專利名稱：一種高淬透性合金灰鐵模具材料及其制備方法
一種高淬透性合金灰鐵模具材料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于合金灰鐵材料制造工藝領(lǐng)域，涉及一種汽車大型覆蓋件用的高淬透性 灰鐵模具材料及其制備方法，尤其涉及到一種高淬透性合金灰鐵模具材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
制造大型汽車覆蓋件模具所使用的模具材料通常是采用合金灰鐵材料，制作汽車 車身覆蓋件的模具材料需要良好的性能，最重要的是強(qiáng)度指標(biāo)和淬透性指標(biāo)，因?yàn)槠嚫?蓋件模具在服役的過程中可能發(fā)生斷裂、變形、磨損、粘合、啃傷、軟化等失效形式，因此模 具材料應(yīng)具備高強(qiáng)度和高淬透性性能指標(biāo)才能具有抗變形、抗磨損、抗斷襲、耐疲勞和抗軟 化及抗粘合的能力。
當(dāng)前，制造大型汽車覆蓋件材料使用的是合金灰鐵GM241材料，其化學(xué)成分組成 (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%，余量為 Fe。
由于GMMl覆蓋件模具材料沒有微合金化元素的作用，并且Cu元素、Mo元素和Cr 元素含量較低，合金元素之間的符合強(qiáng)化作用不明顯，沒有較強(qiáng)的促進(jìn)石墨化減少白口傾 向作用。這種GM241材料通過澆注出的單鑄試棒并采用合金灰鑄鐵使用的移動(dòng)式感應(yīng)加熱 設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火處理，輸出功率為20 ^KW,淬火溫度控制在850 950°C，淬 火方式為空冷后的GM241單鑄試棒的抗拉強(qiáng)度只有350MPa左右，而相同條件下的GM241表 面淬硬層只有2. 2mm，表面硬度只有50HRC。因此，這種汽車覆蓋件模具材料在服役的過程 中容易產(chǎn)生斷裂、變形、磨損、粘合、啃傷、軟化等失效。
因此，多年來，廣大冶金材料學(xué)科研技術(shù)人員在冶金材料領(lǐng)域里，特別是在石墨灰 鐵材料領(lǐng)域中一直在尋找一種高淬透性石磨合金灰鐵材料來替代目前的GM241材料，開發(fā) 高端的大型汽車覆蓋件材料來滿足日益增長的高質(zhì)量的汽車覆蓋件模具制造需要
對(duì)相關(guān)技術(shù)的中外專利檢索內(nèi)容分析，通過輸入相關(guān)本發(fā)明內(nèi)容的關(guān)鍵詞在對(duì)中 外專利及相關(guān)覆蓋件的技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索發(fā)現(xiàn)，涉及到和本專利相關(guān)聯(lián)的刀片鋼及其冶金 制造技術(shù)的專利
1)中國專利，專利公開號(hào)CN1693525，專利名稱“汽車覆蓋件模具用合金灰鐵材料 及其制備方法”，其化學(xué)成份重量百分比含量為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%, Ni0.3 0.5%，其余!^e余量。
2)日本專利，專利公開號(hào) JP10071459A，專利名稱 “ALUMINUM INSERTINGMEMBER EXCELLENT IN DAMPING CAPACITY AND MANUFACTURE THEREOF”，介紹的一種相關(guān)覆蓋件的 材料的化學(xué)成份含量如下所示化學(xué)成份重量百分比含量為C 2. 5-4.0%, Si 2. 0-3.5%, Mn 0. 1-0.8%，Cu 0. 1-2. 0%, NiO. 1-2. 0%, Mo 0. 05-0· 5%其余為鐵 Fe。
中國專利CN1693525的化學(xué)成份組成并且沒有加入任何的微合金化元素、因此這 種合金灰鐵材料缺乏較強(qiáng)的促進(jìn)石墨化減少白口傾向作用，只能作為一般的汽車覆蓋件合金灰鐵模具材料使用。
日本專利所涉及到的相關(guān)化學(xué)成份的模具材料的化學(xué)成份中含有較高的硅含量 和較低的鉬含量，這種模具材料強(qiáng)化機(jī)理主要是通過硅元素在基體中的強(qiáng)化作用和其它合 金元素的相互強(qiáng)化作用，另一方面，該模具材料沒有加入微合金化元素，因此，元素的符合 強(qiáng)化作用不明顯，促進(jìn)石墨化減少白口傾向作用不強(qiáng)。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種高淬透性合金灰鐵模具材料及其制備方法，全面提升合 金灰鐵模具材料的強(qiáng)度和淬透性。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種高淬透性合金灰鐵模具材料，包含以下化學(xué)成 分，其重量百分配比為
C 2. 8 3.3%，Si 1.7 2.0%，Mn 0. 6 0. 9%，P 彡 0. 08%，S 彡 0. 03%，
Cr 0. 35 0. 50%, Cu 1. 10 1. 20%, Mo 0. 6 0. 9%，Ni 0. 2 0. 6%,
V 0. 1 0. 3%，余量為 Fe。
以下是本發(fā)明主要元素的作用及其限定說明
C2.8 3.3wt%
C是石墨相生成的基礎(chǔ)，而石墨相對(duì)金屬基體有割裂削弱作用。隨著C含量的增 加，石墨片變得粗大，數(shù)量增多，材料的抗拉強(qiáng)度降低。因此選擇C的含量為2. 8 3. 3wt %。
Si 1. 7 2. Owt %
Si是促進(jìn)石墨化元素，可溶于鐵素體，提高其抗拉強(qiáng)度和硬度，但將降低材料的塑 性，因此Si的含量不宜過高，可選為1.7 2. Owt %。
Mn0.6 0.9wt%
Mn在灰鑄鐵中可以中和S形成MnS及(Fe、Mn) S化合物，這些化合物的熔點(diǎn)在 1600°c以上，可以做為石墨化的非自發(fā)性晶核；而中和S元素后余下的Mn可以增加并細(xì)化 珠光體。但Mn是碳化物形成元素，而且Mn含量過高會(huì)增加材料的脆性。因此綜合考慮Mn 的作用后，選定其含量為0. 6 0. 9wt %。
Cr 0. 35 0. 50% wt %
Cr大部分溶于固溶于滲碳體形成合金滲碳體，穩(wěn)定了滲碳體，具有強(qiáng)烈的促進(jìn)白 口的作用，同時(shí)強(qiáng)化材料的力學(xué)性能。Cr能增加材料的淬透性且價(jià)格低廉。但Cr是較強(qiáng)烈 的碳化物形成元素，含量過高時(shí)容易生成游離滲碳體。因此，其含量應(yīng)控制在材料中的Cr < 0. 7%，可選為 0. 35 0. 50wt%。
Cu 1. 10 1. 20wt%
Cu能細(xì)化并增加珠光體的含量，提高珠光體的顯微硬度，從而增加鑄鐵的耐磨性； 在其含量超過0. 6 %時(shí)，具有一定的促進(jìn)石墨化作用。但Cu的含量過高會(huì)產(chǎn)生熱裂傾向，且 當(dāng)含量大于1. 2%時(shí)即超出其溶解度而析出。因此，其含量可選為1. 10 1. 20wt%。
Mo0.6 0.9wt%
Mo是一種強(qiáng)淬透性添加劑，能顯著提高材料的淬透性。Mo還能細(xì)化珠光體和石 墨，增加珠光體的含量，同時(shí)強(qiáng)化珠光體中的鐵素體，因而能有效的提高材料的強(qiáng)度和硬 度，因此其含量可選為0. 6 0. 9wt %。
Ni0.2 0.6wt%
Ni具有一定的石墨化作用，可全溶于奧氏體，細(xì)化并增加珠光體，并且是較好的淬 透性添加劑，能夠有效的改善低溫性能，而且M在鑄鐵中的偏析較小，因此可以選定M的 含量為0. 2 0. 6wt%。
V0.1 0.3wt%
V是強(qiáng)烈的碳化物形成元素，其形成的碳化釩等硬質(zhì)相具有很高的顯微硬度，作為 微合金化元素的加入可以在鑄鐵的工作表面形成雙滑動(dòng)面，可有效提高鑄鐵材料的抗磨損 性能。V還可以細(xì)化共晶團(tuán)提高強(qiáng)度。因此其含量可選定為0. 1 0.3wt%。
P^O. 08wt%
P元素屬于有害元素。在Mn含量少的情況下，P容易偏析生成磷共晶，雖然可以提 高鐵水的流動(dòng)性和耐磨性，但是也將使材質(zhì)變脆。因此應(yīng)控制材料中的P < 0. 08wt%。
S^O. 03wt%
S元素是屬于有害元素。在Mn含量少的情況下，S有強(qiáng)烈的白口化作用，不僅使材 質(zhì)變脆，而且降低鐵水的流動(dòng)性。為了確保不使材質(zhì)變脆，降低模具材料的白口化作用，因 此應(yīng)控制材料中的S < 0. 03wt%。
—種高淬透性合金灰鐵模具材料的制備方法，包含以下步驟
步驟1)將原料放置于熔煉爐內(nèi)熔煉，得到如下重量百分配比的鑄件，C 2. 8 3. 3%,Si 1.7 2·0%，Μη 0. 6 0. 9%，P 彡 0. 08%，S 彡 0. 03%，Cr 0. 35 0. 50%，Cu 1. 10 1. 20%, Mo 0. 6 0. 9%，Ni 0. 2 0. 6%，V 0. 1 0. 3%，余量為 Fe ；
熔煉溫度為1300 1500°C ；
步驟幻使用加熱設(shè)備對(duì)所述鑄件進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火處理，淬火溫度為 850 950O。
優(yōu)選地，所述步驟1)中熔煉爐為中頻無芯感應(yīng)熔煉爐。
優(yōu)選地，所述步驟幻中的加熱設(shè)備為移動(dòng)式感應(yīng)加熱設(shè)備。
優(yōu)選地，所述步驟2)中加熱設(shè)備的輸出功率為20 ^KW,淬火后的冷卻方式為空 冷。
按照本技術(shù)化學(xué)成份配料并置于中頻無芯感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度控制在 1300 1500°C，熔煉溫度控制在此范圍可以充分使得鋼液的流動(dòng)性最佳，并且有可以防止 鋼液的過氧化現(xiàn)象，保證鋼液的質(zhì)量和鋼液的均勻性。
對(duì)澆注出的合金灰鑄鐵使用移動(dòng)式感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火處理，輸 出功率為20 ^KW,控制功率在此范圍可以使得模具材料高溫加熱更加均勻，合金元素充 分溶解并能夠發(fā)揮微合金元素在基體中的溶解后的析出強(qiáng)化作用。
模具材料淬火溫度控制在850 950°C，淬火方式為空冷，保證材料的合金元素的 均勻性并防止材料的過熱而引發(fā)材料的冶金缺陷，控制冷卻方式為空氣中的冷卻可以防止 模具材料由于冷卻速度過快而導(dǎo)致應(yīng)力裂紋缺陷。
本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效 果
1.本發(fā)明化學(xué)成份的配比更加合理和先進(jìn)，配合加入的微合金化釩元素的合金元 素符合作用促進(jìn)石墨化減少白口傾向，增加材料的淬透性并提高強(qiáng)度及淬硬性，提高了合金灰鐵模具的綜合性能
2.本發(fā)明熔煉溫度控制在1300 1500°C，并澆注出單鑄試棒，其抗拉強(qiáng)度可 達(dá)450MPa，提高；使用移動(dòng)式感應(yīng)加熱設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火處理，輸出功率 為20 ^KW,淬火溫度控制在850 950°C，淬火方式為空冷后合金灰鑄鐵淬硬層可達(dá) 2. 5mm ；提高淬硬層深度14%，表面硬度可達(dá)洛氏硬度53HRC，提高6%。
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例來對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為枝晶片狀合金灰鐵50倍金相圖。
圖2為釩微合金灰鐵500倍金相圖。
圖3為雙滑動(dòng)面合金灰鐵100倍金相圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，合金灰鐵模具材料的50X金相顯微組織中石墨相依然為片狀，E型 枝晶片狀基體中沒有出現(xiàn)大塊的游離碳化物，滿足了基體的高強(qiáng)度、高硬度和高耐磨性的 金相顯微組織條件。
如圖2所示，合金灰鐵模具材料的500X金相顯微組織照片，照片顯示材料顯微組 織中含有尺寸更細(xì)小的釩的碳化物。碳化釩的存在將使鑄鐵摩擦面出現(xiàn)雙滑動(dòng)面，從而大 大提高材料的耐磨性能。
如圖3所示，合金灰鐵模具材料的100倍金相顯微組織顯示出枝晶片狀基體組織， 在組織中石墨片狀細(xì)小，并且，更細(xì)小的釩的碳化物的存在使得顯微組織磨擦面出現(xiàn)雙滑 動(dòng)面，提高了基體的硬度和強(qiáng)度等綜合性能
實(shí)施例1
化學(xué)組成(wt % )如下
C 2. 8%, Si 1. 7%, Mn 0. 6%, P 0. 05%, S 0. 01%, Cr 0. 35%, Cu 1. 10%, Mo 0. 6%, Ni 0. 2%, V 0. 10%，余量為 Fe。
按照上述化學(xué)組成配料并置于中頻無芯感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度控制在 1300°C。對(duì)澆注出的Φ 30X 150mm的試樣使用移動(dòng)式感應(yīng)淬火設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火 處理，輸出功率為20KW，淬火溫度控制在850°C，淬火方式為空冷。
性能測試其表面硬度為53HRC，淬硬層深度為2. 73mm,單鑄試棒抗拉強(qiáng)度為 460MPa。
實(shí)施例2
化學(xué)組成(wt % )如下
C 3. 0%, Si 1. 9%, Mn 0. 7%, P 0. 06%, S 0. 015%, Cr 0. 40%, Cu 1. 15%, Mo 0.7%，Ni 0. 4%, V 0.20%，余量為 Fe。
按照上述化學(xué)組成配料并置于中頻無芯感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度控制在 1400°C。對(duì)澆注出的Φ 30X 150mm的試樣使用移動(dòng)式感應(yīng)淬火設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火 處理，輸出功率為MKW，淬火溫度控制在900°C，淬火方式為空冷。
性能測試其表面硬度為55HRC，淬硬層深度為2. 66mm,單鑄試棒抗拉強(qiáng)度為473MPa0
實(shí)施例3
采用合金灰鑄鐵的化學(xué)組成(wt% )如下
C 3. 3%, Si 2. 0%, Mn 0. 7%, P 0. 07%, S 0. 02%, Cr 0. 50%, Cu 1. 20%, Mo 0.9%，Ni 0. 6%, V 0.30%，余量為 Fe。
按照上述化學(xué)組成配料并置于中頻無芯感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度控制在 1500°C。對(duì)澆注出的Φ 30X 150mm的試樣使用移動(dòng)式感應(yīng)淬火設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火 處理，輸出功率為^KW,淬火溫度控制在950°C，淬火方式為空冷。
性能測試其表面硬度為56HRC，淬硬層深度為2. 60mm,單鑄試棒抗拉強(qiáng)度為 492MPa0
實(shí)施例4
采用合金灰鑄鐵的化學(xué)組成(wt% )如下
C 3. 1%, Si 2. 0%, Mn 0. 9%, P 0. 08%, S 0. 025%, Cr 0. 40%, Cu 1. 10%, Mo 0. 8%, Ni 0. 3%, V 0. 10%，余量為 Fe。
按照上述化學(xué)組成配料并置于中頻無芯感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度控制在 1350°C。對(duì)澆注出的Φ 30X 150mm的試樣使用移動(dòng)式感應(yīng)淬火設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火 處理，輸出功率為22KW，淬火溫度控制在910°C，淬火方式為空冷。
性能測試其表面硬度為MHRC，淬硬層深度為2. 70mm,單鑄試棒抗拉強(qiáng)度為 483MPa0
實(shí)施例5
采用合金灰鑄鐵的化學(xué)組成(wt% )如下
C 2. 9%, Si 1. 8%, Mn 0. 8%, P 0. 075%, S 0. 03%, Cr 0. 35%, Cu 1. 10%, Mo 0.7%，Ni 0.5%，V 0.30%，余量為 Fe。
按照上述化學(xué)組成配料并置于中頻無芯感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度控制在 1450°C。對(duì)澆注出的Φ 30X 150mm的試樣使用移動(dòng)式感應(yīng)淬火設(shè)備進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火 處理，輸出功率為^KW,淬火溫度控制在930°C，淬火方式為空冷。
性能測試其表面硬度為MHRC，淬硬層深度為2. 65mm,單鑄試棒抗拉強(qiáng)度為 479MPa0
綜上所述，本發(fā)明的材料中加入了微合金元素，極大的提升了合金灰鐵材料的綜 合性能，因而具備良好的推廣及應(yīng)用前景。
要注意的是，以上列舉的僅為本發(fā)明的幾個(gè)具體實(shí)施例，顯然本發(fā)明不限于以上 實(shí)施例，隨之有著許多的類似變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員如果從本發(fā)明公開的內(nèi)容直接導(dǎo)出 或聯(lián)想到的所有變形，均應(yīng)屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高淬透性合金灰鐵模具材料，其特征在于包含以下化學(xué)成分，其重量百分配比為C 2.8 3.3%，Si 1.7 2·0%，Μη 0. 6 0. 9%，P 彡 0. 08%，S 彡 0. 03%， Cr 0. 35 0. 50%, Cu 1. 10 1. 20%, Mo 0. 6 0. 9%，Ni 0. 2 0. 6%, V 0. 1 0. 3%，余量為Fe。
2.一種高淬透性合金灰鐵模具材料的制備方法，其特征在于包含以下步驟 步驟1)將原料放置于熔煉爐內(nèi)熔煉，得到如下重量百分配比的鑄件，C 2.8 3.3%，Si 1.7 2·0%，Μη 0. 6 0. 9%，P 彡 0. 08%， S 彡 0. 03%, Cr 0. 35 0. 50%, Cu 1. 10 1. 20%, Mo 0. 6 0. 9%, Ni 0. 2 0. 6%，V 0. 1 0. 3%，余量為 Fe ； 熔煉溫度為1300 1500°C ；步驟2、使用加熱設(shè)備對(duì)所述鑄件進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火處理，淬火溫度為850 950 "C。
3.如權(quán)利要求2所述的高淬透性合金灰鐵模具材料的制備方法，其特征在于所述步 驟1)中熔煉爐為中頻無芯感應(yīng)熔煉爐。
4.如權(quán)利要求2所述的高淬透性合金灰鐵模具材料的制備方法，其特征在于所述步 驟2)中的加熱設(shè)備為移動(dòng)式感應(yīng)加熱設(shè)備。
5.如權(quán)利2或4所述的高淬透性合金灰鐵模具材料的制備方法，其特征在于所述步 驟2)中加熱設(shè)備的輸出功率為20 ^KW,淬火后的冷卻方式為空冷。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高淬透性合金灰鐵模具材料及其制備方法，其包含成分重量百分比為C2.8～3.3％，Si1.7～2.0％，Mn0.6～0.9％，P≤0.08％，S≤0.03％，Cr0.3～0.5％，Cu1.0～1.2％，Mo0.6～0.9％，Ni0.2～0.6％，V0.1～0.3％，余量為Fe。其制備方法為按上述材料配料，將配料置于中頻無芯感應(yīng)熔煉爐內(nèi)熔煉，熔煉溫度為1300～1500℃；使用移動(dòng)式感應(yīng)加熱設(shè)備對(duì)得到鑄件進(jìn)行表面中頻感應(yīng)淬火處理，輸出功率為20～28KW，淬火溫度為850～950℃，淬火后冷卻方式為空冷。使用本發(fā)明極大的提升了合金灰鐵材料的綜合性能，因而具備良好的推廣及應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)C22C33/08GK102031444SQ200910196290
公開日2011年4月27日 申請(qǐng)日期2009年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月24日
發(fā)明者吳曉春, 周偉, 汪宏斌, 續(xù)維 申請(qǐng)人:寶山鋼鐵股份有限公司