第 1 章 绪 论
1.1选题的目的及意义
模具是制造业的重要工艺装备，是机械工业和高新技术产业的重要组成部分。模具制造的水平，已成为衡量一个国家制造水平高低的重要标准之一，模具在很大程度上决定了产品的质量和效益。模具已经在我们生活当中起了不可替代的作用，我们的生活用品甚至高端产品都离不开模具，例如：汽车、仪器仪表等机械产品和导弹、坦克等军工产品中有 60%以上的零部件都是用模具加工成型的；而在电视机、计算机等电子产品和电冰箱、洗衣机等轻工产品中分别有80%和 85%以上的零件都是用模具加工成型的。因此，模具产业已成为国民经济的重要组成部分。模具由于具有高精度、高复杂程度、高一致性、高生产效率和低耗能耗材等特点，具有比一般机械加工无可比拟的优势，国外常被称为“金钥匙”、“金属加工皇帝”、“进入富裕社会的原动力”等。因此，模具技术高低已经成为衡量一个国家富裕程度的重要标志。随着我国改革开放的深入发展，模具产业也随着市场进程的加快而得到了快速发展。特别是近年来，我国模具钢生产技术发展迅猛，从小到大，从仿制到研制，技术水平有了长足进步，目前模具材料的产量达到世界前列，制造技术也达到了国际先进水平，但在某些高新技术领域，我国还处于探索阶段，需要科研工作者来攻克这些难关。
近年来，国内在模具生产企业上投入力度也较大，例如：北方建立了东北特钢公司，南方建立了宝钢特钢公司的模具钢生产基地，并且国家投入了大量资金，来进行生产设备技术更新、改进生产工艺技术方法，使模具材料的质量得到进一步的提高，向专业化，标准化迈进，并逐步向国外模具钢生产标准靠拢，向国外出口我国自己生产的模具。我国在生产高质量、高性能的模具钢产品方面，取得了巨大的成就，提高了我国的综合国力。由于模具本身要求的制造精度高，还使用铸钢、锻钢等材料，导致模具生产成本极其昂贵。作为国民经济的基础工业，我国模具的生产成本一直居高不下。与铸钢、锻钢这些昂贵材料相比，球墨铸铁的使用首先从采购成本上就大幅度降低，而且球墨铸铁生产工艺相对简单，生产设备的成本较低，对工厂的规模没有严格要求。球墨铸铁比铸钢具有更优良的可铸造性，可以制造复杂的薄壁件，减少了铸造过程中的加工余量。近年来在厚大件方面也取得了突破性的进展，研究成果丰硕，并获得了良好的社会和经济效益。
球墨铸铁的发现并大规模用于生产，是二十世纪重大的科技进步之一，因为球墨铸铁是具有强韧性及多种特殊使用性能高度统一又具备优良的铸造成型工艺性的材料，球墨铸铁综合性能良好。与钢相比，球墨铸铁的优势主要体现在以下几点：(1)静载荷机械性能达到或接近碳钢和某些合金钢的水平，疲劳强度比相同抗拉强度的钢要低；(2)球墨铸铁的缺口敏感性低，具有缺口的球墨铸铁零件疲劳强度不会出现大幅度下降；(3)屈服强度较大，使用过程中，它在强度方面显示出了优越性；(4)通过一些表面强化处理后，例如：表面热处理强化、表面冶金强化等方法，球铁件的疲劳强度提高明显，提高模具的使用寿命；(5)球墨铸铁能够承受较小能量的多次冲击，冲击韧性强于同类基体钢，实用价值较大，在生产中应用这个优势，可以获得良好的经济效益；(6)球墨铸铁具有较好的断裂韧性指标，但比钢低。但是从小能量多次冲击和断裂韧性的角度考查球墨铸铁，它还是韧性较好的材料，因而在动载荷下的应用日益扩大；(7)球墨铸铁的吸震性优于钢，劣于灰铸铁，可以应用在震动性较大的部位；(8)因球状石墨的存在，球墨铸铁还有较好的减磨性，因而耐磨性优于碳钢和某些合金钢。这些优势使其具有良好的使用性、经济性。
球墨铸铁还有另外一个特点，就是石墨成球状，从石墨对基体割裂和应力集中的影响来看，圆球状石墨是最理想的石墨形态，因为若石墨为片状等不规则形状，会产生较大的应力集中。球墨铸铁中 Mn、Si 的存在使其抗拉强度较好，尤其是屈强比比钢高很多。我们常常考虑以球墨铸铁代替钢来进行生产，主要原因就是因为普通球铁的强度与低碳钢不相上下，高强度球铁的强度可以与中碳钢相媲美。另外，球墨铸铁的强度及抗氧化性能均比灰铸铁要好，且生产工序简单，价格方面也占有很大的优势。因此，国内外已将其用于模具材料的拉伸模中，已经取得了良好的社会效益和经济效益。国内外的模具行业把耐热球墨铸铁模具材料作为研究热点之一。
随着人们环保意识的逐渐提高，全球能源危机的日益加剧，产品的节能降耗已成为必然趋势，引起了各行业的高度重视。在竞争日趋激烈的工业领域，产品材料均采取减重、低成本、低耗能等措施来提高竞争力。特别是在竞争激烈的模具行业，球墨铸铁模具材料具有优异的性能、低廉的成本和巨大的经济利益等诸多优势，耐热球墨铸铁模具材料必将在热作模具领域中占有一席之地，其应用领域也将逐渐扩大。但耐热球墨铸铁作为模具材料在成分优化、力学性能和抗氧化性能等方面还需进一步改进，以满足其生产要求。
第 2 章 实验材料、设备及方法
2.1 球墨铸铁的制备
当设计要求的实验次数太多时，一个自然的想法就是从设计的多个组合中，选择一部分有代表性水平组合进行试验。因此就出现了正交实验设计（Orthogonal experimental design），对于试验设计知识较少的实际工作者来说，正交试验是非常重要的方法。正交试验能够大幅度减少试验次数，而且并不会降低试验可信度的方法。它是根据正交性挑选出部分有代表性的样本点做实验参数，这些代表点具备了“均匀分散，齐整可比”的特点，它是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。其主要作用是根据实验结果能够计算推断出优化配方。正交设计中准确清晰的正交表是实验有条不紊的首要前提。根据以往的生产经验，选择三因素三水平进行正交试验，各因素中每个水平的元素含量如表 2.2 所示。
第3章 球墨铸铁组织及力学性能.....................36-48
3.1 引言..................... 36
3.2 微观组织分析..................... 36-43
3.2.1 金相组织分析..................... 36-41
3.2.2 实验结果及计算 .....................41-43
3.3 性能分析 .....................43-47
3.3.1 硬度及拉伸性能分析 .....................43-45
3.3.2 实验结果及计算 .....................45-47
3.4 本章小结 .....................47-48
第4章 合金元素对球墨铸铁耐热性能..................... 48-63
4.1 引言 .....................48-49
4.2 抗高温氧化性能 .....................49-51
4.3 热疲劳性能 .....................51-60
4.3.1 合金元素的影响..................... 51-57
4.3.2 裂纹的萌生和扩展机制..................... 57-60
4.4 耐热球墨铸铁与耐热灰铸铁..................... 60-61
4.5 本章小结 .....................61-63
第5章 耐热球墨铸铁的干摩擦磨损性能..................... 63-74
5.1 引言..................... 63
5.2 球墨铸铁的干摩擦磨损性能 .....................63-70
5.2.1 合金元素的影响 .....................63-64
5.2.2 载荷的影响 .....................64-65
5.2.3 磨损时间的影响 .....................65-66
5.2.4 磨损表面形貌分析..................... 66-70
5.3 耐热球墨铸铁与耐热灰铸铁摩擦磨..................... 70-72
5.4 本章小结 .....................72-74
结论
本文采用正交实验的方法优化了耐热球墨铸铁中 Si、Mn、Cr 合金元素的配比，综合分析了合金元素含量对球墨铸铁的显微组织、硬度、拉伸性能、抗氧化性、耐热性能的影响，研究了干摩擦条件下载荷、磨损时间对材料摩擦磨损性能的影响，得出了以下结论：
1、利用正交试验，优化出耐热球墨铸铁模具材料的最佳合金元素成分配比为：Si5.5 wt.%、Mn0.6 wt.%、Cr0.8 wt.%。
2、Si 元素可以促进石墨化进程加快，提高基体的球化率，但 Si 元素含量不可过高，否则会减少组织中珠光体数量，增大脆性。Mn 元素能够促进珠光体转变，稳定并细化珠光体，还能增强球墨铸铁的韧性。Cr 元素的加入提高了球墨铸铁的硬度，且形成的 Fe-Cr 碳化物，使自由渗碳体大量的出现在铸态组织中，进一步提高了硬度值。
3、适量的 Si 元素可以提高材料的热疲劳抗力。Mn 元素的加入提高了材料的韧性，抑制了热疲劳裂纹的萌生和扩展。Cr 元素在氧化过程中，生成了 Cr2O3氧化膜，其熔点高，且严密覆盖在材料表面，阻断了材料和氧的接触，，阻止或延缓合金由外向内的深度氧化，从而提高热疲劳裂纹萌生和扩展的抗力。
4、热疲劳裂纹萌生和扩展的主要原因是：塑性应变集中、表面高温氧化和点蚀、夹杂物和氧化物的存在。对比分析耐热球墨铸铁模具材料和耐热灰铸铁的抗热疲劳性，得知前者明显优于后者，主要原因是石墨形态的不同。
5、随着 Mn、Cr 元素含量的增加，材料的磨损质量损失减少，摩擦系数下降；Si﹤5.5%时可提高材料的耐磨性，Si≥5.5 时，组织中珠光体的数量下降，耐磨性降低，材料的磨损质量损失和摩擦系数都随着施加载荷、磨损时间的增加而增加。通过对耐热球墨铸铁模具材料与耐热灰铸铁耐磨性的对比，得出前者耐磨性优于后者。
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