CN101736191A - 耐热球铁冲压模具镶块材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种耐热球铁冲压模具镶块材料。旨在克服现有模具钢成本高的问题，提供一种适合于较厚钢板在高温下冲压成型的模具材料。该模具材料的组分与按重量百分比的含量为：C：2.4～2.9％，Si：4.0～6.0％，Mn：0.3～1.2％，Cr：0.3～1.2％，余量为Fe。采用碱性中频感应电炉熔炼。首先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。该材料性能是：抗拉强度达到505MPa以上；在800℃保温150小时，氧化速度低于0.20g/m2h，属耐热材料；在25℃-800℃循环2000次，疲劳裂纹长度低于1.2mm，优于耐热灰铸铁的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种耐热球墨铸铁模具材料，更具体地说，本发明涉及一种耐热球铁冲压模具镶块材料。
背景技术
制造耐热模具的材质主要是耐热钢、不锈钢、耐热铸铁等。由于铸铁具有优良的铸造性能和易加工性能、价格便宜、制造方便，因而被广泛用于制造玻璃模具和钢锭模。国内外常用的铸铁耐热模具材料主要为灰铸铁、低合金铸铁和球墨铸铁等。
模具在冲压较厚的热钢板时，模具频繁地与高温钢板接触，承受氧化、生长、热疲劳、磨损等作用。这就要求该类模具具有抗氧化、抗生长、抗热疲劳和耐磨等性能，同时对于承受较大工作载荷的模具还要有一定的常温及高温力学性能。可见，能完全满足上述要求的模具材料很少。因此，根据不同使用条件，选用或开发不同材质的模具材料很有必要。
球墨铸铁中的石墨以球状颗粒均匀分布于基体中，因而对基体的削弱作用和产生应力集中的倾向较小，从而使基体的作用能得到充分的发挥。又由于球墨铸铁含有较高含量的硅和锰，所以球墨铸铁的抗拉强度不仅高于其它铸铁，甚至高于碳素钢，尤其突出的是它的屈服强度比钢高得多。因此，国内已经将其代替模具钢应用于拉深模中，取得了可观的经济效益。用球墨铸铁制造耐热部件，其抗氧化性能比灰口铸铁好，因为灰口铸铁中片状搭接的石墨能形成氧化通道，加剧灰口铸铁的氧化现象。因此，近年来国内外对耐热球墨铸铁的研究又开始升温。现有耐热球墨铸铁主要有中硅类、中铝类、硅铝类、中硅钼类、中硅铬钼多元合金类等，主要用在汽车发动机的排气系统部件、耐热模具及烧结机的箅条等。例如，中国专利公开号为CN1103435A，公开日为1995年6月7日，申请日为1993年12月1日，发明创造名称为“中硅低合金耐热球铁箅条”，申请人是鞍山钢铁公司等，该申请案中公开了中硅低合金耐热球铁箅条的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.5 0～2.90；Si：6.5 0～7.80；Mn：0.20～0.35；P：0.03～0.05；S：0.03～0.05；Mg：O0.012～0.040；Xt：0.035～0.055；Cr：0.30～0.50；Mo：0.30～0.50；Al：0.12～0.50；Ba：0.005～0.07；余量为Fe。其含Si量较高，并通过其它的多元微合金化元素的添加，使箅条耐氧化、耐磨、耐热冲击、可代替高合金箅条用于烧结机台车上。不足之处是合金种类多，操作复杂，含有价格昂贵的Mo元素。中国专利公开号为CN1826421A，公开日为2006年8月3 0日，申请日为2004年7月20日，发明创造名称为“奥氏体系耐热球状石墨铸铁”，申请人是日立金属株式会社，该申请案中公开了奥氏体系耐热球状石墨铸铁的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：1～3.5％；Si：1～6.5％；Cr：3％以下；Ni：10～40％；Mo：1～4.5％；Sn及/或Sb以2Sn+Sb计为0.001～0.5％；球化剂元素0.1％以下。该系列球墨铸铁适用于汽车发动机用的排气系统部件等。不足之处是价格昂贵的Ni、Mo元素含量较高，增加了成本。中国专利公开号为CN 1051593A，公开日为1991年5月22日，申请日为1989年11月7日，发明创造名称为“低铬中硅钼铁素体球墨铸铁”，申请人是沈阳飞机制造公司，该申请案中公开了低铬中硅钼铁素体球墨铸铁的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.0～3.0％，Si：4.5～6.0％，Mo：0.8～1.6％，Mn：0.06～0.17％，Cr：0.2～0.4％，余量为少量合金元素及Fe，适用于研制和小批量生产中的耐高温模具材料。不足之处是含有价格昂贵的Mo元素。
为了降低汽车生产成本，使国产汽车在国际国内市场具有较强的竞争力，进行耐热球墨铸铁在汽车部件，如后桥壳，高温冲压成型模具上的开发应用非常必要。由于成型钢板较厚，温度较高，工作条件恶劣，既要求模具材料耐热，又要求其有足够的高温强度，因此，直接采用现有的耐热球墨铸铁不能满足生产的要求，必须对耐热球墨铸铁的成分进行进一步优化，开发出组织与性能满足生产要求的耐热球墨铸铁模具材料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服了现有模具钢成本高的问题，提供了一种适合于较厚钢板在高温下冲压成型的耐热球墨铸铁冲压模具镶块材料。
为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：所述的耐热球铁冲压模具镶块材料是由组分与按重量百分比的含量为：C：2.4～2.9％，Si：4.0～6.0％，Mn：0.3～1.2％，Cr：0.3～1.2％和余量为Fe所组成。
技术方案中所述的组分C按重量百分比的含量为2.5-2.8％；所述的组分Si按重量百分比的含量为4.5-5.5％；所述的组分Mn按重量百分比的含量为0.6-1.0％；所述的组分Cr按重量百分比的含量为0.6-1.0％。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料是成分设计合理，综合性能良好。试验结果与现有技术相比具体性能如下：
1.本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的铸态抗拉强度达到505MPa以上；
2.本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料在800℃保温150小时，氧化速度低于0.20g/m2h，属耐热材料；
3.本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度低于1.2mm，优于耐热灰铸铁。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明：
图1是由组分与按重量百分比的含量为：C：2.6％，Si：5.5％，Mn：0.8％，Cr：0.6％和余量为Fe组成本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的金相组织图片；
图2是由组分与按重量百分比的含量为：C：2.6％，Si：5.5％，Mn：1.0％，Cr：0.8％和余量为Fe组成本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的金相组织图片；
图3是由组分与按重量百分比的含量为：C：2.6％，Si：5％，Mn：0.6％，Cr：0.8％和余量为Fe组成本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的金相组织图片；
图4是由组分与按重量百分比的含量为：C：2.6％，Si：5％，Mn：1.0％，Cr：0.6％和余量为Fe组成本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的金相组织图片；
图5是由组分与按重量百分比的含量为：C：2.5％，Si：4.5％，Mn：0.8％，Cr：0.8％和余量为Fe组成本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的金相组织图片；
图6是由组分与按重量百分比的含量为：C：2.8％，Si：4.5％，Mn：1.0％，Cr：1.0％和余量为Fe组成本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的金相组织图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细的描述：
本发明的目的在于提供一种可以代替模具钢并能克服现有耐热铸铁和普通球墨铸铁的不足、成本低、使用寿命长、组织稳定、机械性能高、抗氧化性强、耐热疲劳性及耐磨性强的耐热球墨铸铁冲压模具镶块材料。
为达到上述目的，本发明所述的耐热球墨铸铁冲压模具镶块材料是由组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.4～2.9％，Si：4.0～6.0％，Mn：0.3～1.2％，Cr：0.3～1.2％和余量为Fe所组成。
硅、锰、铬是本发明为提高耐热球墨铸铁冲压模具镶块材料抗氧化性和耐热疲劳性的主要合金元素。尽管钼(Mo)对提高球墨铸铁耐热性及高温力学性能有非常有利的作用，但由于目前市场上钼铁的价格较贵，为降低材料成本，本发明所述的耐热球墨铸铁模具镶块材料不加钼。因此，本发明在化学组分设计时考虑以下几方面问题：
1.碳是石墨化能力很强的元素，可以有效地消除碳化物，有利于球墨铸铁球化。碳量的确定要考虑三方面因素，一是对于承受磨损的部件，如本发明所述的球墨铸铁模具的镶块，足够的球状石墨可作为部件工作时的固体润滑剂，减小部件磨损，提高部件寿命；二是从改善铸造性能、减少铸造缺陷、获得健全铸件等方面考虑，碳量要适当；三是考虑硅的加入量，综合考虑碳当量对材料组织性能的影响。因此，兼顾上述三方面，我们将碳(C)元素含量按重量百分比控制在2.4-2.9％。
2.硅是强烈促进石墨化的元素，也是影响球墨铸铁中铁素体量的主要元素。增加硅量，可减少和消除铸态组织中的碳化物，但硅量过高，则减少组织中珠光体的数量。硅还可提高球墨铸铁的抗氧化性能和抗长大性能，球墨铸铁中加入硅元素，能形成致密的SiO2表面氧化膜，从而提高球墨铸铁的表面抗氧化能力，稳定球墨铸铁的几何尺寸。因此，我们将硅(Si)元素含量按重量百分比控制在4.0～6.0％。
3.锰是弱碳化物形成元素，在共析转变过程中，能促进珠光体转变，稳定和细化珠光体，使球墨铸铁强度、硬度增加。但锰(Mn)元素含量过高，材料韧性下降，机械加工性能恶化。因此，为了保证基体为珠光体，将锰(Mn)元素含量按重量百分比控制在0.3～1.2％。
4.铬元素能在球墨铸铁中形成表面氧化膜、提高球墨铸铁在高温下的抗氧化能力和抗拉强度。铬元素能促进碳化物的形成，球墨铸铁中加入铬元素能促进珠光体的生成、稳定和细化，提高球墨铸铁的硬度，从而提高模具抗倒棱、抗擦伤、抗磨损的能力。但铬是促进白口的元素，加铬量过多，铸态组织中会出现较多的自由渗碳体，且其价格昂贵。所以，将铬(Cr)元素含量按重量百分比控制在0.3～1.2％。
本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料是采用碱性中频感应电炉熔炼。先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。其球化处理与一般球墨铸铁相同，即采用冲入法。铁水出炉温度在1450℃～1500℃左右，球化处理温度约为1350℃～1450℃左右。使用稀土镁球化剂，其用量按重量百分比(wt.％)为铁水总量的0.4～1.6％。本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块采用湿砂型铸造。
本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料，成分设计合理，综合性能良好。具体性能如下：
1.铸态抗拉强度达到505MPa以上；
2.在800℃保温150小时，氧化速度低于0.20g/m2h，属耐热材料；
3.在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度低于1.2mm，优于耐热灰铸铁。
实施例1
参阅图1，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.6％，Si：5.5％，Mn：0.8％，Cr：0.6％，余量为Fe。采用碱性中频感应电炉熔炼。先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。其球化处理与一般球墨铸铁相同，即采用冲入法。铁水出炉温度在1450℃～1500℃左右，球化处理温度约为1350℃～1450℃左右。使用稀土镁球化剂，其用量为铁水总量的(wt.％)的0.4～1.6％。采用湿砂型铸造。
所得耐热球铁冲压模具镶块材料石墨球形态及分布如图中所示，其铸态抗拉强度为546MPa；在800℃保温150小时，氧化速度为0.085g/m2h；在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度为1.10mm。可见，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料具有较好的抗氧化性和耐热疲劳性。
实施例2
参阅图2，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.6％，Si：5.5％，Mn：1.0％，Cr：0.8％，余量为Fe。采用碱性中频感应电炉熔炼。先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。其球化处理与一般球墨铸铁相同，即采用冲入法。铁水出炉温度在1450℃～1500℃左右，球化处理温度约为1350℃～1450℃左右。使用稀土镁球化剂，其用量为铁水总量的(wt.％)的0.4～1.6％。采用湿砂型铸造。
所得耐热球铁冲压模具镶块材料石墨球形态及分布如图中所示，其铸态抗拉强度为578MPa；在800℃保温150小时，氧化速度为0.113g/m2h；在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度为0.85mm。可见，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料具有较好的抗氧化性和耐热疲劳性。
实施例3
参阅图3，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.6％，Si：5.0％，Mn：0.6％，Cr：0.8％，余量为Fe。采用碱性中频感应电炉熔炼。先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。其球化处理与一般球墨铸铁相同，即采用冲入法。铁水出炉温度在1450℃～1500℃左右，球化处理温度约为1350℃～1450℃左右。使用稀土镁球化剂，其用量为铁水总量的(wt.％)的0.4～1.6％。采用湿砂型铸造。
所得耐热球铁冲压模具镶块材料石墨球形态及分布如图中所示，其铸态抗拉强度为530MPa；在800℃保温150小时，氧化速度为0.144g/m2h；在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度为0.95mm。可见，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料具有较好的抗氧化性和耐热疲劳性。
实施例4
参阅图4，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.6％，Si：5.0％，Mn：1.0％，Cr：0.6％，余量为Fe。采用碱性中频感应电炉熔炼。先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。其球化处理与一般球墨铸铁相同，即采用冲入法。铁水出炉温度在1450℃～1500℃左右，球化处理温度约为1350℃～1450℃左右。使用稀土镁球化剂，其用量为铁水总量的(wt.％)的0.4～1.6％。采用湿砂型铸造。
所得耐热球铁冲压模具镶块材料石墨球形态及分布如图中所示，其铸态抗拉强度为526MPa；在800℃保温150小时，氧化速度为0.125g/m2h；在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度为1.20mm。可见，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料具有较好的抗氧化性和耐热疲劳性。
实施例5
参阅图5，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.5％，Si：4.5％，Mn：0.8％，Cr：0.8％，余量为Fe。采用碱性中频感应电炉熔炼。先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。其球化处理与一般球墨铸铁相同，即采用冲入法。铁水出炉温度在1450℃～1500℃左右，球化处理温度约为1350℃～1450℃左右。使用稀土镁球化剂，其用量为铁水总量的(wt.％)的0.4～1.6％。采用湿砂型铸造。
所得耐热球铁冲压模具镶块材料石墨球形态及分布如图中所示，其铸态抗拉强度为512MPa；在800℃保温150小时，氧化速度为0.195g/m2h；在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度为1.20mm。可见，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料具有较好的抗氧化性和耐热疲劳性。
实施例6
参阅图6，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料的组分与按重量百分比(wt.％)的含量为：C：2.8％，Si：4.5％，Mn：1.0％，Cr：1.0％，余量为Fe。采用碱性中频感应电炉熔炼。先将生铁和废钢在炉中化清，然后加入合金，调整合金成分，待铁合金化清后，扒掉铁液表面炉渣，最后出炉浇注。其球化处理与一般球墨铸铁相同，即采用冲入法。铁水出炉温度在1450℃～1500℃左右，球化处理温度约为1350℃～1450℃左右。使用稀土镁球化剂，其用量为铁水总量的(wt.％)的0.4～1.6％。采用湿砂型铸造。
所得耐热球铁冲压模具镶块材料石墨球形态及分布如图中所示，其铸态抗拉强度为505MPa；在800℃保温150小时，氧化速度为0.178g/m2h；在25℃～800℃循环2000次，疲劳裂纹长度为0.98mm。可见，本发明所述的耐热球铁冲压模具镶块材料具有较好的抗氧化性和耐热疲劳性。
Claims (5)
1.一种耐热球铁冲压模具镶块材料，其特征在于，所述的耐热球铁冲压模具镶块材料由组分与按重量百分比的含量为：C：2.4～2.9％，Si：4.0～6.0％，Mn：0.3～1.2％，Cr：0.3～1.2％和余量为Fe组成。
2.按照权利要求1所述的耐热球铁冲压模具镶块材料，其特征在于，所述的组分C按重量百分比的含量为2.5-2.8％。
3.按照权利要求1所述的耐热球铁冲压模具镶块材料，其特征在于，所述的组分Si按重量百分比的含量为4.5-5.5％。
4.按照权利要求1所述的耐热球铁冲压模具镶块材料，其特征在于，所述的组分Mn按重量百分比的含量为0.6-1.0％。
5.按照权利要求1所述的耐热球铁冲压模具镶块材料，其特征在于，所述的组分Cr按重量百分比的含量为0.6-1.0％。
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