【技术领域】
本发明属于模具材料制备技术领域，具体涉及一种高强度耐用模具材料及其制备方法。
背景技术：
在汽车冲压件中，一部分经冲压后直接成为汽车零部件，另一部分经冲压后还需经过焊接、或机械加工、或油漆等工艺加工后才能成为汽车零部件。汽车冲压件品种繁多，如汽车减震器冲压件弹簧托盘、弹簧座、弹簧托架、端盖、封盖、压缩阀盖、压缩阀套、油封座、底盖、防尘盖、叶轮、油筒、支耳、支架等都属于汽车冲压件。汽车冲压件生产中采用了大量的冷冲压工艺，可适合汽车冲压件工业多品种、大批量生产的需要。在中、重型汽车中，大部分覆盖件如车身外板等，及一些承重和支撑件如车架、车厢等汽车零部件都是汽车冲压件。
汽车车身模具，特别是大中型冲压模具，是车身制造技术的重要组成部分，冲压模具占模具总量的40％以上，汽车冲压件模具在冲压模具中具有代表性。汽车冲压件的加工好坏直接和模具水平有关，要想提高模具水平，模具材料是关键，因选材和用材不当，致使模具过早失效，大约占失效模具的45％以上，现有的模具制造多采用锻造合金模具钢，不仅造价高、工序复杂，而且耐磨性一般，精度随着使用次数的增加而迅速下降，因此，汽车冲压模具的材料选择极为重要。
中国申请专利文献“一种耐磨汽车冲压件模具材料(申请公布号：cn107653412a)”公开了一种汽车冲压件模具材料，是利用生铁和废钢作为主要原料，添加金属以及非金属成分，将纳米氧化铝加入到合金液中，制备得到球墨铸铁，作为模具材料，能够改变铸铁的组织结构，提高材料的力学性能，但存在着汽车冲压件模具材料的硬度和抗拉强度较低，无法满足汽车冲压件模具材料的更高要求。
技术实现要素：
本发明提供一种高强度耐用模具材料及其制备方法，以解决在中国申请专利文献“一种耐磨汽车冲压件模具材料(申请公布号：cn107653412a)”公开的模具材料原料配方基础上，如何优化组分、用量等，提高汽车冲压件模具材料的硬度和抗拉强度的实际技术问题。
为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种高强度耐用模具材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生铁放入无芯中频感应炉中加热，在生铁开始熔化时加入钢粉，待生铁和钢粉完全熔化后，形成混合铁水，出炉倒入准备好的浇包内，浇包要事先预热至735-764℃，将球化剂压制成直径为4.2-12.3mm的颗粒放入浇包的凹槽内，在上面覆盖一层厚度为1.8-4.3mm的碳化秸秆灰，再添加孕育剂，再覆盖一层厚度为1.4-4.8mm的碳化秸秆灰；
(2)浇注温度为1460-1500℃，浇包的同时加入占混合铁水质量的铬粉0.9-1.3％、钼粉0.24-0.53％、镍粉0.2-0.6％、锑粉1.5-2.1％、锡粉3.1-4.6％、纳米碳化钴0.17-0.34％、纳米碳化钽0.25-0.38％、纳米硅化钛0.54-0.68％进行熔化，表面形成混合铁液，在浇包的混合铁液液面撒上除渣剂，待所加金属完全熔化后，将混合铁液表面炉渣扒去；
(3)浇注的同时，将所占混合铁水质量的0.003-0.007％的纳米氧化铝粉喷射在流出浇包的混合铁液上，添加占混合铁水质量的0.03-0.05％的石英砂，搅拌1.2-2.5h完成浇包，浇包完成2.8-5.4h后打箱，进行抛丸处理，制得高强度耐用模具材料。
优选地，步骤(1)中所述生铁中包括组分元素质量百分比为：碳占2.6-3.2％、硅占0.81-0.94％、锰占0.09-0.11％、磷占0.04-0.06％、硫占0.021-0.024％，余量为铁。
优选地，步骤(1)中所述钢粉使用量占生铁质量的6.8-9.7％。
优选地，步骤(1)中所述球化剂为7-8球化剂。
优选地，所述7-8球化剂的使用量占混合铁水质量的0.25-0.63％。
优选地，步骤(1)中所述孕育剂采用的是75sife。
优选地，所述孕育剂75sife的粒径大小为3.2-5.6mm。
优选地，所述孕育剂75sife使用量占混合铁水质量的0.12-0.24％。
优选地，步骤(2)中所述除渣剂为珍珠岩，用量为混合铁水质量的0.04-0.06％。
本发明具有以下有益效果：
(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，施用实施例1-3高强度耐用模具材料具有优异的硬度和抗拉强度；同时由实施例1-3的数据可见，实施例2为最优实施例。
(2)由实施例2和对比例1-4的数据可见，纳米碳化钴、纳米碳化钽、纳米硅化钛在制备高强度耐用模具材料中起到了协同作用，协同提高了模具材料的硬度和抗拉强度，这是：
在熔炼中，向混合铁水中加入纳米碳化钴、纳米碳化钽、纳米硅化钛，可进行纳米碳化钴和纳米碳化钽的变质处理，以纳米尺寸与高表面活性颗粒在混合铁水中形成的纳米形核以及纳米碳化钴和纳米碳化钽颗粒均匀弥散分布在基体上，它具有高硬度、尺寸小和弥散度高的特点，在结晶过程中增加形核的核心数量，减少了晶粒尺寸，细化了晶粒，纳米碳化钴、纳米碳化钽、纳米硅化钛的高表面活性及细化晶粒过程中弥散强化，显著提高了模具材料的硬度和抗拉强度。
(3)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3的模具材料的硬度和抗拉强度显著高于对比例5(现有技术)的硬度和抗拉强度，其中硬度和抗拉强度分别至少提高52.55％和34.25％，可满足汽车冲压件模具材料的要求。
【具体实施方式】
为便于更好地理解本发明，通过以下实例加以说明，这些实例属于本发明的保护范围，但不限制本发明的保护范围。
在实施例中，所述的高强度耐用模具材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生铁放入无芯中频感应炉中加热，所述生铁中包括组分元素质量百分比为：碳占2.6-3.2％、硅占0.81-0.94％、锰占0.09-0.11％、磷占0.04-0.06％、硫占0.021-0.024％，余量为铁。在生铁开始熔化时加入钢粉，所述钢粉使用量占生铁质量的6.8-9.7％，待生铁和钢粉完全熔化后，形成混合铁水，出炉倒入准备好的浇包内，浇包要事先预热至735-764℃，将7-8球化剂压制成直径为4.2-12.3mm的颗粒放入浇包的凹槽内，所述7-8球化剂的使用量占混合铁水质量的0.25-0.63％，在上面覆盖一层厚度为1.8-4.3mm的碳化秸秆灰，再添加孕育剂，所述孕育剂采用的是75sife，粒径大小为3.2-5.6mm，使用量占混合铁水质量的0.12-0.24％，再覆盖一层厚度为1.4-4.8mm的碳化秸秆灰；
(2)浇注温度为1460-1500℃，浇包的同时加入占混合铁水质量的铬粉0.9-1.3％、钼粉0.24-0.53％、镍粉0.2-0.6％、锑粉1.5-2.1％、锡粉3.1-4.6％、纳米碳化钴0.17-0.34％、纳米碳化钽0.25-0.38％、纳米硅化钛0.54-0.68％进行熔化，表面形成混合铁液，在浇包的混合铁液液面撒上除渣剂，所述除渣剂为珍珠岩，用量为混合铁水质量的0.04-0.06％，待所加金属完全熔化后，将混合铁液表面炉渣扒去；
(3)浇注的同时，将所占混合铁水质量的0.003-0.007％的纳米氧化铝粉喷射在流出浇包的混合铁液上，添加占混合铁水质量的0.03-0.05％的石英砂，搅拌1.2-2.5h完成浇包，浇包完成2.8-5.4h后打箱，进行抛丸处理，制得高强度耐用模具材料。
下面通过更具体实施例对本发明进行说明。
实施例1
一种高强度耐用模具材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生铁放入无芯中频感应炉中加热，所述生铁中包括组分元素质量百分比为：碳占2.7％、硅占0.83％、锰占0.1％、磷占0.04％、硫占0.022％，余量为铁。在生铁开始熔化时加入钢粉，所述钢粉使用量占生铁质量的6.9％，待生铁和钢粉完全熔化后，形成混合铁水，出炉倒入准备好的浇包内，浇包要事先预热至752℃，将7-8球化剂压制成直径为4.6mm的颗粒放入浇包的凹槽内，所述7-8球化剂的使用量占混合铁水质量的0.28％，在上面覆盖一层厚度为2.1mm的碳化秸秆灰，再添加孕育剂，所述孕育剂采用的是75sife，粒径大小为3.4mm，使用量占混合铁水质量的0.18％，再覆盖一层厚度为1.6mm的碳化秸秆灰；
(2)浇注温度为1472℃，浇包的同时加入占混合铁水质量的铬粉1％、钼粉0.28％、镍粉0.5％、锑粉1.5％、锡粉3.6％、纳米碳化钴0.19％、纳米碳化钽0.29％、纳米硅化钛0.57％进行熔化，表面形成混合铁液，在浇包的混合铁液液面撒上除渣剂，所述除渣剂为珍珠岩，用量为混合铁水质量的0.05％，待所加金属完全熔化后，将混合铁液表面炉渣扒去；
(3)浇注的同时，将所占混合铁水质量的0.003％的纳米氧化铝粉喷射在流出浇包的混合铁液上，添加占混合铁水质量的0.04％的石英砂，搅拌1.6h完成浇包，浇包完成3.1h后打箱，进行抛丸处理，制得高强度耐用模具材料。
实施例2
一种高强度耐用模具材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生铁放入无芯中频感应炉中加热，所述生铁中包括组分元素质量百分比为：碳占3.1％、硅占0.92％、锰占0.1％、磷占0.05％、硫占0.023％，余量为铁。在生铁开始熔化时加入钢粉，所述钢粉使用量占生铁质量的9.5％，待生铁和钢粉完全熔化后，形成混合铁水，出炉倒入准备好的浇包内，浇包要事先预热至758℃，将7-8球化剂压制成直径为8.1mm的颗粒放入浇包的凹槽内，所述7-8球化剂的使用量占混合铁水质量的0.45％，在上面覆盖一层厚度为3.6mm的碳化秸秆灰，再添加孕育剂，所述孕育剂采用的是75sife，粒径大小为4.5mm，使用量占混合铁水质量的0.18％，再覆盖一层厚度为2.6mm的碳化秸秆灰；
(2)浇注温度为1492℃，浇包的同时加入占混合铁水质量的铬粉1.2％、钼粉0.46％、镍粉0.4％、锑粉1.9％、锡粉3.8％、纳米碳化钴0.26％、纳米碳化钽0.29％、纳米硅化钛0.63％进行熔化，表面形成混合铁液，在浇包的混合铁液液面撒上除渣剂，所述除渣剂为珍珠岩，用量为混合铁水质量的0.05％，待所加金属完全熔化后，将混合铁液表面炉渣扒去；
(3)浇注的同时，将所占混合铁水质量的0.006％的纳米氧化铝粉喷射在流出浇包的混合铁液上，添加占混合铁水质量的0.04％的石英砂，搅拌2.2h完成浇包，浇包完成3.6h后打箱，进行抛丸处理，制得高强度耐用模具材料。
实施例3
一种高强度耐用模具材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将生铁放入无芯中频感应炉中加热，所述生铁中包括组分元素质量百分比为：碳占3.1％、硅占0.89％、锰占0.11％、磷占0.06％、硫占0.022％，余量为铁。在生铁开始熔化时加入钢粉，所述钢粉使用量占生铁质量的9.6％，待生铁和钢粉完全熔化后，形成混合铁水，出炉倒入准备好的浇包内，浇包要事先预热至757℃，将7-8球化剂压制成直径为11.6mm的颗粒放入浇包的凹槽内，所述7-8球化剂的使用量占混合铁水质量的0.58％，在上面覆盖一层厚度为4.1mm的碳化秸秆灰，再添加孕育剂，所述孕育剂采用的是75sife，粒径大小为3.8mm，使用量占混合铁水质量的0.19％，再覆盖一层厚度为4.3mm的碳化秸秆灰；
(2)浇注温度为1493℃，浇包的同时加入占混合铁水质量的铬粉1.1％、钼粉0.5％、镍粉0.6％、锑粉2％、锡粉4.3％、纳米碳化钴0.31％、纳米碳化钽0.32％、纳米硅化钛0.58％进行熔化，表面形成混合铁液，在浇包的混合铁液液面撒上除渣剂，所述除渣剂为珍珠岩，用量为混合铁水质量的0.06％，待所加金属完全熔化后，将混合铁液表面炉渣扒去；
(3)浇注的同时，将所占混合铁水质量的0.007％的纳米氧化铝粉喷射在流出浇包的混合铁液上，添加占混合铁水质量的0.05％的石英砂，搅拌2.4h完成浇包，浇包完成5.3h后打箱，进行抛丸处理，制得高强度耐用模具材料。
对比例1
与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备高强度耐用模具材料的步骤(2)原料中缺少纳米碳化钴、纳米碳化钽、纳米硅化钛。
对比例2
与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备高强度耐用模具材料的步骤(2)原料中缺少纳米碳化钴。
对比例3
与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备高强度耐用模具材料的步骤(2)原料中缺少纳米碳化钽。
对比例4
与实施例2的制备工艺基本相同，唯有不同的是制备高强度耐用模具材料的步骤(2)原料中缺少纳米硅化钛。
对比例5
采用中国申请专利文献“一种耐磨汽车冲压件模具材料(申请公布号：cn107653412a)”实施例1-3的工艺制备高强度耐用模具材料。
采用同样的方法对实施例1-3及对比例1-3所制备的高强度耐用模具材料进行性能测试，测试结果如下表所示。
由上表可知：(1)由实施例1-3和对比例5的数据可见，施用实施例1-3高强度耐用模具材料具有优异的硬度和抗拉强度；同时由实施例1-3的数据可见，实施例2为最优实施例。
(2)由实施例2和对比例1-4的数据可见，纳米碳化钴、纳米碳化钽、纳米硅化钛在制备高强度耐用模具材料中起到了协同作用，协同提高了模具材料的硬度和抗拉强度，这是：
在熔炼中，向混合铁水中加入纳米碳化钴、纳米碳化钽、纳米硅化钛，可进行纳米碳化钴和纳米碳化钽的变质处理，以纳米尺寸与高表面活性颗粒在混合铁水中形成的纳米形核以及纳米碳化钴和纳米碳化钽颗粒均匀弥散分布在基体上，它具有高硬度、尺寸小和弥散度高的特点，在结晶过程中增加形核的核心数量，减少了晶粒尺寸，细化了晶粒，纳米碳化钴、纳米碳化钽、纳米硅化钛的高表面活性及细化晶粒过程中弥散强化，显著提高了模具材料的硬度和抗拉强度。
(3)由实施例1-3和对比例5的数据可见，实施例1-3的模具材料的硬度和抗拉强度显著高于对比例5(现有技术)的硬度和抗拉强度，其中硬度和抗拉强度分别至少提高52.55％和34.25％。
以上内容不能认定本发明具体实施只局限于这些说明，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。