一种高强硬合金灰铁模具材料及其制备方法 |
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| 申请号 | CN201710700447.3 | 申请日 | 2017-08-16 | 公开(公告)号 | CN107641754A | 公开(公告)日 | 2018-01-30 |
| 申请人 | 宝钢特钢有限公司; | 发明人 | 续维; 赵亮; | ||||
| 摘要 | 一种高强硬 合金 灰 铁 模具材料及其制备方法，该合金灰铁模具材料化学成分重量百分比为：C：3.5～3.8％，Si：1.7～1.8％，Mn：0.3～0.5％，P≤0.08％，S≤0.03％，Cr：0.60～0.65％，Cu：1.1～1.2％，Mo：0.7～0.9％，Ni：0.7～0.9％，V：0.20～0.22％，且需满足：C＝5Cr+2.5V，余量为Fe及不可避免的杂质。本 发明 提高了Cu含量、Mo含量，并配合加入微合金化V元素， 钒 元素的 合金元素 复合作用促进 石墨 化减少白口倾向，增加材料的淬透性，并提高材料的强度及淬硬性，制备得到的金灰铁模具材料的 抗拉强度 ≥470MPa，淬硬层深度≥2.7mm，表面硬度≥54.5HRC，全面提升了合金灰铁模具材料的强度和淬透性，适用于制造大型 汽车 覆盖 件模具。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种高强硬合金灰铁模具材料，其化学成分重量百分比为：C：3.5～3.8％，Si：1.7～ |
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| 说明书全文 | 一种高强硬合金灰铁模具材料及其制备方法技术领域背景技术[0002] 制作汽车车身覆盖件的模具材料需要良好的性能，最重要的是强度指标和淬透性指标，因为汽车覆盖件模具在服役的过程中可能发生断裂、变形、磨损、粘合、啃伤、软化等失效形式，因此模具材料应具备高强度和高淬透性才能具有抗变形、抗磨损、抗断袭、耐疲劳和抗软化及抗粘合的能力。 [0003] 制造大型汽车覆盖件模具所使用的模具材料通常是采用合金灰铁材料，当前，常使用的是合金灰铁GM241材料，其化学成分组成(wt％)如下：C：2.8～3.2％，Si：1.6～2.0％，Mn：0.7～0.9％，P<0.08％，S<0.03％，Cr：0.2～0.3％，Cu：0.5～0.7％，Mo：0.4～ 0.5％，余量为Fe。 [0004] 由于GM241覆盖件模具材料没有微合金化元素的作用，并且C元素、Cu元素、Mo元素和Cr元素含量较低，合金元素之间的复合强化作用不明显，没有较强的促进石墨化减少白口倾向作用，其抗拉强度只有350MPa左右，GM241表面淬硬层深度只有2.2mm，表面硬度只有50HRC。因此，这种汽车覆盖件模具材料在服役的过程中容易产生断裂、变形、磨损、粘合、啃伤、软化等失效。 [0005] 因此，多年来，广大冶金材料学科研人员在冶金材料领域里，特别是在石墨灰铁材料领域中一直在寻找一种高强硬石磨合金灰铁材料来替代目前的GM241材料，开发高端的大型汽车覆盖件模具材料，来满足日益增长的高质量的汽车覆盖件制造需要。 [0006] 中国专利CN1693525A公开了一种合金灰铁材料，其化学成份重量百分比为：C：2.8～3.2％，Si：1.8～2.2％，Mn：0.6～0.9％，P＜0.08％，S＜0.03％，Cr：0.1～0.5％，Cu：0.2～1.0％，Mo：0.1～0.5％，Ni：0.3～0.5％，Fe余量。该合金灰铁材料的化学成份中含有较低的铜元素和钼元素，并且没有加入任何的微合金元素，因此这种合金灰铁材料缺乏促进石墨化减少白口倾向作用，只能作为一般的汽车覆盖件合金灰铁模具材料使用，其综合性能较差。 [0007] 日本专利JP10071459A公开了一种相关覆盖件的材料，其化学成份重量百分比为：C：2.5～4.0％，Si：2.0～3.5％，Mn：0.1～0.8％，Cu：0.1～2.0％，Ni：0.1～2.0％，Mo：0.05～0.5％，Fe余量。该模具材料的化学成份中含有较高的硅含量和较低的钼含量，其强化机理主要是通过硅元素在基体中的强化作用和其它合金元素的相互强化作用，另一方面，该材料没有加入微合金化元素，因此，元素的复合强化作用不明显，促进石墨化减少白口倾向作用不强。 发明内容[0008] 本发明的目的在于提供一种高强硬合金灰铁模具材料及其制备方法，该合金灰铁模具材料的抗拉强度≥470MPa，表面硬度≥54.5HRC，淬硬层深度≥2.7mm，具有较高的强度和淬透性。 [0009] 为达到上述目的，本发明的技术方案是： [0010] 一种高强硬合金灰铁模具材料，其化学成分重量百分比为：C：3.5～3.8％，Si：1.7～1.8％，Mn：0.3～0.5％，P≤0.08％，S≤0.03％，Cr：0.60～0.65％，Cu：1.1～1.2％，Mo：0.7～0.9％，Ni：0.7～0.9％，V：0.20～0.22％，且上述元素需同时满足如下关系：C＝5Cr+ 2.5V，余量为Fe及不可避免的杂质。 [0011] 进一步，所述高强硬合金灰铁模具材料的抗拉强度≥470MPa，表面硬度≥54.5HRC，淬硬层深度≥2.7mm。 [0012] 以下是本发明主要元素的作用及其限定说明： [0013] C：C是石墨相生成的基础，而石墨相对金属基体有割裂削弱作用。随着C含量的增加，石墨片变得粗大，数量增多，提高了材料的硬度，但是石墨片增加太多会使材料的抗拉强度降低。因此，本发明控制C含量为3.5～3.8％。 [0014] Si：Si是促进石墨化元素，可溶于铁素体，提高材料的抗拉强度和硬度，但将降低材料的塑性，因此，Si的含量不宜过高，本发明控制Si含量为1.7～1.8％。 [0015] Mn：Mn在灰铸铁中可以中和S形成MnS及(Fe、Mn)S化合物，这些化合物的熔点在1600℃以上，可以作为石墨化的非自发性晶核；而中和S元素后余下的Mn可以增加并细化珠光体。但Mn是碳化物形成元素，而且Mn含量过高会增加材料的脆性。因此综合考虑Mn的作用后，本发明控制Mn含量为0.3～0.5％。 [0016] Cr：Cr大部分固溶于渗碳体形成合金渗碳体，稳定了渗碳体，具有强烈的促进白口的作用，同时强化材料的力学性能。Cr增加材料的淬透性，同时价格低廉。但Cr是较强烈的碳化物形成元素，含量过高时容易生成游离渗碳体，因此，Cr含量应＜0.7％。综合考虑，本发明控制Cr含量为0.60～0.65％。 [0017] Cu：Cu能细化并增加珠光体的含量，提高珠光体的显微硬度，从而增加铸铁的耐磨性；在Cu含量超过0.6％时，具有一定的促进石墨化作用。但Cu的含量过高会产生热裂倾向，且当Cu含量＞1.25％时即超出其溶解度而析出。因此，本发明控制Cu含量为1.1～1.2％。 [0018] Mo：Mo是一种强淬透性添加剂，能显著提高材料的淬透性。Mo还能细化珠光体和石墨，增加珠光体的含量，同时强化珠光体中的铁素体，因而能有效的提高材料的强度和硬度，但其缺点是价格较贵。因此，本发明控制Mo含量为0.7～0.9％。 [0019] Ni：Ni和Cu的作用相似，也具有一定的石墨化作用。Ni可全溶于奥氏体，细化并增加珠光体，并且是较好的淬透性添加剂，能够有效的改善低温性能，而且Ni在铸铁中的偏析较小。但其价格较贵，本发明控制Ni含量为0.7～0.9％。 [0020] V：V是强烈的碳化物形成元素，其形成的碳化钒等硬质相具有很高的显微硬度，本发明中作为微合金化元素的加入可以在铸铁的工作表面形成双滑动面，有效提高铸铁材料的抗磨损性能。V还可以细化共晶团提高强度。因此，本发明控制V含量为0.20～0.22％。 [0021] P：P基本上属于有害元素。在Mn含量少的情况下，P容易偏析生成磷共晶，虽然可以提高铁水的流动性和耐磨性，但是也将使材质变脆。因此应控制P≤0.08％。 [0022] S：S元素是属于有害元素来进行控制的。在Mn含量少的情况下，S有强烈的白口化作用，不仅使材质变脆，而且降低铁水的流动性。为了确保不使材质变脆，降低模具材料的白口化作用，应控制材料中的S≤0.03％。 [0023] 本发明所设计化学成份的配比更加合理和先进，组成中含有较高的Cu含量、Mo含量，并配合加入微合金化V元素。其中Mo的作用是增加材料的淬透性并提高强度，Cu的作用是促进石墨化减少白口倾向，V元素的合金元素复合作用促进石墨化减少白口倾向，增加材料的淬透性，并提高材料的强度及淬硬性，也可以与合金元素Mo复合作用提高合金灰铁模具的强度，进而提高了合金灰铁模具的综合性能。 [0024] 本发明中关键合金元素和碳元素的关系应该符合：C＝5Cr+2.5V。本发明中合金元素Cr和V均是中强碳化物形成元素，在钢中的复合作用下形成Cr的碳化物和V的碳化物，M2C和M23C等形式的碳化物分布在钢的显微组织中，由于合金成分满足上述数学关系式，就可以形成均匀稳定的M3C/M23C类型碳化物，促进石墨化减少白口倾向，并使铸铁摩擦面出现双滑动面，从而大大增加了材料的淬透性，并提高材料的强度及淬硬性。 [0025] 本发明还提供了一种高强硬合金灰铁模具材料的制备方法，该方法包括如下步骤： [0026] 1)按照上述化学成份配料，将配料置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300～1500℃，并浇注出铸件； [0027] 2)对铸件使用中频感应加热炉进行表面音频感应淬火处理，控制中频感应加热炉的输出功率为20～28KW，淬火温度为850～950℃，淬火方式为空冷。 [0028] 进一步，所述高强硬合金灰铁模具材料的抗拉强度≥470MPa，表面硬度≥54.5HRC，淬硬层深度≥2.7mm。 [0029] 本发明主要工艺参数控制如下： [0031] 步骤2)中输出功率为20～28KW，控制功率在此范围可以使得模具材料高温加热更加均匀，合金元素充分溶解并能够发挥微合金元素在基体中溶解后的析出强化作用。 [0032] 本发明将模具材料淬火温度控制在850～950℃，保证材料的合金元素的均匀性并防止材料的过热而引发材料的冶金缺陷，控制冷却方式为空气中的冷却可以防止模具材料由于冷却速度过快而导致应力裂纹缺陷。 [0033] 本发明与现有技术相比，具有如下有益效果： [0034] 1.本发明的化学成分中提高了C含量，增强了石墨片的基体强度，使得材料的强度明显提高，同时降低了Mn含量，明显降低了Mn的硫化物对石墨片基体强度和基体硬度的弱化作用，提高了材料的强度和硬度；提高了Cr含量使得Cr的碳化物数量明显增加，从而提高了材料的淬透性并使得材料的淬硬层深度扩大；提高了Ni含量，可增强Cr的碳化物在基体中的均匀分布，并能抑制合金碳化物的聚集和长大，从而提升了材料的强度和硬度及淬硬层深度等综合指标。 [0035] 2.本发明制备的高强硬合金灰铁模具材料的抗拉强度可达470MPa以上，提高了至少31％；淬火处理后合金灰铸铁淬硬层可达2.7mm以上，提高了淬硬层深度至少15％，表面硬度可达洛氏硬度54.5HRC以上，提高了至少7％。附图说明 [0036] 图1为本发明实施例1合金灰铁模具材料的500×金相显微组织照片。 [0037] 图2为本发明实施例1合金灰铁模具材料的100×金相显微组织照片。 具体实施方式[0038] 下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。 [0039] 表1为本发明实施例材料的化学成分，表2为本发明实施例材料的性能。 [0040] 实施例1 [0041] 按照表1化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1300℃，并浇注出 的单铸试棒。对浇注出的 的试样使用移动式感应淬火炉进行表面音频感应淬火处理，输出功率为20KW，淬火温度控制在850℃，淬火方式为空冷。性能测试结果参见表2。 [0042] 性能测试结果：其表面硬度为54.5HRC，淬硬层深度为2.81mm，单铸试棒抗拉强度为475MPa，具体参见表2。 [0043] 实施例2 [0044] 按照表1化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1400℃，并浇注出 的单铸试棒。对浇注出的 的试样使用移动式感应淬火炉进行表面音频感应淬火处理，输出功率为24KW，淬火温度控制在900℃，淬火方式为空冷。 [0045] 性能测试结果：表面硬度为55.5HRC，淬硬层深度为2.83mm，单铸试棒抗拉强度为478MPa，具体参见表2。 [0046] 实施例3 [0047] 按照表1化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1500℃，并浇注出 的单铸试棒。对浇注出的 的试样使用移动式感应淬火炉进行表面音频感应淬火处理，输出功率为28KW，淬火温度控制在950℃，淬火方式为空冷。 [0048] 性能测试：表面硬度为57HRC，淬硬层深度为2.85mm，单铸试棒抗拉强度为486MPa，具体参见表2。 [0049] 实施例4 [0050] 按照表1化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1350℃，并浇注出 的单铸试棒。对浇注出的 的试样使用移动式感应淬火炉进行表面音频感应淬火处理，控制输出功率为22KW，淬火温度控制在910℃，淬火方式为空冷。 [0051] 性能测试：其表面硬度为56.5HRC，淬硬层深度为2.77mm，单铸试棒抗拉强度为482MPa，具体参见表2。 [0052] 实施例5 [0053] 按照表1所列化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在1450℃，并浇注出 的单铸试棒。对浇注出的 的试样使用移动 式感应淬火炉进行表面音频感应淬火处理，输出功率为26KW，淬火温度控制在930℃，淬火方式为空冷。 [0054] 性能测试：其表面硬度为55.5HRC，淬硬层深度为2.75mm，单铸试棒抗拉强度为479MPa，具体参见表2。 [0055] 由表2可知，本发明制备工艺中浇注出单铸试棒的抗拉强度可达450MPa以上；淬火处理后合金灰铸铁淬硬层可达2.5mm以上，表面硬度可达洛氏硬度53HRC以上，全面提升了合金灰铁模具材料的强度和淬透性。 [0056] 由图1可知，本发明制备的合金灰铁模具材料显微组织中含有尺寸更细小的钒的碳化物。碳化钒的存在使铸铁摩擦面出现双滑动面，从而大大提高材料的耐磨性能。 [0057] 由图2可知，本发明制备的合金灰铁模具材料的100倍金相显微组织显示出枝晶片状基体组织，在组织中石墨片状细小，并且更细小的钒的碳化物的存在使得显微组织磨擦面出现双滑动面，提高了基体的硬度和强度等综合性能。 [0058] 表1 单位：wt％ [0059]编号 C Si Mn P S Cr Cu Mo Ni V 实施例1 3.50 1.7 0.5 0.05 0.01 0.60 1.1 0.8 0.8 0.20 实施例2 3.65 1.8 0.3 0.06 0.015 0.63 1.2 0.7 0.9 0.20 实施例3 3.65 1.8 0.3 0.07 0.02 0.62 1.2 0.9 0.8 0.22 实施例4 3.75 1.7 0.5 0.08 0.025 0.65 1.1 0.7 0.9 0.20 实施例5 3.80 1.8 0.4 0.075 0.03 0.65 1.1 0.9 0.7 0.22 [0060] 表2 [0061] |
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