第一章 绪论
1-1 模具钢的发展概述
世界工业经济和科学技术的发展，带动了模具制造业的迅速发展。模具已成为现代工业生产的主要成形工具。随着工业技术的迅速发展，机械、仪表、电器、电子、轻工和国防等部门，广泛地采用新的高精度、高效率的模具加工成形工艺代替传统的切削加工工艺。据初步统计：家用电器约 80%左右的零部件依靠模具加工，机电工业中约 70%的零部件采用模具成形，塑料制品、陶瓷制品、橡胶制品、建材产品、耐火材料制品也大部分采用模具成形。据统计，一种中型载重汽车改型，即需模具 4000 多套，重达 2000 多吨，生产一种型号的照相机，需要 500 多套模具。不少行业中，模具费用已占产品生产成本的 15%~30%。制作精密、长寿的模具，首先必须要有优质的模具钢。有人提出“模具是促进社会繁荣的动力”。模具制造的首要问题是模具材料，建国以来我国模具钢生产技术发展较快，从无到有，从仿制到自己开发，目前我国模具钢的产量已跃居世界前列，经过几次钢种整顿的标准修正，在GB/T1299-2000《合金工具钢》标准中包含了 37 个钢种，基本上形成了我国特色的模具钢系列，近年来随着模具工业的发展，我国自行开发了一些新型模具材料，同时在模具钢的生产技术、品种质量、工艺装备、科技开发及材料应用等方面都取得了较大的发展。
1-2 国内外冷作模具钢的发展
冷作模具钢一直是应用范围最广的模具钢，冷作模具的产值历来居模具制造业的首位。近年来，一些工业发达国家冷作模具已退居塑料模具之后，在模具工业产值中居第二位。冷作模具钢用于制造冲裁、冲压、冷挤压、冷墩、拉深和压印等模具，该钢以高碳合金钢为主，均属热处理强化型钢，一般含碳量较高，大部分属过共析钢或莱氏体钢，经最终热处理后具有较高的硬度和耐磨性。近年来碳素工具钢使用的越来越少，高合金钢模具所占的比例仍为最高。
1-2-1 国外冷作模具钢的发展
国外模具钢发展的一个特点是从分散生产走向集中，以获得数量、质量和技术上的优势。集中生产可以很快地建成技术先进的模具钢生产线，开展炉外精炼、电渣重熔、连铸、精锻、精轧、可控气氛热处理、无损检测等技术和装备研究，从而生产出高纯度、高等向性、品种规格齐全的钢材与制品，提高国际市场竞争能力。国外模具钢发展的另一个特点是模具钢的制品化和精品化。除增加模块、板材、扁钢外，还进行深加工，提供高附加值制品和精品，为此设置了设备先进的机加工和热处理部门。国外工业发达国家的冷作模具钢种类比较齐全，并已形成系列，但常用的模具钢集中在几个钢号或几十个钢号。以下列出一些国外较常使用的模具钢。
1-2-1-1 通用型冷作模具钢
国际通用型冷作模具钢通常包括 01(9CrWMnV)、A2(Cr5MolV)、D2(Cr12MolV1)、D3(Cr12)四种合金工具钢。碳素工具钢也广泛应用于生产要求不高的冷作模具。从通用型冷作模具钢钢种看，可分为三种类型，即低合金型、中合金型、高合金型。
1-2-1-2 特殊用途冷作模具钢
1) 高韧性高耐磨性冷作模具
钢这类钢 Cr、C 含量低于传统的 Crl2 型模具钢，增加了 Mo、V 合金数量，其耐磨性优于Cr12Mo1V1 钢，韧性和抗回火软化能力则高于 Cr12 ，如美国钒合金钢公司早期发表的VascoDie(8Cr8Mo2V2Si)、日本大同特殊钢公司的 DC53(Cr8Mo2VSi)等，分别用于冷挤压模具，冷冲模具及高强度螺栓的滚丝模具。
2) 火焰淬火冷作模具钢
为缩短模具制造周期，简化热处理工艺，降低成本，国外 70 年代以来，陆续开发了一些适应火焰淬火要求的专用模具钢，广泛用于汽车制造业。目前国外主要是日本在汽车等生产线上用的模具零件，如爱知制钢的 SX105V、SX4、SX5，大同特钢的 GO5，日立金属的 HMD-1 和 HMD-5。瑞典开发的 ASSAB635 也是一种可进行火焰淬火的冷作模具钢。
3) 低合金空淬微变形钢
这类钢的特点是合金含量低(≤5％)，淬透性、淬硬性好，φ100 mm 的工件可以空冷淬透、淬火变形小、工艺性好，主要用于制造精密复杂模具。如美国 ASTM 标准钢号 A4(Mn2CrMo)、A6(7Mn2CrMo)、日本大同特殊钢公司的 G04。
4) 粉末冶金冷作模具钢
采用粉末冶金法生产高合金莱氏体模具钢，由于钢液雾化形成的微细钢粉凝固很快，可以完全避免一般工艺生产的高碳高合金冷作模具钢在浇注后缓慢凝固产生的粗大碳化物和偏析等缺陷，可显著改善钢的韧性等向性和可磨削性。其特点：磨削性好、韧性好、等向性好、热处理工艺性好。已发表的粉末冷冶金钢号有美国坩埚钢公司的 CPM9V，CPMl0V，日本日立金属的 HAP40等。
第二章 试验产品材料制备及检测
2-1 试验产品材料的制备
本课题试验立足于实验室的试验研究，同时坚持试验与实际相结合，在模具铸造厂进行试验产品的浇铸，并且经过汽车冲压模具生产厂的模具加工及装配，以及加工完成的汽车冲压模具的现场冲裁使用，因此，本课题试验所涉及试验设备较多，其中试验使用的主要设备为：S111 及 S114 混沙机，25 kg 及 200 kg 中频感应电炉，砂轮机，线切割机床，高温箱式电阻炉，冲击试验机，万能材料试验机，德国 OBLF GS1000 直读光谱仪，KRC-150 型洛氏硬度计，布氏硬度机，光学金相显微镜，Philips Quanta 200 型扫描电子显微镜，Formaster-Ⅳ型全自动热膨胀仪，JB-30B 型摆锤式冲击试验机，KQC 微机控制屏显液压万能试验机，三面铣数控加工机床，8000 吨冲压机床等。
目前，国内汽车冲压模具常用冷作模具钢镶块多是采用锻造的 Cr12MoV 冷作模具钢，此钢种属于莱氏体过共析钢，因其含碳较高，并含有大量的提高淬透性的合金元素，故其组织中有大量共晶碳化物，淬火后有大量残余奥氏体。若锻造工艺不合理，或热处理工艺不当，极易出现开裂、寿命降低等问题。本试验研究的汽车覆盖件模具铸造高合金冷作模具钢镶块在借鉴锻造Cr12MoV 冷作模具钢镶块的成分及工艺的基础之上，并考虑分析上述问题的原因，而拟开发出材试验料成分接近锻造 Cr12MoV 冷作模具钢镶块，赋予多元微量合金化，铸造成形，经优化方案的热处理，获得能够代替锻造 Cr12MoV 冷作模具钢镶块的汽车覆盖件模具铸造高合金冷作模具钢镶块。
第三章 试验结果分析及讨论........................ 30-46
§3-1 光谱分析结果 ........................30
§3-2 试验材料铸态组织及硬度........................ 30-32
3-2-1 试验材料的铸态组织........................ 30-32
3-2-2 试验材料的铸态硬度........................ 32
§3-3 试验材料退火态组织及硬度........................ 32-35
§3-4 均匀设计试验结果分析 ........................35-36
§3-5 奥氏体化温度对其组织及硬度的影响 ........................36-39
§3-6 回火温度对其组织及力学性能的影响........................ 39-45
3-6-1 回火温度对其组织及硬度的影响 ........................39-41
3-6-2 材料的冲击韧性及抗拉强度 ........................41-44
3-6-3 材料的冲击断口分析........................ 44-45
§3-7 本章小结........................ 45-46
第四章 试验产品材料在实际生产中的应用........................ 46-53
§4-1 试验产品材料的应用领域........................46
§4-2 试验产品制造工艺流程........................ 46-51
4-2-1 实型铸造成形工艺........................ 46-48
4-2-2 退火工艺 ........................48-49
4-2-3 淬火及回火工艺........................ 49-50
4-2-4 机加工成形工序 ........................50-51
§4-3 试验产品的生产试用........................ 51-52
§4-4 本章小结 ........................52-53
结论
1 本试验依据均匀设计法，针对汽车覆盖件模具铸造高合金冷作模具钢镶块化学成分进行探讨与筛选。通过对六种化学成分方案试样的铸态和退火态的硬度及组织的综合分析，筛选出的材料化学成分为：C：1.35%，Si：0.50%，Mn：0.50%，Cr：11.00%，Mo：0.50%，V：0.80%，Nb：0.05%（wt%）并设定为 No.u 方案。
2 通过对六种化学成分试样分别进行四种不同退火工艺处理试验研究，试验结果表明，采用循环球化退火工艺处理为佳，即：860 ℃×90 分钟＋730 ℃×90 分钟＋860 ℃×90 分钟＋730 ℃×90 分钟＋860 ℃×90 分钟＋炉冷至 500 ℃出炉，空冷至室温。
3 将优化的 No.u 试样分别经循环球化退火处理后，再经过四种不同的淬火工艺处理，试验结果得出，随着奥氏体化温度的提高，No.u 试验材料淬火态硬度随之上升。缓慢升温至 1060 ℃保温 30 分钟油淬；缓慢升温至 1110 ℃保温 30 分钟油淬，两种淬火工艺方案较为合理。经上述两种淬火工艺处理后的试样硬度均大于 HRC 60，并且组织中网状碳化物大大减少，组织较为均匀。
4 经淬火处理后的 No.u 试样分别经过四种不同的回火工艺处理，试验得出，缓慢升温至 520℃保温 60 分钟后空冷至室温，回火两次，回火工艺方案最为合理。该工艺处理后的试样能够发生二次硬化，引发钢的再度强化，其硬度达 HRC 58~62，冲击韧性为 10~11 J/cm2，抗拉强度最高达907.6 MPa。
5 本课题研究的汽车覆盖件模具铸造高合金冷作模具钢镶块的力学性能接近锻造 Cr12MoV模具钢镶块性能，组织优于现行锻造 Cr12MoV 模具钢镶块。现已生产该材质冷作模具钢镶块 5623kg，共计 126 件镶块，经加工淬火处理装配后未发现一块镶块出现裂纹或断裂。与加工同等数量锻造 Cr12MoV 模具钢镶块相比，加工工时节省 30%~40%，材料节省 25%~35%。
6 汽车覆盖件模具铸造高合金冷作模具钢镶块经加工初装配后，由数控加工中心进行粗加工及半精加工，其后拆卸模具镶块成单件，进行淬火及回火工艺热处理，将热处理后的模具镶块再重新拼合装配，经三维精铣时，发现具有与锻造 Cr12MoV 模具钢镶块整体淬火后同样的缺陷，即产生较明显的变形或收缩现象，致使镶块拼合出现缝隙，与日产锻造 KD11S 微变形钢制造的镶块尚有较大差距。该问题有待于进一步探讨研究。在安徽江淮汽车制造厂用于冲压前保险杠件（1.8mm 厚钢板），开始冲压有拉毛现象，冲压 1000 余件后拉毛现象逐渐减轻，而在其他两个厂因所冲压钢板较薄（1.5 mm 厚钢板）未反映拉毛问题，此问题有待进一步试验研究。
参考文献
1 朱福顺，王鹏程，郭胜利．模具材料及其发展概况．内蒙古石油化工，2005(7)：20
2 崔崑．国内外模具用钢发展概况．金属热处理，2007，32(1)：1
3 周永泰．国内模具市场分析与预测．中国模协通讯，1998，(1)：18
4 刘胜国．我国冲压模具技术的现状及发展．黄石理工学院学报，2007，23(1)：12
5 黎斌雄．国外模具资料综述．广东省模具工业协会技术委员会交流材料，1998：1
6 徐进．国内外模具钢的生产技术概况及其展望．特殊钢，1997，（6）：147
7 赵昌盛．国外模具材料的应用及发展．模具制造，2004，(8)：65
8 董宝林．模具钢材的情况介绍及建议．模具工业，1994，(5)：50
9 陈再枝．我国模具钢的现状、问题及对策．特殊钢，1993，（4）：65
10 马党参，陈再枝，刘建华，等．国内模具钢的市场前景及生产现状．宽厚板，2004，1(1)：1