预硬型贝氏体塑料模具钢组织优化与性能研究

发布时间：2020-10-19 15:16

　　 随着汽车工业的发展,用于前、后保险杠和仪表盘模具制造的大截面(700mm到1100 mm)模块的需求迅速提高。长期以来调质钢DIN 40Cr Mn Ni Mo(1.2738)占据了这类产品市场,近年来发展较快的中碳贝氏体钢相比传统的调质钢,省去了一些贵重合金元素的添加,如Ni,而且生产周期大幅缩短,这些特点赋予该钢种巨大市场竞争力,但目前相关钢种在大截面模具钢应用方面的研究成果还无法满足市场需求。本文基于这样的应用需求开展了预硬型贝氏体塑料模具钢的组织优化和性能研究。因为大型模具钢特定的生产和应用工况,采用发展较成熟的常规贝氏体钢设计思路无法有效的实现组织控制目标,因此在此类贝氏体模具钢的设计中,新的组织优化思路成为关键。本文以此为切入点,在适用于截面600 mm以下模块生产的现有钢种基础上,利用廉价的合金元素Mn和Si实现了慢冷速下(对应大截面模块)供货态组织优化的目标,主要体现为降低先共析铁素体对应的临界冷速、降低粒状贝氏体的含量、增加下贝氏体含量、降低贝氏体相变过程中的残余奥氏体稳定性和含量。以此为基础开发了一种能够替代DIN 40Cr Mn Ni Mo钢种的新型贝氏体塑料模具钢。本研究综合运用了扫描电镜、透射电镜、XRD、热膨胀相变仪和彩色金相等研究手段对材料的相变过程、断口形貌和表面完整性等特征进行了表征;研究工作首先从限制现有贝氏体钢种SDFT600应用的冲击韧性入手,分析在特定生产工艺条件限制下,材料的冲击韧性和组织构成之间的关系,以确定控制材料韧性的主要组织构成;随后以此确定组织优化目标,通过贝氏体相变理论寻求优化合金设计方案,得到新钢种SDP1,并进行了工业大生产试制。结果证明在截面厚度达到1050 mm的前提下,新钢种的力学性能总体优于660 mm厚度的SDFT600模块。随后通过热变形研究,得到了新钢种的热变形流变应力方程以及不同变形参数下的再结晶规律,为更好的实现该钢种的组织控制提供一定的实验和理论支持。最后部分从塑料模具钢应用推广的角度出发,研究了新钢种在不同晶粒度状态下的铣削性能,以及耐磨损性能和焊接性能,为该钢种的进一步推广提供应用性能研究支持,得到的主要研究成果如下:1.660 mm×1210 mm×2700 mm规格的SDFT600大模块心部试样冲击韧性低于表面,主要由于心部组织含有更多的先共析铁素体和粗化的回火马氏体/奥氏体岛状(马奥岛)组织。先共析铁素体的产生促进碳化物析出、马奥岛组织的形成和粒状贝氏体相变;较大的回火马奥岛组织降低断裂时的晶内和晶间抗力。热变形将促进过冷奥氏体向贝氏体的转变。无热变形条件下,随着晶粒的粗化,先共析铁素体减少,贝氏体转变开始温度升高。2.贝氏体相变理论可有效指导大截面贝氏体模具钢的合金设计;本研究中采用降硅,0.5 wt%到0.2 wt%,增锰,1.4 wt%到1.9 wt%的合金化方案,得到了SDP1钢种,先共析铁素体的临界冷速由0.1oC·s-1(SDFT600)降至0.05 oC·s-1。同冷速下,SDP1钢的先共析铁素体含量低于SDFT600。新钢种的合金设计达到了促进碳化物析出和降低残余奥氏体溶碳能力的目标;造成了冷速低于0.1oC·s-1时,在370oC到380oC所开始的下贝氏体转变。在截面厚度达到1050 mm的前提下,SDP1钢的力学性能总体优于660 mm厚度的SDFT600模块。3.温度在SDP1钢的动态再结晶中起到关键作用,单道次压缩实验证明,在850oC变形时,各应变速率下未出现明显的动态再结晶;1150oC变形时,各应变速率下都发生明显的动态再结晶。0.0015 s-1应变速率下的双道次压缩实验中,850oC变形的试样在道次间隔内主要发生静态再结晶,1100oC变形的试样在道次间隔内发生亚动态再结晶。4.SDP1钢的铣削实验表明晶粒度参数对材料加工面的残余应力影响明显,对表面粗糙度和切削力影响很小。随着晶粒粗化,加工面的残余拉伸应力由223MPa升至478 MPa,表面粗糙度由Ra 732 nm降至Ra 621 nm,切屑的长度增加;不同晶粒度试样的切屑均由宽度为0.5μm至1μm左右的平行板条组成。不同晶粒度试样的铣削力大小和波动幅值接近。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TG142.45
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 中低碳塑料模具钢发展概况
        1.2.1 国内研发概况
        1.2.2 国外研发概况
    1.3 贝氏体相变研究进展
    1.4 模具钢加工性能研究进展
    1.5 本文的研究意义和内容
    参考文献
第二章 试验材料及检测分析
    2.1 试验材料生产
        2.1.1 冶炼工艺
        2.1.2 锻造工艺
        2.1.3 锻后热处理工艺
    2.2 检测分析
        2.2.1 X射线衍射分析
        2.2.2 OM和SEM形貌观察
        2.2.3 TEM显微组织分析
        2.2.4 静态CCT测定
        2.2.5 动态CCT及热变形测定
        2.2.6 表面粗糙度测定
    参考文献
第三章 大截面模块的冲击韧性与组织控制
    3.1 大截面模块冲击韧性与组织研究
        3.1.1 大模块生产，取样和检测
        3.1.2 冲击韧性和组织关系研究
        3.1.3 模拟锻后风冷相变分析
    3.2 热变形和奥氏体化温度在组织控制中的作用
        3.2.1 热变形对过冷奥氏体相变的影响
        3.2.2 奥氏体化温度对过冷奥氏体相变的影响
        3.2.3 分析
    3.3 本章小结
    参考文献
第四章 优化钢种合金设计和性能分析
    4.1 优化钢种的合金设计与性能
        4.1.1 合金设计
        4.1.2 实际生产和实验室模拟研究
        4.1.3 组织分析
        4.1.4 力学性能分析
    4.2 高锰合金设计
        4.2.1 材料生产和实验设计
        4.2.2 组织分析
    4.3 本章小结
    参考文献
第五章SDP1 钢热变形模拟研究
    5.1 热变形峰值流变应力研究
    5.2 形变再结晶行为研究
    5.3 本章小结
    参考文献
第六章SDP1 钢铣削、耐磨损和焊补性能研究
    6.1 不同晶粒度SDP1 钢铣削性能研究
        6.1.1 实验材料的制备
        6.1.2 试验及检测设备
        6.1.3 试验结果与分析
    6.2 摩擦磨损性能
        6.2.1 实验材料，方法和检测
        6.2.2 实验结果和分析
    6.3 焊接性能
    6.4 本章小结
    参考文献
第七章 结论与创新
    7.1 结论
    7.2 创新
    7.3 后续研究工作展望
攻读博士学位期间的科研成果
攻读博士学位期间参与的科研项目
致谢


本文编号：2847378