第1章绪论
1.1前言
结合我国塑料模具钢发展现状，我们可以清楚的意识到，如果仅仅靠引进国外的产品非但不能满足国内的需求，而且还要花费大量的外汇，并不能成为一个长远之计，因此在现阶段有必要投入大量的人力物力进一步从事国产塑料模具钢品种的开发工作。本课题的研究目的就是研究出非调质的，组织均匀，硬度均匀的合格中厚板，以求达到节约能源，并提高同类产品国有化的占有率。
1.2塑料模具钢的冶炼
高质量的模具钢材通常与高水平的钢材冶炼工艺密不可分。目前，塑料模具钢的冶炼主要有平炉、电弧炉、真空感应炉、电渣重熔及炉外真空处理等几种方法，国内外使用较多的是电炉冶炼、电渣重熔和炉外精炼三种工艺。下面，将对这三种方法分别进行说明。
1.2.1电炉冶炼
电炉冶炼的钢水化学成分容易控制，因而钢材质量好，可冶炼高级优质特殊钢材。最常用的有电弧炉和感应炉两种，但模具钢大多都是用电弧炉冶炼的，所以一般电炉炼钢就是电弧炉炼钢。电弧炉炼钢的基本原理是利用石墨电极与废钢或钢液之间产生电弧，用电弧热进行熔炼，工厂中常用的是三相交流。电渣重熔电渣重熔又称电渣熔炼或电渣炉熔炼。它是用一般冶炼方法制成的钢(通常是电炉钢)进行再精炼的工艺。熔炼用的原料是自耗电极。电渣重熔生产的模具钢，内部组织均匀，等向性能好，碳化物分布均匀细小，提高了模具钢材质量。电渣重熔用自耗电极是由电炉冶炼的，电极可以是锻造的，也可以是铸态的。熔炼之前，在结晶器底盘上放同一钢种的底垫，然后放入碎钢屑和混合好的固态熔剂。熔炼开始，形成熔池后，电极以一定速度上升，溶化的钢液由下而上不断凝固。在熔渣的保护下，钢液被精练，进行去硫及排除非金属夹杂物的反应过程。
1.2.2电渣重熔
电渣重熔又称电渣熔炼或电渣炉熔炼。它是用一般冶炼方法制成的钢(通常是电炉钢)进行再精炼的工艺。熔炼用的原料是自耗电极。电渣重熔生产的模具钢，内部组织均匀，等向性能好，碳化物分布均匀细小，提高了模具钢材质量。电渣重熔用自耗电极是由电炉冶炼的，电极可以是锻造的，也可以是铸态的。熔炼之前，在结晶器底盘上放同一钢种的底垫，然后放入碎钢屑和混合好的固态熔剂。熔炼开始，形成熔池后，电极以一定速度上升，溶化的钢液由下而上不断凝固。在熔渣的保护下，钢液被精练，进行去硫及排除非金属夹杂物的反应过程。熔渣的性能和用量对重熔钢的质量有重要影响，一般采用CaFZ-A1203渣系。重熔钢锭获取从表面到中心的柱状组织，由于顺序结晶，结晶组织均匀致密，消除了缩孔和疏松缺陷。重熔钢只需较小的锻造比(2-3)即能破碎铸态组织或细化组织，重熔钢锭表面无缺陷且光滑，无需表面加工即可改锻或轧制。
1.2.3炉外精炼
炉外精炼是近代炼钢新技术。它是把传统的炼钢工艺过程分成两步进行，即先在通常的炼钢炉(转炉、电炉和平炉)内进行熔化和粗精炼，然后再把钢液移至另一装置(钢包或专用的容器)中进一步精炼，如脱气、脱氧、去除夹杂物、吹氧脱碳、调整成分等。因此也可称之为二次炼钢。国外对模具钢，特别是大截面模具钢多用炉外精炼工艺。此工艺的特点是将钢液从炉内移至炉外另一装置中继续完成去氢、脱硫、去夹杂，进行合金成分的调整和均匀化，改善缺口冲击韧性和横向性能，缩短炉内精炼时间。常用的炉外精炼方法有真空炉外处理及喷射冶金等技术。
1.3控制轧制与控制
冷却控制轧制与控制冷却的概念控制轧制和控制冷却工艺是现在钢铁工业获得的最重要的技术成就之一，ASTM和JIS己经把这一技术列入了标准之中，命名为形变热处理工艺(TMCP，Thermo-MechanicaleontrolProeessing)。AsTM在A841/A841M中把TMCp定义为:“TMCp从应用多年的控制轧制工艺演变而来，是新一代控制轧制工艺。TMCP通过在钢中复合添加微合金元素以及从板坯加热至轧后冷却进行综合控制，生产出细晶粒的产品。因此，可以在规定尺寸板厚的基础上得到较高的力学性能。TMCP工艺要求对整个工艺过程的轧制温度和轧制压下率进行精确的控制。”该技术的核心是在轧制过程中通过控制加热温度、轧制过程、冷却条件等工艺参数，改善钢材的强度、韧性、焊接性能。
第2章实验钢的生产工艺非调质钢定义
为在热轧状态或常化处理状态通常具有490MPa以上的高强度钢。微合金化技术和控轧控冷技术相互作用是非调质钢生产的物理冶金在线(生产线)调质的过程，通过控制加热温度、变形制度和轧(锻)后冷却速度，以充分发挥沉淀强化、细晶强化和相变强化等作用，达到细化组织、提高钢材强度与韧度的目的。省却了调质处理再加热过程，取得或超过了调质钢的性能。仅此一点在节约能源方面就具备了独特的优势。而且与调质钢相比，由于采用控轧控冷工艺取代轧(锻)后淬火回火工序，不但简化了生产工艺流程，提高了材料的利用率，改善了零件质量，而且达到了降低能耗和制造成本(25%-38%)的目的。它可在适当调整钢的化学成分的基础上，工业上应用专用设备对上述参量加以控制，旨在阻止奥氏体晶粒长大和延缓或抑制形变奥氏体再结晶，可确保制件强韧性的稳定提高，使其达到产品技术性能指标的要求。在实验室小450热轧实验机上，通过控制冷却速度和终轧温度等工艺参数，对实验钢的性能进行研究，对成分和工艺参数对性能的影响进行分析，从而得出最适宜的工艺参数。
第三章 典型薄壁件压铸成形过程研究 .....................20-41
3.1 有限元法及ANSYS软件简介..................... 20-25
3.1.1 有限元法 .....................20-24
3.1.2 ANSYS软件简介.....................24-25
3.2 压铸件与模具结构分析..................... 25-27
3.3 工艺参数对压铸成形过程的影响..................... 27-28
3.4 仿真研究 .....................28-33
3.5 薄壁件盒盖压铸成形实验 .....................33-37
3.6 薄壁铸件模具温度场数值模拟..................... 37-41
第四章 开关盒压铸模具的设计..................... 41-52
4.1 压铸件的基本参数..................... 41
4.2 压铸机的选用 .....................41-43
4.3 分型面的设计..................... 43
4.4 浇注系统及溢流、排气系统的设计..................... 43-45
4.6 装配图 .....................49-52
第五章 薄壁开关盒铸件模具温度场..................... 52-61
5.1 实体造型及有限元网格划分..................... 52
5.2 参数设置及条件假设 .....................52-54
5.3 模拟结果..................... 54-57
5.4 压铸工艺参数与模具温度场分布..................... 57-61
结论
本文针对一种适合宽厚板生产线生产的非调质塑料模具钢的生产工艺及使用性能进行了研究。利用热模拟实验机研究了实验钢的高温力学行为，回归了变形抗力数学模型;对比研究了非调质塑料模具实验钢与PZO钢的镜面抛光性能;对比研究了非调质塑料模具实验钢与PZO钢摩擦磨损性能;根据综合力学性能及抛光性、耐磨性等使用性能的测试结果的分析，确定了实验钢合理的控轧控冷工艺制度。本文得出的主要结论如下:
1)非调质塑料模具钢合理的化学成分(质量分数，%)为:C:0.0912，51:0.340，Mn:1.2一1.6，Cr:1. 1.4，B:0.001.005，Mo:0.22.27，V:0.04%-0.20%，Ti:0.01%-0.04%.。
2)通过控轧控冷实验，研究了控轧方式、冷却方式等工艺参数对实验钢组织和性能的影响。并且确定了实验钢控轧控冷最佳工艺参数如下:加热温度为1200℃，保温2小时，两阶段控轧，第一阶段开轧温度为1050℃，第二阶段控轧开轧温度为920℃，终轧温度为860℃，轧后空冷的工艺条件下力学性能为:屈服强度687MPa，抗拉强度为997MPa，冲击功值为110)，硬度值为300-325HV，达到塑料模具钢的性能指标。
3)采用单道次压缩热模拟实验，研究了实验非调质塑料模具钢的高温变形行为。得出了800-1050℃温度下的应力一应变曲线;在试验数据基础上确定并回归了实验钢高温变形抗力的数学模型。
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