陶 磊
(安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與汽車工程系,安徽 淮南 232001)
我國的汽車模具產(chǎn)能在世界上極具優(yōu)勢,模具材料的質(zhì)量和性能是影響模具質(zhì)量、壽命和成本的重要因素。近年來,在大中型沖壓模具上選用鑄鐵材料,對提高模具加工質(zhì)量效果明顯。目前,汽車覆蓋件拉延模具大量使用合金鑄鐵,如MoCr鑄鐵、GM241與GM246等。針對在轎車車身覆蓋件沖壓模具拉延模上應(yīng)用最多的兩種合金鑄鐵材質(zhì)MoCr及GGG70L,研究了其性能提升對模具淬火質(zhì)量的影響,為模具部件材料的選取尤其是模架制造提供參考。
MoCr基體組織為:鐵素體F、珠光體P、滲碳體Fe3C和片狀石墨,因MoCr碳當(dāng)量低,且含一定量的Mo、Cr、Cu等合金元素,此類合金元素增加珠光體含量的同時也是碳化物形成的元素,所以基體中鐵素體相對較少,其最主要的基體為珠光體與滲碳體[1-3]。MoCr等同于NAAMS標(biāo)準(zhǔn)的G3500材質(zhì),其性能標(biāo)準(zhǔn)見表1所示。
在滿足標(biāo)準(zhǔn)的前提下,在實際應(yīng)用中,MoCr鑄鐵仍然會出現(xiàn)不同程度的淬火麻點問題和淬火硬度不足等問題,如圖1所示。
圖1 MoCr鑄鐵麻點圖片
片狀石墨淬火過程易造成石墨脫離,且石墨越大,脫離越明顯,造成麻點,反之不考慮淬火工藝對脫碳的影響,石墨越細(xì)小越不容易脫碳,所以控制石墨形態(tài)、石墨形核、石墨二次生長是關(guān)鍵要素[4-6]。
改變材料配伍,降低碳當(dāng)量、調(diào)整促形核材料配比SiC,應(yīng)用反石墨化合金元素Cr、鈍化石墨生長S,通過增加鐵液過冷度,利用滲碳體里固溶度高不易剝離的特點,先形成A型石墨,石墨的析出導(dǎo)致周邊鐵液進(jìn)一步脫碳,過冷度進(jìn)一步增加進(jìn)而形成過冷石墨B型石墨,形成了A+B型石墨的組合體,控制了厚大斷面石墨的生長,石墨進(jìn)一步變窄、數(shù)量增多、石長變短,固溶度高,優(yōu)化調(diào)整后MoCr淬火過程中碳剝離減少,消除了麻點問題。孕育劑采用特種合金,利用合金特點促進(jìn)珠光體生成及阻礙石墨二次生長,起到加強(qiáng)細(xì)化的作用。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)A型石墨形態(tài)和改良后A+B型石墨如圖2和圖3所示。
表1 MoCr性能標(biāo)準(zhǔn)
圖2 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)A型石墨形態(tài)
圖3 改良后A+B型石墨
由圖3可以看出,同等倍數(shù)的前提下,視場內(nèi)石墨數(shù)量和大小有了明顯的變化。由于數(shù)量的增多,石墨片變窄,石長變小,固溶度高,抗剝離性能明顯增強(qiáng)。
受石墨粗大的影響,使得組織不致密、淬火后麻點,洛氏硬度計落點變化造成檢測硬度偏差。珠光體含量不穩(wěn)定,淬火轉(zhuǎn)變成馬氏體受碳量的影響,其C主要來源于珠光體中的滲碳體和自由滲碳體中的碳原子[7-9]。調(diào)整珠光體和滲碳體的比例關(guān)系后,獲得了馬氏體轉(zhuǎn)變所需要的碳。采用同一標(biāo)準(zhǔn)合金含量的條件下,受產(chǎn)品壁厚偏差冷卻條件的影響,珠光體會發(fā)生不穩(wěn)定情況。
實驗中,控制石墨和基體轉(zhuǎn)變,降低碳當(dāng)量,通過增加反石墨化元素Cr的量調(diào)整。增加組織中自由滲碳體的含量,滲碳體碳含量為6.69%,增加馬氏體轉(zhuǎn)變所需的含碳量,使得基體變?yōu)橹楣怏w加滲碳體組織,基體里面轉(zhuǎn)變的碳總量為1.2%~1.4%,達(dá)到針狀馬氏體的碳含量。滲碳體里面的碳為化合物,固溶不易析出,設(shè)定滲碳體含量為10%~15%。需要依據(jù)壁厚調(diào)整合金加入量。
MoCr鑄鐵原始組織對淬火硬度的應(yīng)用驗證如圖4~6所示。試驗表明,減少碳當(dāng)量、增加阻礙石墨化元素、改變基體組織含量、通過特種孕育劑強(qiáng)化細(xì)化石墨的措施,進(jìn)一步調(diào)整碳化物含量標(biāo)準(zhǔn),可獲得更高的淬火硬度,提高模具使用性能,降低模具成本,提升模具質(zhì)量。
圖4 調(diào)整前碳化物含量≤3%
圖5 調(diào)整后碳化物含量12%
圖6 淬火后表面光潔無麻點
試驗獲得的新型MoCr合金鑄鐵與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求性能對比見表2所示。實踐證明,新開發(fā)的MoCr合金鑄鐵具備更加穩(wěn)定的機(jī)械性能和良好的淬火質(zhì)量,從而有效減少拉毛,提升沖壓模具使用壽命,擴(kuò)大材料的應(yīng)用領(lǐng)域,降低模具毛坯采購成本。
表2 新型MOCR合金鑄鐵與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求性能對比
GGG70L基體組織為鐵素體F、珠光體P和球狀石墨。為了獲得高的強(qiáng)度和硬度必須用珠光體作基體,雖然滲碳體里的碳總量更易提高馬氏體的硬度和強(qiáng)度,但由于合金含量高和滲碳體會加大收縮率,故必須要限制滲碳體的存在,基體中含碳量主要來源于珠光體中的滲碳體Fe3C。實際生產(chǎn)中由于產(chǎn)品壁厚不均勻,珠光體含量不穩(wěn)定,碳總量不能滿足馬氏體的需要,造成淬火硬度值波動。GGG70L行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),見表3所示。實際生產(chǎn)中,在滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的前提下,仍然有不同程度的淬火硬度不足和淬火開裂等問題,影響模具質(zhì)量及開發(fā)周期。
假設(shè)基體中為100%的珠光體,理論上基體碳含量為0.77%,此范圍內(nèi)隨珠光體中C含量達(dá)到0.6%及以上一定區(qū)間時淬火硬度越高,所以,確定珠光體穩(wěn)定的區(qū)間,獲得合適的碳含量以滿足馬氏體是關(guān)鍵。珠光體的形成在A1點至550 ℃之間,過冷度高低會影響珠光體的形成。
表3 GGG70L行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
合金元素除Mo、Ni可以強(qiáng)化基體強(qiáng)度外,加入一定量的Cr、Sb元素,也可以非常好地促基體強(qiáng)化及形核,控制石墨球的大小,改變材料標(biāo)準(zhǔn)配伍,才能獲得更穩(wěn)定的珠光體。改變材料配伍,在現(xiàn)有材料標(biāo)準(zhǔn)里增加Cr合金,增加過冷度,促進(jìn)形成更多的珠光體,穩(wěn)定在80%~90%,這時,馬氏體碳含量為0.61%~0.69%,可獲得較高的淬火硬度和強(qiáng)度。孕育劑中添加Sb及特殊合金,促進(jìn)珠光體和石墨球細(xì)化,提高球化等級和石墨等級。
珠光體不穩(wěn)定,基體組織偏析大,石墨球大小等級低,石墨球數(shù)量少將嚴(yán)重影響基體強(qiáng)度。淬火時低碳部位的Ms點高,會先轉(zhuǎn)變成馬氏體,而高碳部位的Ms點低,會后轉(zhuǎn)變成馬氏體。由于馬氏體轉(zhuǎn)變的時性不同,會產(chǎn)生較大的組織應(yīng)力差,又由于高碳馬氏體和低碳馬氏體的比體積不一致,進(jìn)而增加了內(nèi)應(yīng)力,致使淬火開裂。所以,當(dāng)珠光體含量不足,馬氏體所需要的碳不足0.6時,提高淬火溫度,增加變形及內(nèi)應(yīng)力,獲得強(qiáng)度高且石墨球數(shù)量多的均勻的珠光體,是解決淬火裂紋的關(guān)鍵。
實驗表明,調(diào)整熔煉工藝、改良化學(xué)成分、添加特殊合金材料提升珠光體含量,通過特種球化、孕育材料應(yīng)用,提升球化率、增加石墨球數(shù)量,細(xì)化晶粒,可以有效解決淬火硬度不足及開裂的問題,提升并穩(wěn)定高牌號合金鑄鐵的質(zhì)量。隨機(jī)抽取市場現(xiàn)有GGG70L高牌號球墨鑄鐵,試驗改進(jìn)后,GGG70L高牌號球墨鑄鐵性能分析見表4所示。改進(jìn)前后GGG70L高牌號球墨鑄鐵金相組織如圖7。
圖7 改進(jìn)前后GGG70L金相組織
分析對比可知,市場現(xiàn)有GGG70L高牌號球墨鑄鐵金相珠光體含量較高,淬火硬度可以滿足要求,但球化率偏低,石墨球少,石墨粗大,晶粒粗大,延伸低,其淬火開裂傾向較大。經(jīng)試驗改進(jìn)后,金相石墨球圓整,石墨球細(xì)小,組織的晶粒細(xì)小均勻,延伸性高,珠光體含量高,分布飽滿,淬火性能相對較穩(wěn)定,不易出現(xiàn)硬度不足或開裂問題。
表4 改進(jìn)前后GGG70L高牌號球墨鑄鐵性能
新型GGG70L高牌號球墨鑄鐵金相力學(xué)性能與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求性能對比見表5所示。
表5 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與新型GGG70L金相力學(xué)性能
1)要保證MoCr合金鑄鐵具有更好的淬火質(zhì)量,一方面需要石墨更加細(xì)小,另一方面需要基體中具有一定含量的碳化物以強(qiáng)化基體。在金相力學(xué)性能上,要求金相具備更高的石墨等級,一般為5級以上,基體具備更高的碳化物含量,一般為10%~15%。
2)要保證GGG70L高牌號球鐵具有更好的淬火質(zhì)量,從原始組織分析,一方面需要晶粒細(xì)小、均勻,另一方面需要足夠且飽滿均勻分布的珠光體含量。在金相力學(xué)性能上,材質(zhì)需要較高的球化率、細(xì)而多的石墨球、較高的珠光體含量,且具備良好的綜合力學(xué)性能,即兼具高抗拉強(qiáng)度和高延伸率。