在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝的製作方法
2023-07-16 20:45:51
專利名稱：在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱作模具鋼，尤其是在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝。
背景技術：
汽車鋁輪轂生產在國內已形成寵大行業，年產鋁輪值在50億以上的企業就有5 家，每年開制鋁輪模具在三萬套以上。模具大部分是異形結構，而市場上直接提供的都是方形或圓柱形狀標準模塊，需要經過雷射切割、車、刨、銑等多道工序，金加工切削量很大。 H13鋼是使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種，已形成國家標準，比如國標要求Mo元素含量在1.廣1.75%範圍，V元素含量在0. 8U%範圍。因為Mo元素和V元素的價格昂貴， 所以市場上供應的熱作模具鋼H13其Mo元素多在1. Γ1. 2%，其V元素含量多在0. 8^0. 9%， 在使用溫度高於討01 (1000 Τ)時硬度迅速下降(即能承受的工作溫度為540°C)。鋼的特性主要由其化學成分來決定的，Mo溶解於A中能提高鋼的淬透性，Mo是作為使鋼具有二次硬化的主要合金元素加入的；V是有效阻止A晶粒粗化的元素，也是在高溫下服役的鋼材的重要合金化元素。市場上投放的產品都是按國家標準生產的，但在實際應用時，因產品要求、生產條件、環境特點相差很大，經常接觸680°C高溫溶鋁的汽車輪轂模具，在使用中會出現開裂、熔蝕等早期失效問題。正是基於以上情況，我公司根據汽車鋁輪轂模具的工作特點，對熱作模具鋼H13進行了針對性的工藝改革，反覆試驗、多次改進，終於有了重大突破， 本案由此產生。
發明內容
本發明的目的在於提高熱作模具鋼H13在汽車鋁輪轂模具上的工藝性能和使用價值。為了實現上述目的，本發明的技術方案如下
在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝，主要包括三個方面改變熱作模具鋼H13的金屬成份中部分元素含量，將熱作模具鋼H13的Mo元素含量上調到1. 25^1. 75% 範圍，對V元素含量上調到0. 95^1. 2%範圍，優化方案是將熱作模具鋼H13的Mo元素含量上調到1. 35%，將V元素含量上調到1%，並在冶煉中加入稀土 ；用以提高晶界結合力，這樣極大地提高了鋁輪轂模具的材料的淬透性、韌度、熱穩定性與耐腐蝕性，從而延長模具的使用壽命ο優化淬火工藝，鍛打完成後，在終鍛溫度不低於900°C時，以最快的速度(40秒內) 將鍛件浸入淬火油槽，使鍛件快速冷卻；鍛件出油溫度不能太低，決不能冷卻至室溫，一定要還在冒青煙或白煙，鍛件從油槽提出後，作適當滴油後進箱式爐及時保溫，箱式爐溫度控制在280度，且不可將鍛件放置地上空冷。待工件集齊後，箱式爐中的鍛件按球化退火工藝執行，硬度控制在HRClf 20。以上的工藝操作使鍛件內部組織晶粒細化，消除網狀滲碳體， 避免了二次碳化物產生，晶界組織結合力明顯增強，極大地提高了抗熱疲勞性。
改進模具用料的形狀，其特徵在於將圓柱狀、餅狀的模具鋼鍛打成型，應用了臺階、沉孔、梯度及衝孔等成型工藝，將原來金加工切削量大的部分事先去掉，僅留下必要的加工餘量。這樣能節省20% 60%昂貴的熱作模具鋼用量，而且為以後的金加工減少了同樣數量的切削量。綜上所述，採用了本發明的技術方案以後，新製作的鋁輪轂模具熱穩定性提高，高溫強度提高，使用壽命延長，而模具鋼用量和金加工切削量都大大減少了。這對於日益高精度、高複雜程度、大批量的鋁輪轂壓鑄產業具有十分重要的意義。
圖1為新H13的屈服強度Rp與市場H13鋼比較曲線； 圖2為新H13的延伸率A與市場H13鋼比較曲線；
圖3為新H13的硬度與市場H13鋼在550°C時的比較曲線； 圖4為新H13的硬度與市場H13鋼在600°C時的比較曲線； 圖5為新H13的硬度與市場H13鋼在630°C時的比較曲線； 圖6為新H13的硬度與市場H13鋼在660°C時的比較曲線； 圖7為新H13的硬度與市場H13鋼在700°C時的比較曲線； 圖8為鍛打模坯的幾種形狀。
具體實施例方式下面通過附圖和實施例對本發明作進一步詳細闡述。經過上述步驟改變了金屬成份的熱作模具鋼本公司稱之為新H13，我們把它和市場採購的熱作模具鋼(簡稱H13)進行了對比試驗，淬火參數如下
新 H13 :1080°C淬火+550°C ιΧ2 次回火； Η13 :1020°C淬火+580°C 2hX2 次回火。測試數據如下
1.在高溫和室溫下的拉伸試驗。在精密萬能試驗機上按GB228-02標準進行拉伸試驗，如圖1、圖2所示，新H13 的室溫及高溫拉伸屈服強度皆優於H13鋼。同時，由圖示曲線可以看出，H13鋼在600°C以上溫度時，高溫強度迅速降低，高溫延伸率迅速升高，說明其軟化速度加快；相比新H13，在 600°C左右時仍可保持較高強度，在630°C以上溫度時，強度下降速度較緩慢。2、熱穩定性(抗熱疲勞性)試驗
鋼的熱穩定性是表示鋼在一定溫度下和加熱保溫過程中保持其內部組織及力學性能的能力。對於模具鋼材料來說，其熱穩定能力直接表現為模具使用壽命的長短。如圖3 — 圖7所示，在保溫溫度低於630°C時，新H13的熱穩定性均明顯優於H13鋼。3.熱熔損性能(耐腐蝕性)試驗
鋁輪轂壓鑄模具上經常出現熔蝕坑，它能誘發熱疲勞裂紋的產生。另外熔蝕坑會造成型腔尺寸變化，促使模具早期失效。因此熱熔損性是檢驗輪轂模具材料性能的重要指標。試驗方法為將試樣表面磨光，稱重，浸入680°C的熔鋁中，試樣轉速為2. ^m/ min，保溫4小時後出爐。用NaOH水溶液清除表面殘留的鋁後稱重，計算單位面積上的失重量，結果為
新 H13 失重量為 10. 7 (g/dm2) ； H13 失重量為 18. 8 (g/dm2)。可見新H13的耐熱熔損性能顯著優於H13鋼。4.模具鋼用量對比試驗
我公司根據汽車鋁輪轂模具尺寸特點(13英寸 M英寸)，對許多要車削掉的部位進行了鍛模設計，對鍛打模塊應用了臺階、沉孔、梯度及衝孔等成型工藝，如圖8所示，事先去除了切削量大的那部分，僅保留必要的加工餘量。我們對50副模具(包括上、下模)做過對比試驗，一組直接採用市場供應的圓柱狀、餅狀的熱作模具鋼製作，一組採用鍛打模坯製作， 統計結果表明，採用鍛打模坯製作的模具鋼重量要減少30%以上，金加工切削量也減少30% 以上。業內人士都知道，熱作模具鋼價格不菲，降低成本效果明顯，
採用改變金屬成份的新H13和優化了熱處理工藝後，汽車鋁輪轂模具因為表面腐蝕或表面熱疲勞開裂導致失效的使用模次，由採用國標H13製造模塊的1萬一 1. 5萬模次，提高到1. 8萬 2. 2萬模次；每套模具底部都會應用冷卻系統，模具下模開裂導致的失效由原來的平均11%下降到3%以內。我們對50副模具分2組做過跟蹤對比，優化製作的一套模具平均可多生產5327個輪子，為客戶創造了很好的效益。目前我公司生產的新H13模塊已直接應用在為通用汽車、上海大眾、日本豐田等著名公司配套的輪轂製造企業。
權利要求
1.在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝，其特徵在於包括三個步驟改變熱作模具鋼H13的金屬成份中部分元素含量，將熱作模具鋼H13的Mo元素含量上調到 1. 25 1. 75%範圍，對V元素含量上調到0. 95 1. 2%範圍，並在冶煉中加入稀土 ；優化淬火工藝，在鍛打完成後，終鍛溫度在不低於900°C時，以最快的速度(40秒內)將鍛件浸入淬火油槽，使鍛件快速冷卻；改進模具用料的形狀。
2.如權利要求1所述的在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝，其特徵在於改變模具鋼H13的金屬成份中部分元素含量，將熱作模具鋼H13的Mo元素含量上調到 1. 35%，將V元素含量上調到1%。
3.如權利要求1所述的在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝，其特徵在於所述的優化淬火工藝是鍛件出油溫度不能太低，決不能冷卻至室溫，一定要冒青煙或白煙，鍛件從油槽提出後作適當滴油後進箱式爐及時保溫，箱式爐溫度控制在280度，鍛件且不可放置地上空冷；待工件集齊後，箱式爐中的鍛件按球化退火工藝執行，硬度控制在 RC18 20。
4.如權利要求1所述的在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝，其特徵在於所述的改進模具用料的形狀，是應用臺階、沉孔、梯度及衝孔等成型工藝，將圓柱狀、餅狀的模具鋼鍛打成型，將原來金加工切削量大的部分事先去掉，僅留下必要的加工餘量。
全文摘要
在鋁輪轂模具上使用熱作模具鋼的優化方法和工藝，主要包括三方面改變熱作模具鋼H13的金屬成份，將Mo元素含量上調到1.25~1.75%，對V元素含量上調到0.95~1.2%;並在冶煉中加入稀土。優化淬火工藝，鍛打完成後，在終鍛溫度不低於900℃時，快速(40秒內)將鍛件浸入淬火油槽冷卻，並在冒煙時提出，滴油後保溫。改進模具用料的形狀，將圓柱狀、餅狀的模具鋼鍛打成型，應用臺階、沉孔、梯度及衝孔等成型工藝，將金加工切削量大的部分事先去掉。優化處理後提高了抗熱裂能力，能節省20%～60％昂貴的熱作模具鋼用量和切削量。
文檔編號C21D1/18GK102191427SQ20111008677
公開日2011年9月21日 申請日期2011年4月8日 優先權日2011年4月8日
發明者範國勇 申請人:嵊州市元豐模具材料有限公司