第 1 章 绪 论
1.1 选题目的与意义
模具是工业生产的重要工艺设备。在汽车、拖拉机、电机、电器、仪器仪表等机电产品和飞机、导弹、坦克等军工产品中有 60%以上的零件是用模具加工成型的；而在电视机、录音机、计算机等电子产品和自行车、手表、电冰箱、洗衣机等轻工产品中分别有 80%和 85%以上的零件是用模具加工成型的。因此，高效率低成本地生产模具越来越引起世界各国的高度重视。随着经济的发展，汽车、地铁客车等车辆所需的中大型冲压件的生产和使用量急剧增多，相应地中大型冲压件所需模具的数量大幅度增加。近年来，全球制造业正向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地。作为产品制造重要工艺装备之一的模具工业将处于竞争的第一线。以第一汽车集团公司模具制造公司为例，每年模具生产量就达 500 多套，年产值达 2.3 亿元。加入 WTO以后，我国各行业产品的品种和数量不断增加，换型加快，对产品质量和外观也不断提出新要求，致使模具需求量增加，对模具的综合指标要求也越来越高，因此，迅速提高模具技术水平已成为当务之急。
汽车工业在我国是支柱产业之一，必须形成汽车大中型冲压件模具自主开发的能力。汽车车身模具，特别是大中型冲压件模具，是车身制造技术的重要组成部分，也是形成汽车自主开发能力的一个关键环节。冲压模具占模具总量的 40%以上。汽车冲压件模具在冲压模具中具有代表性，这些模具大都是中大型的，结构复杂，技术要求高，尤其是为轿车配套的冲压件模具，要求更高，它可以代表冲压模具的水平。在自主设计、开发和制造轿车的整套大中型冲压件模具方面，我们同国外先进水平相比，还有较大的差距。目前轿车大型冲压件模具主要依靠进口，国产化程度比较低，已成为我国汽车工业发展的瓶颈，极大地影响了我国新车型的开发。据海关统计，1999 年我国进口各类模具的金额达 8.8 亿美元，其中金属冲压模具和压铸模具占 50%，为 4.4 亿美元。在进口的模具中，汽车车身冲压模具在 2 亿美元左右，如果加上进口的汽车大型内外饰件塑料模具，可达 2.5 亿美元以上。
汽车，特别是轿车用中大型冲压件模具进口量大的原因很多，其中模具材料不能满足要求是主要原因之一。模具工业要上水平，模具材料是关键。若选材和用材不当，将使模具过早失效；同时由于产品改型换代快，选用使用寿命过长、过于昂贵的模具材料从经济角度来看也是没有必要的。因此选用合适的材料和应用相应的表面处理技术来提高模具的寿命，使之满足使用要求就显得十分必要。过去，中大型薄钢板冲压件模具大多用锻造合金模具钢组合制作，存在原材料价格高、工序复杂、制造周期长、加工费用高、组合安装精度低等缺点，使模具制作成本居高不下，冲压件精度下降。因此，国际上许多汽车生产厂根据某种汽车的生产量和覆盖件的大小选用不同的模具材料已成为模具选材的一个重要指导思想。例如，台湾汽车厂生产的轿车主要在台湾地区销售，一般一款车型销售 10 万辆左右（3-4 年）就需要换型，因此模具材料采用HT300合金铸铁即可满足使用寿命。再如，我国一汽集团公司、东风汽车公司等把钼、钒合金铸铁应用于中小型冲压件模具上，可以满足生产量不太多时使用寿命要求的模具。但由于钼含量达 1%以上，材料成本仍较高，而且加工的冲压件表面质量较差，因此，国内外以汽车制造厂家为代表的企业均在寻找新的材料，以替代锻造合金模具钢。研究表明，新型合金化球墨铸铁是替代锻造合金模具钢的优选材料，在日本、德国等国家已开始应用，被认为是汽车薄板用中大型冲压件模具选材的方向和发展趋势。近几年，我国一汽等汽车公司开始从日本、德国等国订购球墨铸铁中大型冲压件模具或模具毛坯，但价格昂贵。
中大型冲压件模具重量一般为几吨，十几吨或更大，多为单件生产，且通常任务要求急。由于该模具的这一特点，选择近终成型铸造技术是十分必要的。采用铸造技术生产球墨铸铁中大型冲压模具的首选方案应是消失模铸造，其具有能源消耗较低，铸件尺寸精度高，表面质量好，环境污染小等特点，它是国内外铸造模具制造的首选工艺方法。不过，国际联机检索（见附件 1）及国内调研表明，其在汽车中大型冲压件模具上应用虽然包括一汽集团公司、东风汽车集团公司等单位均在探索，但尚未取得实质性进展，尚未形成自主的制造开发能力，尚未稳定生产，还需要结合实际需要，针对中大型冲压件模具的近终成型，从理论、实验、材料、生产等方面开展大量的攻关工作。众所周知，球墨铸铁是应用很广泛的铸造合金材料，但是中大型冲压件模具用球墨铸铁材料的开发与应用在我国刚刚开始，特别是在应用消失模铸造近终成型工艺生产中大型球墨铸铁冲压件模具刚刚起步的情况下，有大量的涉及材料、工艺等方面的工作有待于从理论和实验及应用上全面展开。换言之，开发优质中大型冲压件模具用球墨铸铁模具材料及其配套的消失模铸造成型工艺技术不仅具有十分紧迫的现实意义，而且还具有很好的产业化前景和市场竞争能力，具有显著的经济效益和社会效益。正因为如此，本研究得到了长春市科技重点计划支持，本文就是结合该计划项目“汽车冲压件模具近终成型技术开发”所开展的研究与攻关工作。
第 2 章 实验方法
2.1 实验用球墨铸铁的制备
采用 Cu、Sb 元素对球墨铸铁进行合金化，制备出含有 Cu、Sb 元素的铸态珠光体球墨铸铁。通过成分分析和微观组织观察，研究合金化元素对珠光体球墨铸铁微观组织的影响。通过对机械性能测试和断口观察，分析合金化元素对珠光体球墨铸铁强度、硬度、韧性以及断裂行为的影响。通过磨损性能测试、磨损形貌观察，研究合金化元素对珠光体球墨铸铁磨损性能的影响规律。通过对中大型模具铸件充型过程的数值模拟，分析消失模工艺下球墨铸铁充型过程及缺陷的形成规律和防止缺陷的方法。
在成分的优化与设计中，为使成分准确及贴近于实际生产条件，实验合金在 12kg 碱性中频感应电炉中熔炼，先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金化元素，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。用光学高温计测量温度，铁水出炉温度在 1500℃左右，浇注温度在 1450°C 左右。孕育剂为 75Si-Fe，采用冲入法加入稀土镁球化剂。为了考察消失模工艺条件下球墨铸铁的组织和性能特征，试验中每种成分的球墨铸铁均在消失模工艺下浇铸成 Y 形试样(图 2-1)，该试样尺寸与中大型冲压件模具的壁厚变化尺寸相近，浇铸完成后 20-30 分种开箱空冷，在铸件下部切取并机械加工成拉伸试样，试样尺寸如图 2-2。
第3章 Cu、Sb 元素对球墨铸铁微观组织...................... 37-62
3.1 引言...................... 37
3.2 球墨铸铁模具材料的设计...................... 37-41
3.2.1 成分设计思想......................37-38
3.2.2 基础成分优化...................... 38-41
3.3 Cu、Sb 元素对消失模铸态珠光体球......................41-53
3.4 Cu、Sb 合金化球墨铸铁的珠光体......................53-60
3.4.1 BP 神经网络原理 ......................54-55
3.4.2 网络的层数和神经元数目的选取...................... 55-56
3.4.3 训练参数的选取...................... 56-60
3.5 本章小结...................... 60-62
第4章 Cu、Sb 元素对球墨铸铁力学性...................... 62-82
4.1 引言...................... 62
4.2 Cu、Sb 对球墨铸铁拉伸性能的影响...................... 62-65
4.3 Cu、Sb 对球墨铸铁疲劳性能的影响...................... 65-69
4.3.1 采用升降法测定疲劳极限 ......................65-68
4.3.2 疲劳断口分析...................... 68-69
4.4 强化机理 ......................69-71
4.5 合金化球墨铸铁性能的预测...................... 71-80
4.6 本章小结 ......................80-82
第5章 中大型冲压件球墨铸铁模具磨损行为...................... 82-103
5.1 引言...................... 82
5.2 含Cu、Sb 球墨铸铁在干摩擦工况......................82-95
5.3 球墨铸铁在磨粒磨损工况下的磨损行为...................... 95-101
5.4 本章小结...................... 101-103
结论
本文是结合长春市科技重点计划支持项目“汽车冲压件模具近终成型技术开发”课题所开展的研究与攻关工作。首先研究了在消失模工艺下 Cu、Sb 元素对球墨铸铁组织与性能的影响，开发了具有较佳组织和性能的中大型冲压件模具用球墨铸铁材料，然后采用 Procast 软件对中大型冲压件模具在消失模工艺下充型过程进行数值模拟，为确定中大型冲压件模具在消失模工艺下铸造工艺及参数提供理论依据，最后采用本研究的球墨铸铁材料在消失模工艺下成功制造了多种中大型冲压件模具。通过上述研究得出以下主要结论：
1、在消失模工艺下采用正交实验法优化出较佳的合金化球墨铸铁化学成分为(wt%)：C：3.70、Si：2.4、Mn：0.7、P：0.027、S：0.012。首次采用 Cu、Sb 复合加入制备高强度合金化球墨铸铁，满足了中大型冲压件模具性能要求，并得出最佳成分含量为(wt%)：Cu：0.5、Sb：0.02，填补我国中大型冲压件模具材料的一项空白。
2、通过合金化球墨铸铁微观组织观察表明：随着 Cu 含量的增加，石墨球的数量增多，珠光体的含量增加。随着 Sb 含量的增加，珠光体数量显著增加。Cu、Sb 能够细化共晶团，当合金化球墨铸铁中含 Cu：0.5%wt、Sb：0.02%wt时，珠光体含量可达 97%，珠光体片间距约为 0.35μm，石墨球圆整，球状石墨直径约为 16-25μm，在石墨球的周围并没有发现完整的铁素体环。Cu、Sb 合金化球墨铸铁的石墨结构为不光滑的球体表面。
3、通过机械性能测试表明，Cu、Sb 合金化元素能够明显地提高球墨铸铁的强度、硬度等机械性能，但延伸率下降。当Cu、Sb含量分别为0.5% wt、0.02%wt时，抗拉强度为 785MPa，硬度为 280HB，延伸率为 3%，疲劳强度为 333.6MPa，球墨铸铁具有较好的综合机械性能。
参考文献
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