专利名称：：含硼铸造模具钢及其制备方法
技术领域：
：本发明属于模具
技术领域：
，具体涉及含硼铸造模具钢及其制备方法。技术背景模具是耐火制品生产过程必不可少的工具，在数十吨至上千吨的摩擦压砖机或液压机上工作。在工作过程中，模具受到耐火材料硬质颗粒的磨粒磨损，造成使用寿命下降，生产成本上升，并使生产效率降低，产品质量受到严重影响。近年来随着耐火材料制品向大型化高密度发展，出现了大压力的成型设备，对模具提出了更严格的要求。所以选择合适的材质，采用先进的生产工艺来制造优质的模具是模具工作者的迫切任务。多年来，我国耐火材料行业都是使用碳钢渗碳模具和部分变质铸铁模具，随着生产技术的发展逐渐暴露了这类模具的缺点。前者硬化层浅，渗碳后易变形，后者脆性大，使用中易断裂。近年来，耐火制品成型模具新材料发展迅速，高铬铸铁、硬质合金、钢结硬质合金和高合金模具钢的应用为提高模具使用寿命创造了有利条件。中国发明专利CN87102001公开了一种耐火材料模具表面喷焊耐磨涂层的工艺，涂层材料为含WC的镍基自熔合金粉末，借助粉末喷焊枪，使粉末通过氧乙炔火焰区加热到熔化或半熔化状态，喷洒到耐火材料模具表面，再经感应加热重熔，得到1~2.5隨厚的耐磨涂层，涂层硬度为63-67HRC,与基体的结合强度大于350MPa,涂层表面光滑、平整致密。但冲莫具的喷焊耐磨涂层使用过程中易开裂、剥落，且模具喷焊时易出现变形，影响耐火制品表面质量。中国发明专利CN1931547也公开了一种用耐磨合金复合板制备耐火砖模具，其特点是以低碳钢为基板，在基板上采用熔焊工艺生成具有一定厚度的耐磨硬质合金层。该发明具有工艺流程筒单合理，可以生产复杂形状的耐火砖模具，大幅度提高其使用寿命，降低模具成本。利用耐磨合金复合板制成的耐火砖模具，在使用过程中具有高耐磨性能，而且耐磨合金层不脱落。但用该发明制造耐火制品模具存在修磨次数少和模具喷焊时易出现变形，影响耐火制品表面质量等不足。中国发明专利CN1060878还^Hf了一种采用高耐磨合金材料制造的生产耐火砖的压砖模具及其制造模具的工艺方法，是通过对高铬多元合金实施合金化处理和复合变质处理，特征在于其合金材料的化学成分的选择；复合变质处理的配方及工艺；模具的热处理条件。模具可以是装配式的，模套是活动模套或加大内腔的固定模套。该发明具有高耐磨性和强韧性，使耐火砖质量得到提高，该发明模具还具有换模时间短、节约原材料及能源、使用寿命长的特点。但由于模具材料中含有较多的铬元素，还加入了镍、铜、钨等昂贵合金元素来提高模具淬透性和耐磨性，导致模具生产成本增加。
发明内容本发明目的在于解决现有技术的问题，而提供一种含硼铸造模具钢的化学成分及其制备方法。其主要特点是用电炉熔炼碳钢，并在钢中加入一定数量的铬，用于提高铸钢淬透性，还加入一定数量的硼，用于生成高硬度的硼化物，提高铸钢硬度并改善铸钢耐磨性。还加入一定数量的钛，主要是为了细化凝固组织，并改善硼化物形态和分布，还加入适量铝，有利于改善硼化物形态，提高铸钢强度和韧性。并加入稀土镁合金和氮进一步改善铸钢组织，提高铸钢性能。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现本发明所提供的含硼铸造模具钢的化学成分及其重量百分比为C:0.85~1,00%,Cr:6.0~8.0%,Si:0.6~1.0%,Mn:0.8~1.5%，B:2.2~2.8%，Al:0.25~0.50%,Ti:1.20~1.50%,N:0.08~0.15%，Mg:0.05~0.08%，RE:0.08~0.12%,S<0.04%,P<0.04%,余量为Fe。本发明所提供的含硼铸造模具钢用电炉生产，具体包括如下步骤①将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、铝、钛铁、硼铁、稀土镁合金和含氮铬铁，按目标产物中化学成分重量百分比C:0.85~1.00%,Cr:6.0~8.0%，Si:0.6~1.0%，Mn:0.8~1.5%，B:2.2~2.8%，Al:0.25~0,50°/，Ti:1.20~1.50%,N:0.08~0.15%，Mg:0.05~0.08%,RE:0.08~0.12%，S<0.04%，P<0.04%,余量为Fe进行备料；②将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后依次加入硅铁和锰铁；③炉前调整成分合格后将温度升至1550~1580°C，然后加入铝脱氧和合金化，再依次加入钛铁和硼铁，然后将钢水温度升至1590~1620°C;④将稀土镁合金和含氮铬铁破碎至粒度为6~10mm的小块，经150~180匸烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤③中的钢水进行复合变质处理；⑤将复合变质处理后的钢水浇注成耐火制品模具，钢水浇注温度为1480-1500°C;将步骤得到的模具在950~IOO(TC保温2~5小时后油冷淬火，淬火油温度控制在20~80°C;⑦将淬火后的模具在18025(TC进行回火处理，回火保温时间6~8小时，回火后炉冷或空冷，制得含硼铸造模具钢。铸造模具钢的性能是由金相组织决定的，而一定的组织取决于化学成分及热处理工艺，本发明化学成分是这样确定的碳碳是影响铸造模具钢硬度和韧性的主要元素，碳含量高时，基体淬透性和淬硬性好，硬度高、耐磨性好，另外，碳含量高时，铸造组织中碳化物数量多，也有利于改善模具钢的耐磨性，但碳含量增加导致模具钢脆性加大以及淬火开裂倾向增强，综合考虑将碳含量控制在0.85~1.00%。硼硼是一种特殊的元素，原子序数为5，介于金属与非金属之间，既能与金属化合又能与非金属化合。在铸钢中加入一定数量的硼，易形成高硬度硼化物，改善铸钢耐磨性。部分硼固溶于基体，有利于提高铸钢淬透性。硼加入量太少，硼化物数量少，对改善模具钢耐磨性作用不明显，硼加入量过多，导致脆性硼化物明显增加，损害模具钢强度和韧性，综合考虑将硼含量控制在2.2~2.8%。铬模具钢中加入铬元素，一方面可以固溶于基体，提高基体淬透性，另一方面可以形成碳化物，改善铸钢耐磨性，4各还有固溶于硼化物并降低硼化物脆性的作用，铬还促进硼元素在基体中固溶量的增加，具有间接提高铸钢淬透性的作用。此外，铬还能细化晶粒，提高回火稳定性。铬加入量过多，将增加铸钢生产成本，综合考虑将铬含量控制在6.0~8.0%。硅硅固溶于铁素体和奥氏体中，有明显的强化作用，硅能降低碳在奥氏体中的溶解度，促使碳化物析出，提高强度和硬度。硅和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于锰、铬、钒等，是很好的还原剂和脱氧剂，可提高铸钢的致密度，但硅量过高将显著降低钢的塑性和韧性。综合考虑，将硅含量控制在O.6~1.0%。锰锰能强烈增加钢的淬透性，淬火后易得到马氏体组织。锰还能起脱氧剂和脱硫剂的作用，可净化钢液，但锰量较高会促使晶粒粗大，综合考虑，锰控制在O.8~1.5%。稀土、铝、氮在含硼铸钢中，加入稀土、铝、氮，易生成REA103及A1N对初生奥氏体形核起作用，有利于促进初生奥氏体的细化。而且稀土与铝提高钢液表面张力，使硼化物向团块状发展。氮也起吸附作用，使硼化物颗粒表面钝化。硼化物形态的改善，有利于铸钢强度和硬度的提高。稀土和铝加入过多，导致夹杂物增多，反而不利于改善铸钢强度和韧性。氮加入量过多，则铸造模具中易出现气孔，损害模具力学性能和使用性能，综合考虑将稀土含量控制在0.08~0.12%，氮含量控制在0.08~0.15%，铝含量控制在0.25~0.50%。钛钛加入含硼铸钢中，发生Ti+2B-TiB2反应，形成块状的TiB2,对促进铁硼化合物形态和分布的改善具有明显的效果，有利于改善含硼铸钢的力学性能。钛加入量过多，将出现粗大的块状TiB2,反而降低铸钢的强度和韧性，综合考虑将钛含量控制在1.20~1.50%。镁镁是表面活性元素，在共晶结晶时选择性地吸附在共晶硼化物择优生长方向的表面上，形成吸附薄膜，阻碍钢液中的B、Fe、Cr等原子长入共晶硼化物晶体，降低了共晶硼化物择优方向的长大速度，导致择优方向长大减慢，而其他方向长大速度增大，促使共晶硼化物由网状向断网状、团块状转变。磷和硫不可避免的微量杂质是原料中带入的，其中有磷和硫，均是有害元素，为了保证含硼铸造模具钢的强度、韧性和耐磨性，将磷含量控制在0.04%以下，硫含量控制在0.04%以下。铸造模具钢的性能还与热处理工艺有关，本发明热处理工艺是这样确定的。为了确保铸造模具钢获得马氏体组织，首先需要加热到950~100(TC,并保温2-5小时，加热温度过低或保温时间过短，淬火组织中易出现的低硬度的珠光体组织，降低模具钢硬度和耐磨性。加热温度过高或保温时间过长，导致淬火组织粗大，损害模具钢强度和韧性，且能耗高、效率低。淬火后采用油冷，可确保淬火组织获得单一马氏体基体。模具淬火后在18025(TC进行回火处理，可稳定组织、消除应力，回火温度过低或保温时间过短，模具应力大，使用中易开裂。回火温度过高或回火保温时间过长，模具硬度下降，耐磨性降低，选择180250。C回火，保温时间68小时，具有良好的效果。与现有技术相比，本发明具有如下优点①本发明含硼铸造模具钢不含价格昂贵的钼、镍、铜等合金元素，生产成本低，生产工艺简便，并用硼作为主要合金元素，除了明显提高淬透性外，还生成大量高硬度硼化物，可以明显改善模具耐磨性。②本发明含硼铸造模具钢具有高硬度，并采用稀土、铝、氮、镁、钛等元素细化凝固组织，改善硼化物形态和分布，提高含硼铸造模具钢的强度和韧性，其中抗拉强度超过650Mpa,冲击韧性大于12J/cm2，硬度大于65HRC。③本发明含硼铸造模具钢具有优异的耐磨性，比高铬白口铸铁提高30~50%,但生产成本比高铬铸铁模具降低30~40%。具体实施方式下面结合实施例对本发明作进一步详述实施例1用500公斤中频感应电炉熔炼含硼铸造模具钢，其制造工艺步骤是①将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后依次加入硅铁和锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1572°C,然后加入铝脱氧和合金化，再依次加入钛铁和硼铁，然后将钢水温度升至1618°C;③将稀土镁合金和含氮铬铁破碎至粒度为6-10mm的小块，经150180。C烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；④将钢水浇注成耐火制品模具，钢水浇注温度为1493°C;模具在98(TC保温4小时后油冷淬火，淬火油温度控制在208(TC;模具淬火后在22(TC进行回火处理，回火保温时间7小时，回火后炉冷。模具钢成分见表l，模具钢力学性能见表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表1模具钢成分及其含量(重量％)抗拉强度超过Mpa冲击韧性J/cm2硬度HRC663.812.666.4表2模具钢力学性能实施例2用IOOO公斤中频感应电炉熔炼含硼铸造模具钢，其制造工艺步骤是①将废钢、4各铁和生铁混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后依次加入硅铁和锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1555°C,然后加入铝脱氧和合金化，再依次加入钛铁和硼铁，然后将钢水温度升至1597°C;③将稀土镁合金和含氮铬铁破碎至粒度为6~10mm的小块，经150~180。C烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；④将钢水浇注成耐火制品模具，钢水浇注温度为1489°C;⑤模具在96(TC保温5小时后油冷淬火，淬火油温度控制在20~80。C;模具淬火后在250。C进行回火处理，回火保温时间6小时，回火后空冷。模具钢成分见表3，模具钢力学性能见表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表3模具钢成分及其含量(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表4模具钢力学性能实施例3用750公斤中频感应电炉熔炼含硼铸造模具钢，其制造工艺步骤是①将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，钢水熔清后依次加入硅铁和锰铁；②炉前调整成分合格后将温度升至1569°C,然后加入铝脱氧和合金化，再依次加入钛铁和硼铁，然后将钢水温度升至1603°C;③将稀土镁合金和含氮铬铁破碎至粒度为6~10mm的小块，经150~180。C烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对钢水进行复合变质处理；④将钢水浇注成耐火制品模具，钢水浇注温度为1495°C;模具在IOO(TC保温2小时后油冷淬火，淬火油温度控制控制在20~80°C;模具淬火后在18(TC进行回火处理，回火保温时间8小时，回火后炉冷。模具钢成分见表5，模具钢力学性能见表6。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>表5模具钢成分及其含量(重量％)抗拉强度超过Mpa冲击韧性J/cm2硬度HRC681.413.265.7表6模具钢力学性能用本发明含硼铸造模具钢制作的耐火制品模具，用于耐火厂300吨压砖机上压制成型镁砖，每套模具每次成型12000块以上。每次修磨量仅为0.3~0.4mm,而以前使用渗碳钢模具每次仅成型3000块，每次修磨0.7~0.9,。高铬铸铁模具每次成形9000块左右，每次修磨O.4~0.5mm。使用本发明所提供的含硼铸钢模具，变形小，修磨量少，使用周期长，而且耐火制品表面质量好，具有4艮好的经济和社会效益。权利要求1.一种含硼铸造模具钢，其特征在于，含硼铸造模具钢的化学成分及其重量百分比为C0.85～1.00％，Cr6.0～8.0％，Si0.6～1.0％，Mn0.8～1.5％，B2.2～2.8％，Al0.25～0.50％，Ti1.20～1.50％，N0.08～0.15％，Mg0.05～0.08％，RE0.08～0.12％，S＜0.04％，P＜0.04％，余量为Fe。2、根据权利要求1所述的一种含硼铸造模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤①将废钢、铬铁、生铁、硅铁、锰铁、铝、钛铁、硼铁、稀土镁合金和含氮铬铁，按目标产物中化学成分重量百分比进行备料，C:0.85~1.00%,Cr:6.0~8.0%，Si:0.6~1.0%,Mn:0.8~1.5%,B:2.2~2.8%,Al:0.25~0.50%,Ti:1.20~1.50%,N:0.08—0.15%,Mg:0.05—0.08°/。，RE:0.08~0.12%,S<0.04%,P<0.04°/。，余量为Fe;②将废钢、铬铁和生铁混合后放入电炉中加热熔化，钢水熔清后依次加入硅铁和锰铁；③炉前调整成分合格后将温度升至1550~1580°C，然后加入铝脱氧和合金化，再依次加入钛铁和硼铁，然后将钢水温度升至15901620。C;④将稀土镁合金和含氮铬铁破碎至粒度为6~10mm的小块，经150~180。C烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对步骤③中的钢水进行复合变质处理；⑤将复合变质处理后的钢水浇注成耐火制品模具，钢水浇注温度为1480~150(TC;⑥将步骤⑤得到的模具在950100(TC保温2~5小时后油冷淬火，淬火油温度控制在20~80°C;⑦将淬火后的才莫具在180250。C进行回火处理，回火保温时间6~8小时，回火后炉冷或空冷，制得含硼铸il^莫具钢。全文摘要含硼铸造模具钢及其制备方法属于模具
技术领域：
。本发明含硼铸造模具钢化学成分(重量％)C0.85～1.00，Cr6.0～8.0，0.6～1.0Si，Mn0.8～1.5，B2.2～2.8，Al0.25～0.50，Ti1.20～1.50，N0.08～0.15，Mg0.05～0.08，RE0.08～0.12，S＜0.04，P＜0.04，余量为Fe。本发明将钢水熔炼后浇注成模具，再于950～1000℃保温2～5h后油冷淬火，并在180～250℃进行回火处理6～8h，制得含硼铸造模具钢。与现有技术相比，本发明具有强度和硬度高，韧性和耐磨性好，成本低等优点。文档编号C22C38/32GK101260499SQ20081010499公开日2008年9月10日申请日期2008年4月25日优先权日2008年4月25日发明者宋绪丁,成小乐,符寒光,邢建东,雷永平申请人:北京工业大学