隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,用于前、后保險杠和儀表盤模具制造的大截面(700mm到1100 mm)模塊的需求迅速提高。長期以來調質鋼DIN 40Cr Mn Ni Mo(1.2738)占據(jù)了這類產品市場,近年來發(fā)展較快的中碳貝氏體鋼相比傳統(tǒng)的調質鋼,省去了一些貴重合金元素的添加,如Ni,而且生產周期大幅縮短,這些特點賦予該鋼種巨大市場競爭力,但目前相關鋼種在大截面模具鋼應用方面的研究成果還無法滿足市場需求。本文基于這樣的應用需求開展了預硬型貝氏體塑料模具鋼的組織優(yōu)化和性能研究。因為大型模具鋼特定的生產和應用工況,采用發(fā)展較成熟的常規(guī)貝氏體鋼設計思路無法有效的實現(xiàn)組織控制目標,因此在此類貝氏體模具鋼的設計中,新的組織優(yōu)化思路成為關鍵。本文以此為切入點,在適用于截面600 mm以下模塊生產的現(xiàn)有鋼種基礎上,利用廉價的合金元素Mn和Si實現(xiàn)了慢冷速下(對應大截面模塊)供貨態(tài)組織優(yōu)化的目標,主要體現(xiàn)為降低先共析鐵素體對應的臨界冷速、降低粒狀貝氏體的含量、增加下貝氏體含量、降低貝氏體相變過程中的殘余奧氏體穩(wěn)定性和含量。以此為基礎開發(fā)了一種能夠替代DIN 40Cr Mn Ni Mo鋼種的新型貝氏體塑料模具鋼。本研究綜合運用了掃描電鏡、透射電鏡、XRD、熱膨脹相變儀和彩色金相等研究手段對材料的相變過程、斷口形貌和表面完整性等特征進行了表征;研究工作首先從限制現(xiàn)有貝氏體鋼種SDFT600應用的沖擊韌性入手,分析在特定生產工藝條件限制下,材料的沖擊韌性和組織構成之間的關系,以確定控制材料韌性的主要組織構成;隨后以此確定組織優(yōu)化目標,通過貝氏體相變理論尋求優(yōu)化合金設計方案,得到新鋼種SDP1,并進行了工業(yè)大生產試制。結果證明在截面厚度達到1050 mm的前提下,新鋼種的力學性能總體優(yōu)于660 mm厚度的SDFT600模塊。隨后通過熱變形研究,得到了新鋼種的熱變形流變應力方程以及不同變形參數(shù)下的再結晶規(guī)律,為更好的實現(xiàn)該鋼種的組織控制提供一定的實驗和理論支持。最后部分從塑料模具鋼應用推廣的角度出發(fā),研究了新鋼種在不同晶粒度狀態(tài)下的銑削性能,以及耐磨損性能和焊接性能,為該鋼種的進一步推廣提供應用性能研究支持,得到的主要研究成果如下:1.660 mm×1210 mm×2700 mm規(guī)格的SDFT600大模塊心部試樣沖擊韌性低于表面,主要由于心部組織含有更多的先共析鐵素體和粗化的回火馬氏體/奧氏體島狀(馬奧島)組織。先共析鐵素體的產生促進碳化物析出、馬奧島組織的形成和粒狀貝氏體相變;較大的回火馬奧島組織降低斷裂時的晶內和晶間抗力。熱變形將促進過冷奧氏體向貝氏體的轉變。無熱變形條件下,隨著晶粒的粗化,先共析鐵素體減少,貝氏體轉變開始溫度升高。2.貝氏體相變理論可有效指導大截面貝氏體模具鋼的合金設計;本研究中采用降硅,0.5 wt%到0.2 wt%,增錳,1.4 wt%到1.9 wt%的合金化方案,得到了SDP1鋼種,先共析鐵素體的臨界冷速由0.1oC·s-1(SDFT600)降至0.05 oC·s-1。同冷速下,SDP1鋼的先共析鐵素體含量低于SDFT600。新鋼種的合金設計達到了促進碳化物析出和降低殘余奧氏體溶碳能力的目標;造成了冷速低于0.1oC·s-1時,在370oC到380oC所開始的下貝氏體轉變。在截面厚度達到1050 mm的前提下,SDP1鋼的力學性能總體優(yōu)于660 mm厚度的SDFT600模塊。3.溫度在SDP1鋼的動態(tài)再結晶中起到關鍵作用,單道次壓縮實驗證明,在850oC變形時,各應變速率下未出現(xiàn)明顯的動態(tài)再結晶;1150oC變形時,各應變速率下都發(fā)生明顯的動態(tài)再結晶。0.0015 s-1應變速率下的雙道次壓縮實驗中,850oC變形的試樣在道次間隔內主要發(fā)生靜態(tài)再結晶,1100oC變形的試樣在道次間隔內發(fā)生亞動態(tài)再結晶。4.SDP1鋼的銑削實驗表明晶粒度參數(shù)對材料加工面的殘余應力影響明顯,對表面粗糙度和切削力影響很小。隨著晶粒粗化,加工面的殘余拉伸應力由223MPa升至478 MPa,表面粗糙度由Ra 732 nm降至Ra 621 nm,切屑的長度增加;不同晶粒度試樣的切屑均由寬度為0.5μm至1μm左右的平行板條組成。不同晶粒度試樣的銑削力大小和波動幅值接近。
【學位單位】：上海大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：TG142.45
【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
第一章 緒論
    1.1 研究背景
    1.2 中低碳塑料模具鋼發(fā)展概況
        1.2.1 國內研發(fā)概況
        1.2.2 國外研發(fā)概況
    1.3 貝氏體相變研究進展
    1.4 模具鋼加工性能研究進展
    1.5 本文的研究意義和內容
    參考文獻
第二章 試驗材料及檢測分析
    2.1 試驗材料生產
        2.1.1 冶煉工藝
        2.1.2 鍛造工藝
        2.1.3 鍛后熱處理工藝
    2.2 檢測分析
        2.2.1 X射線衍射分析
        2.2.2 OM和SEM形貌觀察
        2.2.3 TEM顯微組織分析
        2.2.4 靜態(tài)CCT測定
        2.2.5 動態(tài)CCT及熱變形測定
        2.2.6 表面粗糙度測定
    參考文獻
第三章 大截面模塊的沖擊韌性與組織控制
    3.1 大截面模塊沖擊韌性與組織研究
        3.1.1 大模塊生產，取樣和檢測
        3.1.2 沖擊韌性和組織關系研究
        3.1.3 模擬鍛后風冷相變分析
    3.2 熱變形和奧氏體化溫度在組織控制中的作用
        3.2.1 熱變形對過冷奧氏體相變的影響
        3.2.2 奧氏體化溫度對過冷奧氏體相變的影響
        3.2.3 分析
    3.3 本章小結
    參考文獻
第四章 優(yōu)化鋼種合金設計和性能分析
    4.1 優(yōu)化鋼種的合金設計與性能
        4.1.1 合金設計
        4.1.2 實際生產和實驗室模擬研究
        4.1.3 組織分析
        4.1.4 力學性能分析
    4.2 高錳合金設計
        4.2.1 材料生產和實驗設計
        4.2.2 組織分析
    4.3 本章小結
    參考文獻
第五章SDP1 鋼熱變形模擬研究
    5.1 熱變形峰值流變應力研究
    5.2 形變再結晶行為研究
    5.3 本章小結
    參考文獻
第六章SDP1 鋼銑削、耐磨損和焊補性能研究
    6.1 不同晶粒度SDP1 鋼銑削性能研究
        6.1.1 實驗材料的制備
        6.1.2 試驗及檢測設備
        6.1.3 試驗結果與分析
    6.2 摩擦磨損性能
        6.2.1 實驗材料，方法和檢測
        6.2.2 實驗結果和分析
    6.3 焊接性能
    6.4 本章小結
    參考文獻
第七章 結論與創(chuàng)新
    7.1 結論
    7.2 創(chuàng)新
    7.3 后續(xù)研究工作展望
攻讀博士學位期間的科研成果
攻讀博士學位期間參與的科研項目
致謝


本文編號：2847378