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)

0 引言

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(duì)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(duì)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(duì)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。

1 MoCr合金鑄鐵原始基體組織對(duì)淬火質(zhì)量的影響

1.1 MoCr鑄鐵現(xiàn)狀

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(shí)也是碳化物形成的元素，所以基體中鐵素體相對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，MoCr鑄鐵仍然會(huì)出現(xiàn)不同程度的淬火麻點(diǎn)問題和淬火硬度不足等問題，如圖1所示。

圖1 MoCr鑄鐵麻點(diǎn)圖片

1.2 MoCr鑄鐵原始組織對(duì)麻點(diǎn)問題的影響

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(diǎn)，反之不考慮淬火工藝對(duì)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(diǎn)，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(diǎn)問題。孕育劑采用特種合金，利用合金特點(diǎn)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)。

1.3 MoCr鑄鐵原始組織對(duì)淬火硬度的影響

受石墨粗大的影響，使得組織不致密、淬火后麻點(diǎn)，洛氏硬度計(jì)落點(diǎn)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(huì)發(fā)生不穩(wěn)定情況。

實(shí)驗(yàn)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(duì)淬火硬度的應(yīng)用驗(yàn)證如圖4～6所示。試驗(yàn)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(diǎn)

試驗(yàn)獲得的新型MoCr合金鑄鐵與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求性能對(duì)比見表2所示。實(shí)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(duì)比

2 GGG70L高合金球墨鑄鐵原始組織對(duì)淬火質(zhì)量的影響

2.1 GGG70L鑄鐵現(xiàn)狀分析

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(huì)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(shí)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(dòng)。GGG70L行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，見表3所示。實(shí)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。

2.2 GGG70L原始組織對(duì)淬火硬度的影響

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(shí)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(diǎn)至550 ℃之間，過冷度高低會(huì)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(shí)，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(jí)和石墨等級(jí)。

2.3 GGG70L原始組織對(duì)淬火開裂的影響

珠光體不穩(wěn)定，基體組織偏析大，石墨球大小等級(jí)低，石墨球數(shù)量少將嚴(yán)重影響基體強(qiáng)度。淬火時(shí)低碳部位的Ms點(diǎn)高，會(huì)先轉(zhuǎn)變成馬氏體，而高碳部位的Ms點(diǎn)低，會(huì)后轉(zhuǎn)變成馬氏體。由于馬氏體轉(zhuǎn)變的時(shí)性不同，會(huì)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(shí)，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(shí)驗(yàn)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(hào)合金鑄鐵的質(zhì)量。隨機(jī)抽取市場現(xiàn)有GGG70L高牌號(hào)球墨鑄鐵，試驗(yàn)改進(jìn)后，GGG70L高牌號(hào)球墨鑄鐵性能分析見表4所示。改進(jìn)前后GGG70L高牌號(hào)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(duì)比可知，市場現(xiàn)有GGG70L高牌號(hào)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(yàn)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(duì)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(hào)球墨鑄鐵性能

新型GGG70L高牌號(hào)球墨鑄鐵金相力學(xué)性能與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求性能對(duì)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

3 結(jié)語

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(jí)，一般為5級(jí)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(hào)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。