大型覆蓋件模具材料用高強度球墨鑄鐵的研制

邵悅翔， 朱協(xié)彬， 徐達義， 王邦倫

(1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院， 安徽 蕪湖 241000； 2.蕪湖泓鵠材料技術(shù)有限公司， 安徽 蕪湖 241000)

汽車覆蓋件作為汽車的一個重要組成部件，具有材料薄、樣式多等特點，為當前汽車制造行業(yè)的研究重點[1]。汽車覆蓋件經(jīng)沖壓成形，所用材料是影響沖壓模具質(zhì)量及使用壽命的關(guān)鍵因素，不同類型的汽車零部件對材質(zhì)的要求也不同[2]。因此，選擇合適的模具材料對降低企業(yè)生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量有著重要作用。

球墨鑄鐵優(yōu)良的力學性能和鑄造成型性使其在汽車、風電、核乏燃料儲運等方面應(yīng)用廣泛，且年產(chǎn)量逐年增長[3-5]。球墨鑄鐵有與鋼類似的金屬基體，其基體上分布著球狀石墨。由于球狀石墨對基體的割裂程度較弱，引起的應(yīng)力集中較小，所以球墨鑄鐵的強度、韌性高于其他鑄鐵，甚至可匹敵相應(yīng)組織的鑄鋼[6]。珠光體基球墨鑄鐵強度、硬度都比較高，韌性優(yōu)異，越來越多地用于機械制造[7-11]。將高強度的球墨鑄鐵應(yīng)用于汽車覆蓋件模具中，不僅可以降低生產(chǎn)成本，還可以提高模具的質(zhì)量和使用壽命。

高強度球墨鑄鐵的制備通常采用以下方法：選擇合適的熱處理工藝制得，或者通過添加合金元素在鑄態(tài)下直接獲得[12-13]。曹鳳梅等通過添加2.23%Mn、0.36%Cr以及1.72%Mo的合金元素，使球墨鑄鐵模具材料的抗拉強度及硬度得到提高；此外，成分中的某些元素在鑄件表面形成氧化膜(如Cr形成Cr2O3氧化膜)，使鑄件表面的抗氧化性能提高；成分中的Mo元素對球墨鑄鐵基體組織有穩(wěn)定和細化的作用[14]。趙從容等在實驗中通過添加0.85%Mn、0.65%Mo和1.50%Cr的合金元素，鑄件組織中石墨球細小且圓整度高，珠光體比例增加，從而使沖壓模具材料的抗拉強度和硬度得到提高；且添加合金元素后，材料的塑性增大，晶粒細化，在表面形成的氧化膜使材料的抗熱疲勞性能提高。本文通過添加Cu、Mo、Cr和Ni合金元素，在鑄態(tài)條件下獲得用于汽車覆蓋件模具的高強度球墨鑄鐵材料，并對球墨鑄鐵的組織和性能進行分析。

1 化學成分選擇

化學成分既能使球墨鑄鐵獲得良好組織，又能使其獲得優(yōu)異性能?；瘜W成分的選擇原則是，要能促進石墨的球化和得到良好基體，保證鑄鐵有良好的鑄造性能。鑒于此，本文選擇的化學成分及含量見表1。

表1 球墨鑄鐵中的化學成分及含量(質(zhì)量分數(shù)) %

2 實驗

2.1 實驗材料

生鐵、廢鋼，增碳劑，75SiFe，65MnFe，球化劑FeSiMg6RE2，孕育劑硅鈣鋇，電解銅(Cu≥99.9%)，鎳板(Ni≥99.9%)，鉻鐵(Cr≥60.0%)和鉬鐵(Mo≥60.0%)。球化劑和孕育劑的主要化學成分、含量及粒度分別見表2、表3。

表2 球化劑的化學成分、含量(質(zhì)量分數(shù))及粒度

表3 孕育劑的化學成分、含量(質(zhì)量分數(shù))及粒度

2.2 實驗方法

2.2.1 鐵液熔煉及處理

根據(jù)爐料的配比將生鐵、廢鋼以及合金材料送入15 kg中頻感應(yīng)爐中熔煉，在其出爐前加入硅鐵和錳鐵。球化處理采用傳統(tǒng)沖入法。為強化孕育效果，本文采用包內(nèi)孕育和瞬時孕育。當爐中鐵液溫度超過1 400 ℃時，為確保鐵液的化學成分在設(shè)定范圍內(nèi)，對鐵液進行取樣化驗(采用冷水對試塊進行激冷處理，防止石墨析出，使用光譜儀測量試塊成分，若與設(shè)定范圍存在差值，則進行調(diào)整)，待化學成分滿足設(shè)定范圍后，準備鐵液出爐，在1 480 ℃左右采用包底凹坑沖入法進行球化處理，球化劑的量根據(jù)鐵液中硫元素的含量確定(本實驗球化劑的加入量為鐵液的1.5%)；孕育劑的加入量為鐵液量的0.8%。先將球化劑FeSiMg6RE2放入包底凹坑處，鋪平搗實，然后在球化劑上面覆蓋一層硅鋇孕育劑，鋪平搗實，再使用碎鋼片覆蓋在上層并壓實。球化處理結(jié)束后，向澆包內(nèi)撒除渣劑進行除渣，扒凈鐵液表面的渣質(zhì)后，將莫來石擋渣棉覆蓋在鐵液面上，移至砂箱處準備澆注，澆注溫度控制在1 440 ℃左右。將鐵液澆注到呋喃樹脂砂型中，同時采用粒度為0.3～1.0 mm的孕育劑硅鈣鋇進行瞬時孕育。澆注Y-25試塊，尺寸參考GB/T 1348-2009，用于觀察金相的試樣和測試性能的試塊都從Y型試塊底部選取。Y-25試塊的底部基本對應(yīng)于抗拉試棒斷口區(qū)域，因而可相對準確地判斷其性能和組織的關(guān)系[16]。Y-25型試塊尺寸及取樣位置如圖1所示。

圖1 Y-25型試塊尺寸(mm)及取樣位置

2.2.2 測試方法

采用 OLMYPUS-BX51型光學顯微鏡觀察球墨鑄鐵石墨形態(tài)及基體組織，利用220HBS-3000型數(shù)顯顯微硬度計對球墨鑄鐵試樣的硬度進行測試。在室溫下使用微機液壓萬能試驗機進行拉伸實驗，按照GB/T 1348-2009使用車床加工標準抗拉試棒，試棒尺寸(mm)、形狀如圖2所示。

圖2 拉伸試樣

3 結(jié)果與分析

3.1 石墨形態(tài)及基體組織

Cu、Ni、Cr和Mo元素的合理搭配，是獲得珠光體組織的關(guān)鍵。球化后光譜檢測的鐵液化學成分及含量見表4。

合金球墨鑄鐵的石墨形態(tài)為球狀石墨，如圖3所示。由圖3可知，圖3(a)、圖3(c)中石墨球圓整，大小一致且分布均勻，球化級別在2級以上、石墨尺寸在6級以上；圖3(b)中石墨球圓整但大小不一且分布不均，球化級別達2級，石墨尺寸達6級。使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕拋光態(tài)試樣，基體組織如圖4所示。由圖4可知，3個圖中均含有少量的“牛眼狀”組織，鐵素體環(huán)繞在石墨球四周，且珠光體含量均 ≥90%；圖4(b)中“牛眼狀”組織的數(shù)量比圖4(a)、圖4(c)多。

表4 球化后鐵液化學成分含量(質(zhì)量分數(shù)) %

在球墨鑄鐵基本成分的基礎(chǔ)上添加Cu、Mo、Cr、Ni等合金元素后，Cu元素易使鐵液中的碳形成石墨，減少游離滲碳體形成；Ni元素作為石墨化元素，其碳化物形成能力差，可在鐵液共晶凝固階段降低白口傾向。因此，球墨鑄鐵中石墨球圓整度好，球化率高。此外，Cu元素在共析轉(zhuǎn)變時易使珠光體形成，對球墨鑄鐵基體起固溶強化作用；Mo元素盡管在一定含量內(nèi)對石墨形態(tài)影響不顯著，但可以細化珠光體；Cr元素雖然極易使碳化物形成，但在含量很少時可以穩(wěn)定珠光體；Ni元素能提高珠光體比例，并細化珠光體。因此，制備的球墨鑄鐵中珠光體比例高，鐵素體比例相對較少。

3.2 力學性能

在相同工藝條件下且化學成分在一定范圍內(nèi)，合金化球墨鑄鐵的力學性能如表5所示。由表5可知，試樣抗拉強度最高達805 MPa，試棒的抗拉強度均超過800 MPa，所有實驗試棒的伸長率在3.0%以上，最高達3.8%；只有1號試棒的布氏硬度值在260 HB以下，其他試棒均超過260 HB。

(a) 2號試樣

(b) 3號試樣

(c) 4號試樣圖3 3個試樣球墨鑄鐵的石墨組織

(a) 2號試樣

(b) 3號試樣

(c) 4號試樣圖4 3個試樣球墨鑄鐵的基體組織

序號硬度/HB抗拉強度/MPa伸長率/%12598033.1422648023.5632688033.6042688053.3252608003.80

4 結(jié)論

(1) 通過合金元素的復合疊加作用，石墨球得到細化，圓整度得到提高，珠光體數(shù)量增加且穩(wěn)定不易分解。

(2) 研制的高強度合金球墨鑄鐵，石墨球化率在2級以上，珠光體含量≥90%，抗拉強度穩(wěn)定在800 Mpa以上，硬度為 260 HB左右，伸長率為 3.0%。