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发表于 2020-3-10 09:26:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 fawmat 于 2020-3-10 09:27 编辑

冷冲压模具常用铸造材料的分类及选材原则

邓燕1 李悦1 宋雨来2 刘耀辉2
(1.一汽模具制造有限公司,长春 130013;2.吉林大学材料科学与工程学院,长春 130025)
【中国汽车材料网】摘要:将国标、德国标准以及丰田、大众、通用、福特等国际汽车企业的相关标准进行总结提炼,分析多家国外设计公司的模具设计习惯,将冷冲压模具铸造材料进行分类,总结各种材料的成分、性能及使用特点,规范材料的应用条件及适用范围,并在国内外多个项目中进行应用,便于国内汽车厂家了解更多铸造材料信息,并进行推广应用,有效降低了模具制造成本、缩短了生产制造周期。
关键词:冲压模具 铸造材料 分类应用
1 前言

由于铸造材料具有可铸尺寸大、可铸形状复杂、加工过程中只需在加工表面预留必要的加工余量等优势;为了减轻模具质量、降低模具材料成本及加工成本,缩短模具设计制造周期、减少模具后期维护费用,在冷冲压模具中大量采用铸造材料,而合理选材对模具成本、制造周期、模具寿命等均具有重要的意义。

随着模具制造业、国内铸造业的发展及国际合作的加强,国内冷冲压模具铸造材料种类逐步增多、应用日益广泛,已形成灰口铸铁、球墨铸铁、合金铸铁、铸钢、合金铸钢等系列产品,其中高强度合金铸铁EN-JS2070(旧称为GGG70L)抗拉强度与铸钢媲美,广泛应用于外覆盖件拉延模具、翻边凸模或深拉延模具。近年来通过国际合作,合金铸钢由仅7CrSiMnMoV应用成熟,发展到应用1.7140、1.2320、1.2769S、1.2333、1.2382等或与其等价牌号的多种铸造模具钢材料,并推广到全行业,改变了Cr12MoV锻材大量应用的局面。国内模具行业虽有多种铸造模具钢应用,但大多为出口项目或国外设计项目,只有个别企业将这些材料用于国内项目,由于与先进国家在铸件质量、供货状态、工作面表面硬化方式等都有所不同,急需制定符合我国国情的铸造材料的选材原则。本文中铸造材料的选材原则适用于年产量不少于5 000件的模具。

2 模具铸铁材料的分类及应用

与钢相比,铸铁力学性能尤其是抗拉强度与塑性、韧性均较低,但生产工艺和设备简单、成本低,并且铸铁具有优良的减震性、耐磨性、抗腐蚀性、铸造性能与切削加工性,因此铸铁材料大量应用于冷冲压模具结构件中。目前使用的铸铁材料主要分为普通铸铁和合金铸铁两大类。

2.1 普通铸铁材料的性能及应用

灰口铸铁中的石墨为片状,铸造性、耐磨性、减震性优于其它铸铁,虽然力学性能较低但能满足一定的使用要求,因此适用于模具中起固定、支撑作用的零件。

球墨铸铁的石墨呈球状,比普通灰口铸铁有更高的强度、较好的韧性和塑性,适用于模具中起定位、运动作用的重要结构件。

2.2 合金铸铁材料的性能特点

合金铸铁组织中的石墨有自润滑性能,可减少成型过程中的摩擦,通过表面淬火的方式提高易磨损区域的硬度,满足成型部分高硬度、高耐磨的要求,加工性能较好,因此广泛应用于拉延模具、翻边整形模具等工作件中。合金铸铁种类主要包括MoCr、EN-JS2070、EN-JS1060、EN-JS1070等。

国际上拉延模具尽量采用合金铸铁材料表面淬火,必要时型面采取离子氮化或镀硬铬等涂层技术减少摩擦,避免拉毛,提高模具寿命。

将常用铸铁材料进行分类,结合各国设计习惯制定材料用途,如表1所示。

表1 常用铸铁材料分类及在冷冲压模具中的用途
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表1说明如下。

a.若客户不指定模具材料,则国内模具设计首选带☆标记的材料。

b.表1中抗拉强度为单铸试样数值,由于铸件壁厚不同,铸件本体或附铸试样抗拉强度可能会略低于表1中数值。

c.国内EN-JS1060、EN-JS1070铸件订货时需明确是否需要有淬火功能,不同要求价格不同。

d.铸铁比铸钢铸造工艺性好,国外转轴材料采用合金铸钢1.2320,国内为避免因铸造缺陷而报废,转轴材料可采用合金铸铁EN-JS2070。

e.丰田原设计采用FCD540M表面淬火时,因国内厂家不接受FCD540M订货,则用FCD540+局部TM2000焊接代替。

2.3 典型结构铸铁材料应用

典型结构铸铁材料应用如图1~图3所示。

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图1 滑块结构
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图2 转轴机构各零件材料

3 模具铸钢材料的分类及应用
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图3 丰田拉延模具各零件材料

3.1 根据模具铸钢材料特性进行合理选材

a.材料成分与特性息息相关,C含量增加,硬度及耐磨性提高、韧性降低;Ni、Mn含量增加,淬透性提高、韧性提高;Cr、Mo、V、W等元素含量增加,硬度、耐磨性提高、淬透性提高、韧性降低。实际生产中铸件成分需满足要求,常用铸钢的化学成分见表2。

表2 铸钢的化学成分%
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b.根据合金铸钢性能进行合理选材,常用合金铸钢焊接性能按从强到弱排列为1.2769S>1.7140>1.2320>1.2333>GP4M>1.2370>1.2382;淬硬性能按从强到弱排列为1.2382>GP4M>1.2370>1.2333>1.2320>1.2769S>1.7140。 模 具具有需要经常修改及维护的特性,焊接性能是模具材料的重要指标,后开发的GP4M材料淬硬性虽不如1.2382,但焊接性能和韧性均比1.2382优越,通过适当调整高温回火温度可实现工件高硬度,因此一般情况下可用GP4M代替1.2382,GP4M可做PVD、CVD涂层和氮化,但不能做TD处理,1.2382可做TD处理,因此厂家要求TD处理时材料用1.2382或相应锻件,不能采用GP4M。GP4M焊接性能及淬硬性能均优于1.2370,因此1.2370已不再使用。

c.将常用铸钢材料进行分类,根据各自性能及各国设计习惯制定用途,见表3。

表3 常用铸钢材料分类及用途
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表3说明如下。

a.若客户不指定模具材料,则国内模具设计首选带☆标记的材料。

b.表3中1.2370现在已经不再使用。

c.1.2382为高碳高铬钢,铸造难度大,用量较小,焊接性能较差,大众、福特等标准中常用GP4M代替1.2382,但GP4M尚未在国内推广使用。

d.1.2320用于转轴时,尽量保证壁厚均匀避免铸造缺陷。

e.合金铸钢1.7140、1.2769S、1.2320、1.2333等采用表面淬火方式的铸件,欧标、美标中铸件供货状态大多需要调质到850~950 MPa或900~1050 MPa,以提高基体强度,但国内厂家没有采用,项目有特殊要求时,将委托专业热处理厂家对铸件进行调质,再进行机械加工,调质前检查裂纹,可用目视及显影剂检查。为便于检测零件的抗拉强度,国外企业通常按强度与硬度对照表ISO 18265,将抗拉强度换算为硬度进行测量,800~950 MPa大约相当于HRC24.2~31,900~1 050 MPa相当于 HRC28.7~34.9。


4 模具工作件及结构件的材料要求4.1 模具选材划分

根据模具零件的功能将模具选材划分为工作件选材及结构件选材。

工作件是指在模具上直接完成冲压件成型、冲切等工作内容的零件,如凸模、凹模等;结构件是指模具上起支撑、固定、定位、运动等工作内容的零件,如底板、垫板、滑块、盖板、固定板、连接板等。压料板如果直接参与工作,如拉延压料圈、起整形作用的压料板,属于工作件;若只压料、顶料,则属于结构件。

模具工作件及结构件材料不同,模具工作件采用合金铸造材料,其中拉延类模具及翻边凸模、起整形作用的压料板等大多采用合金铸铁,其余工作件材料采用合金铸钢。

模具结构件中的底板、垫板、滑块、盖板等主要采用铸铁材料,只有结构薄弱或板料过厚铸铁无法满足要求时,采用铸钢材料。

4.2 模具工作件材料的性能要求

冷冲压模具在工艺过程中要承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力,模具也要求具有较高的尺寸精度。在汽车冷冲压模具的成形和冲切工艺中,主要失效机理为磨损、塑性变形、开裂及崩刃等。根据模具的工作条件,模具工作件材料应具有以下性能。

a.高硬度。模具的硬度必须高于板料的硬度,才能避免冲压过程中引起模具变形。

b.高耐磨性。可保持模具的尺寸精度,提高模具使用寿命,尽量避免由于维护导致停机。

c.足够的强度和韧性。可保证模具在工作过程中不会因冲击负荷、弯曲负荷等被破坏,防止材料的早期开裂和崩刃。

d.良好的淬硬性。容易获得高硬度、耐磨性能。e.良好的焊接性。便于模具的更改及维护。f.变形小。

g.经济合理。在满足性能、寿命要求前提下,选用价格低的材料。

h.不同类型模具的工作件要求的材料性能不同。

拉延模和整形模的模具材料必须具备优异的抗磨损和抗黏着性能,修边模的模具材料必须具备优异的抗磨损和抗崩刃性能。

5 模具工作件的选材原则

根据冲压板料的抗拉强度、板料厚度、模具寿命要求、模具的使用工况、冲压件形状特点等进行工作件的合理选材。常用的选材方案有两种。

5.1 方案1

按选材曲线进行模具工作件粗略选材,如图4所示。

拉延模具选材如图4曲线1所示,曲线上方区域,拉延凹模及压料圈采用镶块,选择材料为1.2382、GP4M 或 Cr12MoV、Cr12Mo1V1、1.2379,整体淬火;曲线下方区域,拉延凹模及压料圈采用EN-JS2070,表面淬火。

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图4 选材曲线


修边模具选材如图4曲线2、曲线3所示。

a.曲线2为修边模具下凸模选材原则。曲线上方区域,选择材料为1.2333,表面淬火;曲线下方区域,选择材料为7CrMnSiMoV、1.7140,表面淬火,也可以用1.2333代替。

b.曲线3为修边模具上模镶块选材原则。曲线上方区域,选择材料为1.2382、GP4M或Cr12MoV、Cr12Mo1V1、1.2379,整体淬火;曲线下方区域,选择材料为1.2333,表面淬火。

5.2 方案2

年产量在5 000件以上的零件,根据冲压件钢板的抗拉强度、料厚、模具类型等进行模具工作件选材,工作件为大中型零件。按材料选用表进行模具工作件粗略选材,如表4所示,表4中的模具选材类别代号含义见表5。

表5说明如下。

a.根据客户及项目要求确定选材方案1或2,方案1常用于福特、路虎等项目,方案2常用于国内客户项目,仅供参考,需要融合以往经验、客户生产及维护条件等因素。

b.翻边凹模镶块选材时除考虑抗拉强度、料厚等因素之外,还需考虑翻边线是否为曲线(图5),曲线比直线更易聚料磨损,因而采用耐磨性能更好的材料。

c.普通钢板料厚≤1.0 mm,翻边凹模镶块一般采用7CrMnSiMoV或1.2333。

d.普通钢板1.0 mm<料厚≤1.2 mm,翻边线为近似直线时,翻边凹模镶块一般采用7CrMnSiMoV或1.2333;翻边线为曲线、聚料严重时,翻边凹模镶块采用Cr12MoV、1.2382整体淬火。

表4 材料选用表
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表5 表4中模具选材类别代号含义
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注:工作件为小型零件时,模具工作件材料Cr12MoV,整体淬火。

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图5 翻边模具结构示意

e.普通钢板料厚 t>1.2 mm,采用 Cr12MoV、1.2382整体淬火。

f.高强度钢板翻边凹模镶块采用Cr12MoV、1.2382整体淬火。

6 结束语

介绍了一汽模具承接的国内外项目中常用冷冲压模具铸造材料的牌号、种类及性能特点,将国际先进车企的标准、设计习惯与国内铸件供货状态等相融合,提出符合我国国情的铸造材料的选材原则,促进多种铸造材料在模具行业的发展及应用,便于设计人员参考使用。


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