专利名称：一种高淬透性合金灰铁模具材料及其制备方法
一种高淬透性合金灰铁模具材料及其制备方法技术领域
本发明属于合金灰铁材料制造工艺领域，涉及一种汽车大型覆盖件用的高淬透性 灰铁模具材料及其制备方法，尤其涉及到一种高淬透性合金灰铁模具材料及其制备方法。
背景技术：
制造大型汽车覆盖件模具所使用的模具材料通常是采用合金灰铁材料，制作汽车 车身覆盖件的模具材料需要良好的性能，最重要的是强度指标和淬透性指标，因为汽车覆 盖件模具在服役的过程中可能发生断裂、变形、磨损、粘合、啃伤、软化等失效形式，因此模 具材料应具备高强度和高淬透性性能指标才能具有抗变形、抗磨损、抗断袭、耐疲劳和抗软 化及抗粘合的能力。
当前，制造大型汽车覆盖件材料使用的是合金灰铁GM241材料，其化学成分组成 (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%，余量为 Fe。
由于GMMl覆盖件模具材料没有微合金化元素的作用，并且Cu元素、Mo元素和Cr 元素含量较低，合金元素之间的符合强化作用不明显，没有较强的促进石墨化减少白口倾 向作用。这种GM241材料通过浇注出的单铸试棒并采用合金灰铸铁使用的移动式感应加热 设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20 ^KW,淬火温度控制在850 950°C，淬 火方式为空冷后的GM241单铸试棒的抗拉强度只有350MPa左右，而相同条件下的GM241表 面淬硬层只有2. 2mm，表面硬度只有50HRC。因此，这种汽车覆盖件模具材料在服役的过程 中容易产生断裂、变形、磨损、粘合、啃伤、软化等失效。
因此，多年来，广大冶金材料学科研技术人员在冶金材料领域里，特别是在石墨灰 铁材料领域中一直在寻找一种高淬透性石磨合金灰铁材料来替代目前的GM241材料，开发 高端的大型汽车覆盖件材料来满足日益增长的高质量的汽车覆盖件模具制造需要
对相关技术的中外专利检索内容分析，通过输入相关本发明内容的关键词在对中 外专利及相关覆盖件的技术文献进行检索发现，涉及到和本专利相关联的刀片钢及其冶金 制造技术的专利
1)中国专利，专利公开号CN1693525，专利名称“汽车覆盖件模具用合金灰铁材料 及其制备方法”，其化学成份重量百分比含量为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)日本专利，专利公开号 JP10071459A，专利名称 “ALUMINUM INSERTINGMEMBER EXCELLENT IN DAMPING CAPACITY AND MANUFACTURE THEREOF”，介绍的一种相关覆盖件的 材料的化学成份含量如下所示化学成份重量百分比含量为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%其余为铁 Fe。
中国专利CN1693525的化学成份组成并且没有加入任何的微合金化元素、因此这 种合金灰铁材料缺乏较强的促进石墨化减少白口倾向作用，只能作为一般的汽车覆盖件合金灰铁模具材料使用。
日本专利所涉及到的相关化学成份的模具材料的化学成份中含有较高的硅含量 和较低的钼含量，这种模具材料强化机理主要是通过硅元素在基体中的强化作用和其它合 金元素的相互强化作用，另一方面，该模具材料没有加入微合金化元素，因此，元素的符合 强化作用不明显，促进石墨化减少白口倾向作用不强。发明内容
本发明的目的是提供一种高淬透性合金灰铁模具材料及其制备方法，全面提升合 金灰铁模具材料的强度和淬透性。
本发明的目的是这样实现的一种高淬透性合金灰铁模具材料，包含以下化学成 分，其重量百分配比为
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%，余量为 Fe。
以下是本发明主要元素的作用及其限定说明
C2.8 3.3wt%
C是石墨相生成的基础，而石墨相对金属基体有割裂削弱作用。随着C含量的增 加，石墨片变得粗大，数量增多，材料的抗拉强度降低。因此选择C的含量为2. 8 3. 3wt %。
Si 1. 7 2. Owt %
Si是促进石墨化元素，可溶于铁素体，提高其抗拉强度和硬度，但将降低材料的塑 性，因此Si的含量不宜过高，可选为1.7 2. Owt %。
Mn0.6 0.9wt%
Mn在灰铸铁中可以中和S形成MnS及(Fe、Mn) S化合物，这些化合物的熔点在 1600°c以上，可以做为石墨化的非自发性晶核；而中和S元素后余下的Mn可以增加并细化 珠光体。但Mn是碳化物形成元素，而且Mn含量过高会增加材料的脆性。因此综合考虑Mn 的作用后，选定其含量为0. 6 0. 9wt %。
Cr 0. 35 0. 50% wt %
Cr大部分溶于固溶于渗碳体形成合金渗碳体，稳定了渗碳体，具有强烈的促进白 口的作用，同时强化材料的力学性能。Cr能增加材料的淬透性且价格低廉。但Cr是较强烈 的碳化物形成元素，含量过高时容易生成游离渗碳体。因此，其含量应控制在材料中的Cr < 0. 7%，可选为 0. 35 0. 50wt%。
Cu 1. 10 1. 20wt%
Cu能细化并增加珠光体的含量，提高珠光体的显微硬度，从而增加铸铁的耐磨性； 在其含量超过0. 6 %时，具有一定的促进石墨化作用。但Cu的含量过高会产生热裂倾向，且 当含量大于1. 2%时即超出其溶解度而析出。因此，其含量可选为1. 10 1. 20wt%。
Mo0.6 0.9wt%
Mo是一种强淬透性添加剂，能显著提高材料的淬透性。Mo还能细化珠光体和石 墨，增加珠光体的含量，同时强化珠光体中的铁素体，因而能有效的提高材料的强度和硬 度，因此其含量可选为0. 6 0. 9wt %。
Ni0.2 0.6wt%
Ni具有一定的石墨化作用，可全溶于奥氏体，细化并增加珠光体，并且是较好的淬 透性添加剂，能够有效的改善低温性能，而且M在铸铁中的偏析较小，因此可以选定M的 含量为0. 2 0. 6wt%。
V0.1 0.3wt%
V是强烈的碳化物形成元素，其形成的碳化钒等硬质相具有很高的显微硬度，作为 微合金化元素的加入可以在铸铁的工作表面形成双滑动面，可有效提高铸铁材料的抗磨损 性能。V还可以细化共晶团提高强度。因此其含量可选定为0. 1 0.3wt%。
P^O. 08wt%
P元素属于有害元素。在Mn含量少的情况下，P容易偏析生成磷共晶，虽然可以提 高铁水的流动性和耐磨性，但是也将使材质变脆。因此应控制材料中的P < 0. 08wt%。
S^O. 03wt%
S元素是属于有害元素。在Mn含量少的情况下，S有强烈的白口化作用，不仅使材 质变脆，而且降低铁水的流动性。为了确保不使材质变脆，降低模具材料的白口化作用，因 此应控制材料中的S < 0. 03wt%。
—种高淬透性合金灰铁模具材料的制备方法，包含以下步骤
步骤1)将原料放置于熔炼炉内熔炼，得到如下重量百分配比的铸件，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%，余量为 Fe ；
熔炼温度为1300 1500°C ；
步骤幻使用加热设备对所述铸件进行表面中频感应淬火处理，淬火温度为 850 950O。
优选地，所述步骤1)中熔炼炉为中频无芯感应熔炼炉。
优选地，所述步骤幻中的加热设备为移动式感应加热设备。
优选地，所述步骤2)中加热设备的输出功率为20 ^KW,淬火后的冷却方式为空 冷。
按照本技术化学成份配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在 1300 1500°C，熔炼温度控制在此范围可以充分使得钢液的流动性最佳，并且有可以防止 钢液的过氧化现象，保证钢液的质量和钢液的均勻性。
对浇注出的合金灰铸铁使用移动式感应加热设备进行表面中频感应淬火处理，输 出功率为20 ^KW,控制功率在此范围可以使得模具材料高温加热更加均勻，合金元素充 分溶解并能够发挥微合金元素在基体中的溶解后的析出强化作用。
模具材料淬火温度控制在850 950°C，淬火方式为空冷，保证材料的合金元素的 均勻性并防止材料的过热而引发材料的冶金缺陷，控制冷却方式为空气中的冷却可以防止 模具材料由于冷却速度过快而导致应力裂纹缺陷。
本发明由于采用了以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下优点和积极效 果
1.本发明化学成份的配比更加合理和先进，配合加入的微合金化钒元素的合金元 素符合作用促进石墨化减少白口倾向，增加材料的淬透性并提高强度及淬硬性，提高了合金灰铁模具的综合性能
2.本发明熔炼温度控制在1300 1500°C，并浇注出单铸试棒，其抗拉强度可 达450MPa，提高；使用移动式感应加热设备进行表面中频感应淬火处理，输出功率 为20 ^KW,淬火温度控制在850 950°C，淬火方式为空冷后合金灰铸铁淬硬层可达 2. 5mm ；提高淬硬层深度14%，表面硬度可达洛氏硬度53HRC，提高6%。
以下结合附图和具体实施例来对本发明作进一步说明。
图1为枝晶片状合金灰铁50倍金相图。
图2为钒微合金灰铁500倍金相图。
图3为双滑动面合金灰铁100倍金相图。
具体实施方式
如图1所示，合金灰铁模具材料的50X金相显微组织中石墨相依然为片状，E型 枝晶片状基体中没有出现大块的游离碳化物，满足了基体的高强度、高硬度和高耐磨性的 金相显微组织条件。
如图2所示，合金灰铁模具材料的500X金相显微组织照片，照片显示材料显微组 织中含有尺寸更细小的钒的碳化物。碳化钒的存在将使铸铁摩擦面出现双滑动面，从而大 大提高材料的耐磨性能。
如图3所示，合金灰铁模具材料的100倍金相显微组织显示出枝晶片状基体组织， 在组织中石墨片状细小，并且，更细小的钒的碳化物的存在使得显微组织磨擦面出现双滑 动面，提高了基体的硬度和强度等综合性能
实施例1
化学组成(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%，余量为 Fe。
按照上述化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在 1300°C。对浇注出的Φ 30X 150mm的试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火 处理，输出功率为20KW，淬火温度控制在850°C，淬火方式为空冷。
性能测试其表面硬度为53HRC，淬硬层深度为2. 73mm,单铸试棒抗拉强度为 460MPa。
实施例2
化学组成(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%，余量为 Fe。
按照上述化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在 1400°C。对浇注出的Φ 30X 150mm的试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火 处理，输出功率为MKW，淬火温度控制在900°C，淬火方式为空冷。
性能测试其表面硬度为55HRC，淬硬层深度为2. 66mm,单铸试棒抗拉强度为473MPa0
实施例3
采用合金灰铸铁的化学组成(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%，余量为 Fe。
按照上述化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在 1500°C。对浇注出的Φ 30X 150mm的试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火 处理，输出功率为^KW,淬火温度控制在950°C，淬火方式为空冷。
性能测试其表面硬度为56HRC，淬硬层深度为2. 60mm,单铸试棒抗拉强度为 492MPa0
实施例4
采用合金灰铸铁的化学组成(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%，余量为 Fe。
按照上述化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在 1350°C。对浇注出的Φ 30X 150mm的试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火 处理，输出功率为22KW，淬火温度控制在910°C，淬火方式为空冷。
性能测试其表面硬度为MHRC，淬硬层深度为2. 70mm,单铸试棒抗拉强度为 483MPa0
实施例5
采用合金灰铸铁的化学组成(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%，余量为 Fe。
按照上述化学组成配料并置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度控制在 1450°C。对浇注出的Φ 30X 150mm的试样使用移动式感应淬火设备进行表面中频感应淬火 处理，输出功率为^KW,淬火温度控制在930°C，淬火方式为空冷。
性能测试其表面硬度为MHRC，淬硬层深度为2. 65mm,单铸试棒抗拉强度为 479MPa0
综上所述，本发明的材料中加入了微合金元素，极大的提升了合金灰铁材料的综 合性能，因而具备良好的推广及应用前景。
要注意的是，以上列举的仅为本发明的几个具体实施例，显然本发明不限于以上 实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出 或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种高淬透性合金灰铁模具材料，其特征在于包含以下化学成分，其重量百分配比为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%，余量为Fe。
2.一种高淬透性合金灰铁模具材料的制备方法，其特征在于包含以下步骤 步骤1)将原料放置于熔炼炉内熔炼，得到如下重量百分配比的铸件，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%，余量为 Fe ； 熔炼温度为1300 1500°C ；步骤2、使用加热设备对所述铸件进行表面中频感应淬火处理，淬火温度为850 950 "C。
3.如权利要求2所述的高淬透性合金灰铁模具材料的制备方法，其特征在于所述步 骤1)中熔炼炉为中频无芯感应熔炼炉。
4.如权利要求2所述的高淬透性合金灰铁模具材料的制备方法，其特征在于所述步 骤2)中的加热设备为移动式感应加热设备。
5.如权利2或4所述的高淬透性合金灰铁模具材料的制备方法，其特征在于所述步 骤2)中加热设备的输出功率为20 ^KW,淬火后的冷却方式为空冷。
全文摘要
本发明提供一种高淬透性合金灰铁模具材料及其制备方法，其包含成分重量百分比为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％，余量为Fe。其制备方法为按上述材料配料，将配料置于中频无芯感应熔炼炉内熔炼，熔炼温度为1300～1500℃；使用移动式感应加热设备对得到铸件进行表面中频感应淬火处理，输出功率为20～28KW，淬火温度为850～950℃，淬火后冷却方式为空冷。使用本发明极大的提升了合金灰铁材料的综合性能，因而具备良好的推广及应用前景。
文档编号C22C33/08GK102031444SQ200910196290
公开日2011年4月27日 申请日期2009年9月24日 优先权日2009年9月24日
发明者吴晓春, 周伟, 汪宏斌, 续维 申请人:宝山钢铁股份有限公司