铸造冷镦模具的制造方法与流程

本发明属冷作模具、特别是铸造冷镦模具的制造方法领域。
背景技术：
：冷镦是高效生产紧固件的方法之一，因此，冷镦模在紧固件行业的用量很大。冷镦模在冷镦变形过程中要承受很大的单位压力，特别在变形程度大和材料强度较高时，所承受的单位压力更大，同时金属的流动又很激烈。因此要满足紧固件高生产率、自动化、大批量生产的特点，冷镦模必须要有相应的使用寿命，以发挥冷镦工艺的最高效能。但是，长期以来，冷镦模都是使用锻造模具钢(如cr12、cr12mov等)制造，由于锻造模块钢锭结构疏松，强度韧性低，必须通过反复揉锻，才能使模块组织致密。但锻模毛坯在锻造过程中合金元素的烧损约为5％，而且容易引起模具的开裂、过烧等废品。此外，锻造而成的模具易形成带状组织，沿着纤维方向性能比较差，服役过程中非常容易开裂，而垂直纤维方向的性能比较好。锻造模块钢锭这种力学性能各向异性的缺陷，正常的热处理方法很难消除。有文献报道，通过真空热处理等高科技方法，可以改善锻造模块钢锭这种力学性能各向异性的弊病，进而提高锻造冷镦模具的使用寿命，但该方法投资大，工艺复杂，成本高，因此很难推广。如上所述，当前冷镦模具在紧固件行业中普遍存在使用寿命短，制造工序复杂，制造周期长，制造成本高等问题。技术实现要素：本发明要解决的技术问题是提供一种以铸代锻工艺来制造冷镦模具、使用铸造冷镦模具钢替代锻造模具钢制造冷镦模具的方法，以大幅提高模具寿命，减少制造工作量，降低制造模具成本。本发明以如下技术方案解决上述技术问题：1、铸造冷镦模具钢的化学成分铸造冷镦模具钢的化学成分为：c0.6-1.0％,si0.8-1.2％,mn0.7-1.0％，p≤0.03％，s≤0.03％，cr4.5-5.5％，mo1.0-1.5％,v0.7-1.2％,ni1.0-1.3％，cu0.5-1.0％；2、铸造冷镦模具的制备工艺使用酸性炉衬的中频感应电炉熔炼金属，先加入低碳钢，待钢水熔化至75-85％时，先加入配方量的铬铁，再加入配方量的钼铁、钒铁、金属镍片、硅铁、锰铁，最后加入由稻草灰与干木炭组成的覆盖剂覆盖，升温至1650℃±5℃，待炉料全部熔化后，降温至1480-1500℃，加入配方量的电解铜，静置5分钟，脱氧除渣。出钢水前将占熔炼金属总重量0.15-0.25％的金属铈置于浇包底部，钢水注入浇包后充分搅拌，并在浇包中再次脱氧，脱氧完毕后扒渣干净，将钢水浇入覆膜砂冷镦模具铸型中，获得铸造冷镦模具的零件毛坯。3、铸造冷镦模具的强韧化处理①预备热处理将冷镦模具毛坯加热到910-930℃，保温1.5-2小时，随炉冷却至520-530℃时出炉空冷。②高温淬火+高温回火将冷镦模具毛坯加热到1080-1120℃，保温2-2.5小时，随即水冷。将经淬火后的冷镦模具毛坯重新加热到780±5℃，保温3.5小时，随后出炉空冷。4、铸造冷镦模具的表面硬化处理经机械加工后的铸造冷镦模具进行表面气体渗氮处理。本发明创造与现有技术相比，所具有的优点和积极效果如下：(1)与锻造冷镦模具相比，模具寿命提高50％～85％，制造工作量减少50％～80％，制造模具成本降低50％～70％；(2)与锻造冷镦模具相比，模具用钢减少60％，材料利用率由50％～65％提高到90％～95％，另外废铸钢和废铸模可直接重熔铸造成新的冷镦模，这是最有效和最经济的废物利用；(3)机加工余量减少，锻造冷镦模具制造过程中有35％～60％的金属材料变为切屑，而采用铸造冷镦模具这方面的消耗可减少3～10倍；(4)节约材料，可省去大量的切削加工及锻造加热时原材料的损耗。附图说明图1是铸造冷镦模具附铸试样金相组织图(未腐蚀100×)。图2是铸造冷镦模具附铸试样金相组织图(未腐蚀500×)。图3是铸造冷镦模具附铸试样金相组织图(4％硝酸酒精溶液侵蚀500×)图4是铸造冷镦模具附铸试样拉伸断口形貌图。具体实施方式使用本发明的方法制备冷镦模具，可以使冷镦模具的使用寿命提高，而且制造工序简化，制造周期缩短，模具制造成本大大降低。在按照本发明的方法制备冷镦模具时，需要根据以下所述情况确定各种工艺参数：1、选择合理的铸造冷镦模具化学成分根据冷镦模的工况要求，铸造冷镦模具必须具有高的强度和耐磨性，同时又具有良好的韧性。为了保证铸造冷镦模具具有这种特殊的性能，必须合理的选择铸造冷镦模具的化学成分。因为铸造成型和锻造成型有很大的区别，如果采用锻造冷镦模具钢的化学成分制备铸造冷镦模具，其结果是强度、硬度完全可以达到要求，而冲击韧性却非常低。在铸造冷镦模具钢的组成元素中，c可与cr、mo、v等元素合成各种特殊的碳化物，这些碳化物对铸造冷镦模具钢的抗回火能力、回火后的硬度和热稳定性有很大的影响。随着含碳量的增加，铸造模具钢的硬度增加，而冲击韧性下降。降低含碳量，可使淬火状态下钢的未溶碳化物减少，有利于提高钢的韧性。因此，为了保证铸造冷镦模具有良好的韧性，铸造冷镦模具钢的c含量应较低。在铸造冷镦模具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。此外，cr能提高淬透性和抗氧化能力，促进合金化。铸造冷镦模具钢中加入钼，能提高机械性能，还可以抑制铸造冷镦模具钢由于淬火而引起的脆性。钒是钢的优良脱氧剂，铸造冷镦模具钢中加入钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性，钒与碳形成的碳化物，可提高耐磨性。铸造冷镦模具钢中加入镍有利于提高铸造冷镦模具的冲击韧性，同时还能使铸造模块的组织均匀，也能提高铸造冷镦模具钢的淬透性。在综合考虑了gr、mo、v、ni四种元素对铸造冷镦模力学性能的影响，尤其是对铸造冷镦模硬度、抗拉强度、冲击韧性的影响以及通过极差分析，本申请采用了四因素三水平的正交试验方法，选择l9(34)正交表进行试验，设计的铸造冷镦模具钢的化学成分为：c0.6-1.0％,si0.8-1.2％,mn0.7-1.0％，p≤0.03％，s≤0.03％，cr4.5-5.5％，mo1.0-1.5％,v0.7-1.2％,ni1.0-1.3％，cu0.5-1.0％；2、设计完善的铸造冷镦模具的制备工艺：铸造冷镦模具钢材质的控制对铸造冷镦模具的性能至关重要。铸造冷镦模具钢的钢液必须是钢质洁净、组织均匀、偏析轻微、等向性好的优质钢。为此，在熔炼过程中要脱氧除渣彻底，提高钢液洁净度，并加入稀土铈净化钢液和提高材料的冲击韧性，以保证铸造冷镦模具钢材质的的内在质量。本申请使用酸性炉衬的中频感应电炉熔炼金属，先加入低碳钢，待钢水熔化至75-85％时，先加入配方量的铬铁，再加入配方量的钼铁、钒铁、金属镍片、硅铁、锰铁，最后加入由稻草灰与干木炭组成的覆盖剂覆盖，升温至1650℃±5℃，待炉料全部熔化后，降温至1480-1500℃，加入配方量的电解铜，静置5分钟，脱氧除渣。出钢水前将占熔炼金属总重量0.15-0.25％的金属铈置于浇包底部，钢水注入浇包后充分搅拌，并在浇包中再次脱氧，脱氧完毕后扒渣干净，将钢水浇入覆膜砂冷镦模具铸型中，获得铸造冷镦模具的零件毛坯。3、铸造冷镦模具的强韧化处理铸造冷镦模具与锻造冷镦模具有所不同，铸件凝固时不可能达到完全平衡，有成分偏析存在，这对硬度和强度的影响不敏感，但对冲击韧性的影响却十分明显，会导致铸造冷镦模具的冲击韧性降低。为了保证铸造冷镦模具既有高的强度和耐磨性，同时又具有良好的韧性,必须对铸造冷镦模具毛坯进行强韧化处理。首先进行预备热处理，以细化晶粒、消除机加工应力、均匀不平衡组织等，为后面的最终热处理奠定良好的组织基础。接着进行高温淬火+高温回火，以提高铸造冷镦模具的塑性和韧性。预备热处理时将冷镦模具毛坯加热到910-930℃，保温1.5-2小时，随炉冷却至520-530℃时出炉空冷。高温淬火时将冷镦模具毛坯加热到1080-1120℃，保温2-2.5小时，随即水冷。高温回火时将经淬火后的冷镦模具毛坯重新加热到780±5℃，保温3.5小时，随后出炉空冷。4、铸造冷镦模具的表面硬化处理在具备一定的强度和韧性的基础上，硬度与耐磨性是铸造冷镦模具(特别是凹模)寿命的决定因素，特别是在冷镦机生产率越来越高的情况下，冷镦模具的硬度和耐磨性更加显得重要。为了提高铸造冷镦模具的表面硬度，使其具有良好的耐磨性能，通过分析比较，采用气体渗氮处理方法提高铸造冷镦模具的表面硬度。对经机械加工后的铸造冷镦模具进行表面气体渗氮处理。其工艺规范为：加热温度580℃；保温时间42h；处理后空冷至室温。实施例铸造冷镦模具的制备1、试验材料(1)铸造冷镦模具试验原材料化学成分如表1-1所示。表1-1试验原材料的化学成分(单位：wt％)(2)铸造冷镦模具化学成分如表1-2所示。表1-2铸造冷镦模具化学成分(wt％)csimnpscrmovnicu0.81.00.90.030.025.01.31.01.20.82、试验仪器设备qtc-5000炉前铁水碳硅锰磷分析仪，htv-1000金相显微镜，日立s-3400n扫描电镜，instron8801材料试验机，wdw3100微机控制万能电子试验机，mct－110精密数字测温仪、上海实验电炉厂产50㎏中频感应电炉。3、铸造冷镦模具的制备使用酸性炉衬的中频感应电炉熔炼金属，先加入低碳钢，待钢水熔化至75-85％时，加入配方量的铬铁，再加入配方量的钼铁、钒铁、金属镍片、硅铁、锰铁，最后加入由稻草灰与干木炭组成的覆盖剂覆盖(覆盖剂中稻草灰与干木炭的质量比为70％︰30％)，升温至1650℃±5℃，待炉料全部熔化后，降温至1480-1500℃，加入配方量的电解铜，静置5分钟，脱氧除渣。出钢水前将占熔炼金属总重量0.15-0.25％的金属铈置于浇包底部，钢水注入浇包后充分搅拌，并在浇包中再次脱氧，脱氧完毕后扒渣干净，将钢水浇入覆膜砂冷镦模具铸型中，即可得到铸造冷镦模具的零件毛坯。4、铸造冷镦模具的强韧化处理①预备热处理将冷镦模具毛坯加热到910-930℃，保温1.5-2小时，随炉冷却至520-530℃时出炉空冷。②高温淬火+高温回火将冷镦模具毛坯加热到1080-1120℃，保温2-2.5小时，随即水冷。将经淬火后的冷镦模具毛坯重新加热到780±5℃，保温3.5小时，随后出炉空冷。5、铸造冷镦模具的表面硬化处理经机械加工后的铸造冷镦模具进行表面气体渗氮处理。工艺规范：加热温度：580℃。保温时间：42h。处理后空冷至室温。6、试验结果图1、图2和图3是本发明的铸造冷镦模具附铸试样的金相组织，由图中可以看到，组织中弥散分布着相当数量的vc、cr3c、mo6c等高硬度的碳化物颗粒，且分布均匀。这表明铸造冷镦模具材质由增强体颗粒和基体两相组成，其基体为回火索氏体，增强体颗粒则均匀地分布其中。这是一种典型的耐磨材料的组织，有强韧性较好的基体，并在其中牢固地嵌有坚硬的组份，坚硬突出的组份作为支撑骨架承受压力。因此，这种材料的强度、硬度以及耐磨性能良好，而且同时具有较好的塑性韧性。图4是铸造冷镦模具附铸试样拉伸断口形貌图，由图4可以看到，断口表现为较明显的韧窝断口特征，并伴有部分撕裂棱，这是因为合金基体中存在细小的增强体颗粒，由于基体较软，一部分会产生韧窝，一部分则以有利的晶面开裂，形成准解理面，这些裂纹互相连接导致最后断裂。断口形貌进一步说明了本发明的铸造冷镦模具有较好的塑韧性。表1-3是力学性能检测结果。结果表明，本发明的铸造冷镦模具不但具有高的强度硬度，而且塑性韧性良好。表1-4为铸造冷镦模具与cr12mov材质的锻造冷镦模具使用寿命对照表，表中数据表明，与cr12mov材质的锻造冷镦模具相比，本发明的铸造冷镦模具使用寿命延长了50-60％，而且简化了制造工序，缩短了制造周期，降低了制造成本，因此很有开发前景。表1-3铸造冷镦模具力学性能检测结果表1-4铸造冷镦模具与锻造冷镦模具(cr12mov)使用寿命对照表注：表1-4中的数据为在广西南宁市三树汽车部件制造有限责任公司生产条件下得出的数据。当前第1页12