一種新型冷作模具鋼DC53鋼試驗(yàn)研究

周建，萬德宏，王化勝，李林杰

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

一種新型冷作模具鋼DC53鋼試驗(yàn)研究

周建，萬德宏，王化勝，李林杰

（中車齊齊哈爾車輛有限公司，黑龍江齊齊哈爾161002）

本文介紹了一種新型冷作模具鋼DC53鋼的物理性能和熱處理工藝，探索了DC53鋼作為模具鑲塊材料的使用壽命。與冷作模具鋼7CrSiMnMoV進(jìn)行了性能比較試驗(yàn)，結(jié)果表明，相同工況下，DC53鋼壽命是7CrSiMnMoV鋼的5～6倍，使用DC53鋼代替7CrSiMnMoV鋼在鐵路貨車用冷沖壓模具中是可行的。

沖壓模具；模具材料；DC53鋼；性能試驗(yàn)；使用壽命

近年來，隨著重載鐵路發(fā)展，對(duì)工裝精度、壽命及成本提出了更高要求[1-2]。冷沖壓模具使用量逐年增加，已經(jīng)成為生產(chǎn)各類板材類零件的重要工藝裝備。作為冷沖壓模具的金屬材料在使用中受到冷擠壓成形、沖裁力的影響很大，特別是重要部件凸、凹模，因此，要求冷作模具鋼具有較強(qiáng)的強(qiáng)度、韌性及耐磨性。此外，傳統(tǒng)材料的模具平均壽命較短，使用時(shí)由于過度磨損等原因?qū)е虏缓细衿废鄳?yīng)增多；開裂、崩刃等導(dǎo)致模具不能正常工作；工人頻繁更換新鑲塊，勞動(dòng)強(qiáng)度高，等。為此，在對(duì)國內(nèi)外模具行業(yè)使用的凸、凹模材料進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇新型冷作模具鋼DC53鋼作為冷沖壓模具材料，并與7CrSiM-nMoV鋼進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。

1 性能對(duì)比

7CrSiMnMoV鋼其合金元素包含Mn、Mo、Si、Cr、V等，并且含少量強(qiáng)化物元素Mn、V?；鼗鸷螅牧系奶蓟锲鲂?，其金相組織為貝氏體和部分殘留奧氏體，并且金相組織均勻，回火后的材料表面硬度為56～60HRC[3]。但7CrSiMnMov鋼的耐磨性較差，容易磨損過度而報(bào)廢，同時(shí)在經(jīng)常使用時(shí)也會(huì)產(chǎn)生變形、崩刃現(xiàn)象。

DC53是在Crl2MoV基礎(chǔ)上改進(jìn)的模具鋼，DC53模具鋼合金元素與7CrSiMnMoV鋼基本相似，常規(guī)熱處理?xiàng)l件下，殘余奧氏體幾乎全部分解，在低溫回火時(shí)，硬度和沖擊韌性都較高，因此用DC53鋼制造的模具鑲塊很少出現(xiàn)裂紋和崩裂，可大大提高使用壽命；在熱處理淬火后可達(dá)到硬度HRC61以上，且變形小，故可使模具精度較高；耐磨性、切削性好，電加工變質(zhì)層殘余應(yīng)力小，回火后殘余奧氏體轉(zhuǎn)變較充分，碳化物細(xì)小并分布均勻[4]，故可使模具壽命較長，同時(shí)加工工時(shí)較省。DC53鋼與7CrSiMnMoV鋼化學(xué)成分如表1、表2所示。

表1 DC53主要化學(xué)成分表

表2 7CrSiM nM oV主要化學(xué)成分表

其中，C對(duì)模具鋼的硬度、韌性和耐磨性有很重要影響，含量多則硬度、耐磨性增強(qiáng)而韌性降低；少量的Si可強(qiáng)化基體韌性，并提高鋼的低溫回火、火焰淬火后金相組織的穩(wěn)定性；Mn可提高鋼的淬透性和基體的強(qiáng)度，但能促進(jìn)晶體生長，降低鋼的韌性；Cr是模具鋼常用元素，可提高鋼的硬度和耐磨性；Mo、V和其他元素形成的化合物可起到阻止晶體生長的作用，并保證鋼的耐磨性[3]。

2 熱處理參數(shù)

2.1 熱處理與材料有效厚度

模具鋼熱處理是把金屬材料在固態(tài)范圍內(nèi)通過一定加熱、保溫和冷卻來改變金屬材料組織和性能的工藝[5]，熱處理溫度、時(shí)間的控制，對(duì)于毛坯的工藝性能、工件的使用性能有很大影響，對(duì)溫度、時(shí)間的不當(dāng)控制，會(huì)對(duì)熱處理質(zhì)量產(chǎn)生影響，可能造成不良的熱處理變形，無法正確控制工件尺寸的變化。

在模具鋼作為凸、凹模使用時(shí)，從毛坯加工到成品，需要經(jīng)過多道熱處理工序，但模具鑲塊形狀、尺寸、要求不盡相同，經(jīng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)考慮，材料的淬透性越好，材料厚度相對(duì)越小，熱處理性能越好。在通過計(jì)算后，材料模具鑲塊可以按相對(duì)厚度來計(jì)算，有效厚度計(jì)算如圖1所示。

圖1 材料有效厚度

2.2 7CrSiM nM oV鋼熱處理工藝

在使用7CrSiMnMoV鋼作為模具鑲塊時(shí)，通常需經(jīng)過下料、鍛造、退火、粗加工、淬火、回火、精加工、鉗工組裝工序。這里主要說明熱處理工序參數(shù)。

（1）鍛造：鍛造溫度范圍較寬，鍛后灰中冷卻。硬度49～51HRC。鍛造工藝如表3所示。

表3 鍛造工藝溫度

（2）退火：鍛造后需要進(jìn)行緩冷退火或等溫球化退火，以防產(chǎn)生裂紋。退火工藝為溫度800～820°1h，爐冷至300°以下出爐，使退火硬度為200～230HBS。

（3）淬火：淬火前需經(jīng)過180～200°左右的溫度預(yù)熱2h，再用乙炔進(jìn)行淬火，加熱到880～900°（有效厚度按1mm/min計(jì)算）。

（4）回火：回火溫度280～320°，回火次數(shù)1次，回火時(shí)間1h（有效厚度按1mm/min計(jì)算），空冷至常溫，硬度可達(dá)56-60HRC[6-7]。

2.3 DC53鋼熱處理工藝

使用DC53鋼作為模具鑲塊，其工序與使用7CrSiMnMoV鋼作為模具鑲塊相似，但熱處理淬火和回火工序有很大不同。具體熱處理工藝參數(shù)如下。

熱處理預(yù)熱：①大件升溫時(shí)間3h，小件升溫1～1.5h到650℃；②650℃保溫1.1×t（有效厚度）；③650～850℃升溫，大件100min，小件30～40min；④850℃保溫0.7×t（有效厚度）；⑤30min升溫到1030℃；⑥1030℃保溫0.8t+30min。

若使用熱電偶測試表面心部溫差：①650℃保溫，當(dāng)溫差小于90℃可以升溫；②850℃保溫，當(dāng)溫差小于40℃可以升溫；③1030℃保溫，當(dāng)溫差小于5℃+ 30min保溫即可淬火。

油淬：預(yù)冷到850～900℃時(shí)入油，工件角部變暗；出油溫度300℃左右。

回火：回火溫度520～530℃，回火次數(shù)2次，回火時(shí)間1.7×t（材料厚度不是有效厚度）+120min。

DC53鋼熱處理曲線如圖2所示。

圖2 DC53鋼熱處理曲線

3 應(yīng)用對(duì)比

3.1 DC53鋼試驗(yàn)方案

通用棚車車門止鐵需求量很大。根據(jù)以往所設(shè)計(jì)的凸、凹模圖紙，采用DC53鋼作為模具凸、凹模材料，對(duì)使用壽命、精度、磨損情況進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)與以往使用的7CrSiMnMoV鋼對(duì)比。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，自原料采購開始，由專人負(fù)責(zé)，保證來料尺寸、材質(zhì)等不出錯(cuò)并由原材料公司出具合格證；在加工時(shí)，由工藝員指導(dǎo)，保證加工質(zhì)量符合圖紙要求；熱處理也按原材料公司所提供工藝參數(shù)淬火、回火；在沖壓現(xiàn)場使用中，正確使用設(shè)備，減少各種影響因素。同時(shí)，記錄及統(tǒng)計(jì)沖裁件數(shù)量與凸、凹模質(zhì)量，通過記錄分析DC53鋼的使用性能。

3.2 實(shí)際試驗(yàn)情況

試驗(yàn)共沖裁工件35000件，具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。

在整個(gè)試驗(yàn)中，7CrSiMnMoV鋼作為模具凸、凹模時(shí)，沖裁件數(shù)量5000件，并且沖裁件尺寸變大。在車門止鐵沖裁中，有過度磨損、開裂、塌陷、崩刃等早期失效現(xiàn)象，具體如圖3所示。其中，磨損是由于凸、凹模與板材長期相互作用產(chǎn)生的，與材料材質(zhì)有關(guān)，經(jīng)過表面處理仍有較大磨損；開裂、塌陷、崩刃等現(xiàn)象是材料強(qiáng)度和韌性不夠造成的，同時(shí)與使用時(shí)間有關(guān)。

表4 凸、凹模使用情況對(duì)比

圖3 車門止鐵凹模開裂、崩刃

在DC53鋼作為模具凸、凹模時(shí)，沖裁件數(shù)量30000件，沖裁件精度較高，鑲塊磨損小，局部產(chǎn)生劃痕，打磨后可繼續(xù)使用，沒有開裂、崩刃等失效現(xiàn)象。試驗(yàn)后模具如圖4所示。對(duì)比可見，在相同使用情況下，DC53模具鋼使用壽命可達(dá)7CrSiMnMoV鋼的5～6倍。

3.3 制造成本對(duì)比

不考慮其他因素，在相同情況下作為車門止鐵凸、凹模，DC53鋼與7CrSiMnMoV鋼每kg成本分別為：①采用DC53鋼的采購、制造、熱處理成本為：60+ 3×350+5=1115（元）；②采用7CrSiMnMoV鋼的采購、制造、熱處理成本為：20+3×350+4=1074（元）。在采購中，DC53鋼需要從外地購買成品原料，運(yùn)費(fèi)包含在成本里；7CrSiMnMoV鋼在本地即可鍛造、購買。

圖4 DC53鋼試驗(yàn)后模具狀況

4 結(jié)語

從試驗(yàn)記錄、跟蹤統(tǒng)計(jì)可以看出，使用DC53鋼與使用7CrSiMnMoV鋼制造的模具鑲塊相比，使用壽命提高5～6倍，具有相對(duì)成本低，使用壽命長、模具精度高、沖裁后工件尺寸一致等優(yōu)點(diǎn)，可以改善以往模具鑲塊經(jīng)常出現(xiàn)的過度磨損、開裂、塌陷、崩刃等早期失效現(xiàn)象，改善因提前制造鑲塊備品產(chǎn)生的轉(zhuǎn)運(yùn)、組裝等人力和物力浪費(fèi)，解決生產(chǎn)中長期因模具失效而妨礙正常生產(chǎn)的難題。生產(chǎn)中，從安全、產(chǎn)品精度、質(zhì)量、重復(fù)更換、制造成本上綜合考慮，并通過以上分析比較，選取綜合性能較好的新型冷作模具鋼DC53鋼代替7CrSiMnMoV鋼是可行的。

[1]王成波，李林杰，王廣欣，等.鐵路貨車鑄件用模具芯盒框結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鑄造技術(shù)，2015，36（4）：1069-1071.

[2]陳玉清，李林杰，王廣欣，等.新型鍛造鉤舌復(fù)雜曲面誤差分析與調(diào)整方法[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，34（2）：83-86，96.

[3]彭衛(wèi)東.7CrSiMnMoV鋼的性能及其在冷擠壓模中的應(yīng)用[J].模具制造，2004，（2）.

[4]賈慈力，沈耀仁，陸文華，等.DC53回火特性研究[J].上海工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（4）.

[5]崔振鐸，劉華山.金屬材料及熱處理[M].長沙：中南大學(xué)出版社，2010：31，311-314.

[6]王孝培.沖壓手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011：650-655.

[7]賈玉申.沖壓模具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國鐵道出版社，1996：459-462.

Experimental study on the new material DC53 cold stamping die steel for railway freight car

ZHOU Jian,WAN Dehong,WANG Huasheng,LI Linjie
（CRRC Qiqihar Rolling Stock Co.,Ltd.,Qiqihar 161002,Heilongjiang China）

The physical properties and heat treatment process of the new cold stamping die steel DC53 have been introduced in the text.The service life of DC53 as die insert material has been explored.Meanwhile the comparison of each performance between DC53 and 7CrSiMnMoV has been conducted.The results show that the service life of DC53 is 5-6 times higher than 7CrSiMnMoV underthe same working condition.Itis feasible to replace 7CrSiMnMoV with DC53 in cold stamping die steel for railway freight car.

Stamping die;DC53 steel;Service life

TG385.2

B

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.05.027

1672-0121（2016）05-0092-03

2016-02-19；

2016-04-26

周建（1988-），男，助工，從事鐵路貨車模具設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究。E-mail：zhoujian771819726@126.com