一种高韧性含硼模具钢及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于钢铁材料技术领域，涉及一种铸造耐磨模具钢及其制备方法，特别是一种高韧性含硼模具钢及其制造方法。
【背景技术】
[0002]现代科技的发展对材料的要求越来越高，磨损是矿山、冶金、机械、电力、煤炭、石油、建材、交通等工业部门普遍存在并成为引起设备损坏或材料失效和能源消耗的一个重要原因，也是机械零件三种主要的失效形式之一，研究和发展新一代耐磨材料，减少金属磨损，对国民经济具有重要的意义。目前广泛应用的金属耐磨材料主要有合金钢和铸铁基耐磨材料，前者韧性好，但存在硬度低和耐磨性差的不足。铁基耐磨材料可分为两大类，一类是组织中含有大量地、粗大地、高硬度地硬质相(多5%vol.);另一类是组织中没有或只含有少量地硬质相。由于硬质相的耐磨性高于基体，所以硬质相自然成为耐磨材料的耐磨骨架。传统的白口铸铁是这一类耐磨材料的典型代表。在白口铸铁中，组织中含有约10% vol.的M3C型或M7C型碳化物。因为M3C型或M7C型碳化物具有高硬度，因而，白口铸铁具有高耐磨性。在铁基耐磨材料中，目前发现的可以作为耐磨骨架的硬质相主要有两大类，一类为碳化物；另一类为硼化物。目前，人们对以碳化物作为耐磨骨架的铁基耐磨材料研究的较多，而对于以具有更高硬度的硼化物作为耐磨骨架的铁基耐磨材料却研究的很少。由于白口铸铁具有高硬度和高耐磨性，因而目前在金属耐磨材料领域仍然大量使用该类材料，但该类材料存在脆性大，使用中易剥落甚至开裂的不足，因而无法满足现代工业发展对高性能耐磨材料的要求。因此，开发生产工艺简单、生产成本低廉、强度和韧性高、淬透性和淬硬性好的新一代钢铁耐磨材料，在磨料磨损工况下取代目前广泛使用的普通耐磨材料，无疑具有十分重要的意义。
[0003]为提高金属耐磨材料的抗磨性能，满足应用要求，近年来，国内外开展了大量的研究，开发出了大量的新型高性能耐磨材料。中国发明专利CN1039267公开了一种耐磨高铬铸铁的组成及其制备工艺，该材料的化学成分(按重量百分比)为:2.9?3.2% C，0.4?0.8% Si，0.4 ?1.0% Mn，1.2 ?2.0% Mo，18.0 ?20.0%Cr, 4.0 ?5.0% V，0.8 ?1.2% Cu，0.05?0.5% RE，P < 0.08%，S < 0.05%，其余为铁。该耐磨高铬铸铁与普通耐磨材料相比，具有耐磨损，机械性能好，热处理工艺简单，能耗低等优点，适合于制作工作环境苛刻的耐磨零部件。但该种耐磨铸铁中含有较多的钒、钼等合金元素，生产成本高，且还存在着高温热处理时易开裂，材料的脆性大，使用中易剥落甚至开裂等不足。为了提高高铬白口铸铁的韧性，中国发明专利CN1115339公开了铬系白口铸铁复合孕育剂，该孕育剂选用对铬系白口铸铁凝固起孕育作用的C、Cr、Fe三元素的同时，通过添加S1、Mg、RE合金元素，以改变第二相形态和分布，起到对金属熔体的变质作用，在工艺上采用了孕育与变质相结合的技术路线。采用该发明可以使铬系白口铸铁的冲击功达到4.5J，使冲击韧性提高60%，断裂韧性达到32MPa.m1 z 2，提高30%，抗拉强度达到668MPa。但该材料的脆性仍然较大，在重载、冲击磨损工况下使用，安全可靠性较低。
[0004]硼是我国富产元素，总贮量占世界第五位。大量研究表明，在钢中加入适量硼，通过调节合金中硼含量和碳含量可以实现对硼化物体积百分数及基体含碳量的控制，使材料具有优异的耐磨性和强韧性。在白口铸铁中加入微量硼还可以细化共晶碳化物，改善碳化物的形态和分布，提高白口铸铁力学性能。在工程应用中已经证实，硼加入结构钢中可以代替一部分或全部镍、铬、锰、钼等，在汽车工业中用硼钢代替40Cr钢，其使用寿命不低于铬钢。开发以硼为主要合金元素的金属耐磨材料，使其具有良好的淬硬性和淬透性，贵重合金元素加入量少，生产成本低廉，熔炼工艺简单，成形性好，无污染，同时采用金属熔体净化和变质处理工艺，改善含硼合金材料的组织形态，使其具有良好的强韧性和耐磨性，在耐磨材料领域将具有广泛的应用前景。为此中国发明专利CN1624180公开了一种高硼铸造铁基耐磨合金及其热处理方法，该高硼铸造铁基耐磨合金的主要化学成分(重量％)为:0.15?0.70% C，0.3 ?1.9% B，0.4 ?0.8% Si，0.6 ?1.3% Mn，0.3 ?0.80% Cr,0.05 ?0.25%Ce，0.02 ?0.10% La，0.005 ?0.018% Ca，0.04 ?0.18% K，0.08 ?0.25% Al,P < 0.04%，S < 0.04%，其余为Fe。该合金经热处理后可以获得板条状马氏体加高硬度硼化物组成的复合组织，使材料具有较好的综合性能，但硼化物呈连续网状分布，使材料的脆性较大。为提高高硼合金韧性，国内外进行了大量的研究。中国发明专利CN1804091公开了铸造高硼耐磨合金的韧化方法，该方法是将化学成分为:0.30?0.35% C，1.0?1.5% B，0.6?0.8%Si，0.8?1.0% Mn，P < 0.04%，S <0.04%，其余为Fe、Ti和不可避免的杂质元素，其中Ti是由变质剂钛铁带入的。其韧化方法为:先将钢液熔炼并用铝脱氧后，加入变质剂钛铁合金进行变质处理，待化清扒渣后进行浇注，浇注完成后进行韧化热处理，韧化热处理温度为1020°C?1050°C，保温时间为2?3小时，然后进行淬火或正火，最后回火:变质剂钛铁合金用量为铸造高硼耐磨合金的0.75?1.0%。经韧化处理后的砂型铸造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立状分布在基体中。由于该工艺没有将硼化物变成颗粒状，仅仅是大块状分布，因此仍然存在材料的脆性大，韧性不太高，仅为12.5J，无法满足在重载、冲击磨损工况下的安全使用。
[0005]前苏联专利号SU1，447，926公开的一种“高强度和高冲击韧性高硼合金制造方法”，该高硼合金的化学成分为:0.2?0.50% C，2.1?3.5% B, 0.15?0.6% Si，0.25?
0.80% Mn，0.2?0.80% Sb，该合金组成中含有较多的锑，将显著增加高硼合金的生产成本，且含硼量较高，合金组织中硼化物数量增加，不利于高硼合金韧性的改善。
[0006]为提高高铬铸铁的耐磨性能，降低高铬铸铁的生产成本，日本专利JP3150334-A、JP93041691-B公开了一种含硼高铬铸铁，其主要化学成分为:2.7?3.5% C，0.2?1.0%Si，0.5 ?1.5% Mn，27 ?34% Cr, 0.5 ?2.0% Mo，0.5 ?2.0% W，彡 0.1% B，该高硼高铬铸铁经过950?1100°C正火和200?500°C回火后，硬度达到62HRC以上，冲击强度超过
0.23。由于硼含量较少，为了提高淬透性，因此在合金中加入了 0.5?2.0%Mo，且含铬量较高，增加了生产成本。
[0007]为降低生产成本，提高高铬铸铁的性能，中国发明专利CN101260497A公开了含硼高铬耐磨铸铁及其制造方法，其特征在于含硼高铬耐磨铸铁的化学成分为(重量％):2.5?
3.5% C，15 ?28% Cr,0.5 ?1.2% Si，0.5 ?1.2%Mn，0.15 ?0.3%B，0.008 ?0.03% Ca，
O,03 ?0.08% Ba，0.02 ?0.05% Sr,0.03 ?0.08% Al，0.20 ?0.50% Ti，0.02 ?0.06%La，0.02 ?0.06% Ce，P < 0.04%，S < 0.04%，其余为 Fe，且 0.05% 彡 La+Ce 彡 0.10%，6.0 ^ Cr+C ^ 8.00该硼高铬耐磨铸铁的制造方法为:将废钢、铬铁和生铁混合放入炉中加热熔化，铁水熔清后加入硅铁和锰铁调整成分合格后将温度升至1560?1600°C，加入硅钙合金预脱氧，预脱氧I?2分钟后，加入铝终脱氧，终脱氧I?2分钟后，加入钛铁，钛铁加入I?2分钟后，加入硼铁，硼铁加入I?2分钟后出炉；将钡硅合金、锶硅合金、铝、钛铁、硼铁和镧铈混合稀土破碎至粒度为4?1mm的小块，经150?180°C烘干后，置于浇包底部，用包内冲入法对铁水进行变质处理，然后将变质处理后的铁水温度在1420?1480°C浇注成铸件；将所浇注的铸件在980?1050°C经4?6小时保温后进行正火处理，然后在250?500°C进行回火处理，回火保温时间8?10小时，制得含硼高铬耐磨铸铁。该发明与已有技术相比具有以下优点:①采用廉价硼取代昂贵的钼、镍等合金元素，改善高铬铸铁的淬透性，降低高铬铸铁生产成本30?50%。②采用镧铈混合稀土、钛、钙、锶、钡、铝等元素细化凝固组织，减轻元素偏析，改善碳化物形态和分布，提高含硼高铬耐磨铸铁的强度和韧性，其中抗拉强度超过580MPa，冲击韧性大于1J / cm2，硬度大于62HRC。③采用硅-钙合金脱氧，铝终脱氧，同时采用钛固定铁液中的氮，稳定并提高了硼元素的收的率，硼的收的率大于92%，比普