汽下下身铸铁模且栩料坎模具表血感埘淬火r 岂的”究 皮及耐磨性，叮与s 化合抵消一部分s 的有害作用，但m n 含量过商会佼脆 性增朋f ，战m n 的含量应根据原始铁水中s 的含量等因素综合考虑。锰可以显 著增加俐的淬透性。存常用合会元素中，锰存这方面的作用是最强的。这是因 为镐犬幅度降低钢的m s 点，强烈地降低钢的临界冷却速度的缘故。 t 4 ) c u 能减小铸铁刑断向的敏感性，政磐杠罐形念，促进 = k 光体的彤成， 并细化珠光体，提高珠光体的显微硬度，从而增加铸铁的耐磨性【4 8 , 4 9 1 ，c u 能改 善韧性，良好的州蚀性和导热性，与m n 、s i 合用可增加流动性，有利于浇铸 成型，：t - 能细化石墨，但c u 的含量过高会产生热裂倾向。 ( 5 ) c r 为反石墨化作用元素，缩小y 区，有利于提高耐磨性和保持高温 强度，并且c r 增加材料的淬透性，虽然作用不如m n 和m o 但是成本效益很 高。但c r 容易促使品粒长大，并且是碳化物的稳定元素。 ( 6 ) m o 能细化珠光体和石墨，抗腐蚀和氧化能力较好，但m o 稳定碳化 物，能拙化铁索体。m o 是一种强淬透性添加剂5 0 , 5 1 l ，它溶解于奥氏体中的铝， 使l 想氏休稳定、使c 曲线右移、降低码氏体点m s 、降低钢的临界冷上j 速度， 劂l i j 提高钏的淬透性。钼这方面的作用大于铬，但逊于锸。 ( 7 ) n i 在铸铁中有轻微的石墨化作用，能溶于液体铁及奥氏体，降低奥 氏体转变温度，扩大奥氏体区【5 2 , 5 3 1 ，细化并增加珠光体，并且是较好的淬透性 添加剂，能够有效的改善低温性能，但n i 较贵。 ( 8 ) s 和p 为有害元素，其含量均应控制在最低限度，以免产生恶化铸铁 一件能的不良后果 5 4 , 5 5 l 。 材料的淬透性是采用理想临界直径( d ) 来表示的，其表达式为： d | = d | ，xf m nxf s | xf 。xf m o x f n i 其r 扎i d 。为f e c 合金的基本淬透性，与c 及晶粒度有关。 f m 。、f m 。0 、f n 、f s 为相对应的各合会元素的淬透性系数。 因此，当马氏体中的c 含量及奥氏体晶粒度一定时，材料的淬透性只与合 金几鬃f t 天。l i ：当材料中含有多种合余元素时，这些合会元素的影响系数j 通相 乘，设合命元素总的淬透性系数为f m ，则： 缸人节倾【。l 仑正汽下下身铸铁模且材料及模其衷皿感j 叫淬火i 岂的f l j 宄 f m = f m n xf s i xf c r xf m o x n i 图1 2 为符合令元素的淬透性系数： 撅 镞 燃 鲻 髂 i薯n k 汛j 螽长l 虢用表嫩蚓 |誓l i i7 。 | 美 jf j磴 i | ， 嘭 ， y 曲线蘸延长娩，l | j一一 稿0 - ， lil w 9 。警1 ，鲍1 1 元素( ) 砖 辅龟 惑 鞭 瓣 幽1 2 合金元素的淬透性系数 测此，“jc 含量一定、浇注条件相同时，合金元素的淬透性总系数越大， 材利的淬透肚越好。根掘以e 结论，通过比较各元素对材料淬透性的影响，本 论文从合会元素含昔出发，设计不同合金禽最的扶铁和球铁材料 1 7 本论文的研究目的及意义 豁_ i _ ： 二汽乍车身模具在汽车工业中的重要性和汽车车身覆盖件模具实际使用 中存在的问题，为提高汽车车身模具等大型模典的使用寿命，本论文从车身铸 铁模具材料的丌发及模具感应热处理工艺两方面着手进行研究。 本论文将全面改善我崮不能生产汽车车身模坯的现状，填补我因没有汽车 覆盖件模具表面感应加热淬火设备及工艺的空白，解决我国汽车覆盖件模具长 期