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模具是工业生产的基础工艺装备,振兴和发展我国的模具工业,日益紧迫。传统的冷冲压成型工艺已不能满足技术和生产发展的需要,于是各国发展出了全新的热冲压成型工艺。热冲压生产对模具材料提出新的要求,这是以前国内模具钢技术开发关注比较少的。本文通过对比国内外用于热冲压模具的高强韧性热冲压模具钢H13、QRO90、Dievar、Hotvar、CR7V、HTCS-130的合金成分特点和主要机械性能,针对热冲压成型模具的服役工况条件,通过Jmat-pro软件模拟常用热冲压模具钢的碳化物类型和百分比,基于合金化思路设计了两种新型的专门用于热冲压成型模具的合金钢SDCM1和SDCM2。热导率是热冲压模具钢的关键物理性能,关系着能否快速冷却获得高强度冲压件和冲压节拍以节省能源提高生产效率。通过Jmat-pro软件模拟结果显示,SDCM1钢的合金化方案已经达到了提升热导率的目的。同时通过大量实验研究热冲压成型模具钢SDCM1和SDCM2各项性能(CCT曲线,热稳定性,高温抗压,热疲劳,高温摩擦磨损,切削,钻孔,焊接和热导率等),经与热冲压模具材料QRO90等国内外常用模具钢进行综合性能对比,得到最佳成分和性能的热冲压模具钢SDCM。重点研究并对比了SDCM钢的热导率,以适应当前热冲压成型材料性能不断提高的发展趋势。本文通过X射线衍射实验定量计算材料中基体含碳量和位错密度,辅以光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)定性比较材料微观组织变化,揭示SDCM钢微观结构对宏观热物理性能和热稳定性能的作用规律。采用DEFORM®软件建立汽车B柱零件热冲压成型及模内淬火过程的数值仿真模型。通过数值模拟获得对整个工艺过程的规律性认识,分析其温度场与组织的变化,使热冲压零件质量得到精确控制,提高热冲压模具材料的使用性能。获得主要结论如下:1、设计的SDCM1、SDCM2钢与进口热冲压模具钢QRO90、HOTVAR和CR7V各项性能对比发现,SDCM1和SDCM2钢的最佳热处理工艺分别为1020℃淬火+600℃回火和1020℃淬火+550℃回火,具有与进口热冲压模具钢相当的优异回火稳定性;在淬回火状态下元素分布均匀,620℃下的热稳定性与进口模具钢相当,而600℃热稳定性优于QRO90和CR7V钢;SDCM1、SDCM2钢高温抗压强度略高于QRO90钢,可替代进口QRO90,CR7V等进口热冲压模具钢。基于XRD结果定量计算钢的基体含碳量和位错密度发现,SDCM1钢在600℃和650℃保温时,位错密度和硬度均随保温时间增长而降低。2、对SDCM1、SDCM2钢进行了大量热导率实验对比研究发现,在相同热处理工艺条件下,热导率SDCM1高于SDCM2。热冲压成型模具需要考虑高热导率这一关键物理性能,通过Jmat-pro软件模拟结果也显示,SDCM1钢的合金化方案已经达到了提升热导率的目的,故选取热导率高的SDCM1的成分作为热冲压模具钢SDCM的成分是合理的。3、通过研究不同热处理工艺对SDCM钢热导率影响,结果表明深冷处理对SDCM钢热导率没有影响;在所测试温度区间,贝氏体等温处理对SDCM钢热导率有明显提升,高于淬火后回火600℃试样3.8W/m·K。热容与温度存在明显依赖关系,通过分析和拟合所有试样热容都得到型经验公式。室温下SDCM各种热处理后试样热扩散系数介于6~10mm2/s之间,远远小于纯铁室温热扩散系数22.7mm2/s。随着温度升高各试样热扩散系数差值变小,室温时差值为3.43mm2/s而973K时最大差值0.38mm2/s。所有热扩散系数—温度曲线有着相似的变化趋势,而且曲线呈现二次函数特征。通过函数拟合得到各试样温度与热扩散系数之间的经验公式。通过热容和热扩散系数经验公式计算得到SDCM钢热导率与温度关系经验公式。4、基于XRD结果定量计算SDCM钢不同热处理条件下基体含碳量和位错密度。结果表明,SDCM材料BQT、Q、QT200、QT400、QT500、QT600试样位错密度分别为4.52×1015m-2、32.2×1015m-2、6.60×1015m-2、5.55×1015m-2、5.21×1015m-2、2.17×1015m-2。其基体含碳量分别为0.0043wt%、0.461wt%、0.438wt%、0.217wt%、0.185wt%、0.057wt%。分析发现,贝氏体等温淬火回火后虽然其位错密度较相同温度回火的回火马氏体高,但是其基体含碳量较低,有利于提高热导率;相同温度淬火后,随着回火温度升高马氏体基体含碳量降低,位错密度降低,均对热导率提高有贡献。基体含碳量与热导率有近线性关系。5、建立了汽车B柱零件热冲压成型及模内淬火过程的数值仿真模型,研究了模具热导率对成型件冷却行为、组织演变以及模具温度的影响规律。通过热冲压成型数值模拟可得,在热冲压保压淬火过程中,模具材料的热导率对热冲压成型件的冷却行为起重要作用;模具材料为H13钢时,汽车B柱至少需要保压11s才能使其关键部位的温度低于M f点,而采用SDCM模具材料仅需约8.5s就能使汽车B柱关键部位的组织完全转变为马氏体,有效地加快了热冲压生产节拍和提高了生产效率;在保压淬火冷却阶段,当模具材料为H13钢时,模具各部位的温差较大,温度分布不均匀;而当采用SDCM模具材料时,模具温度的均匀性有较大改善,有利于延长模具的使用寿命。