專利名稱：：含硼鑄造模具鋼及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于模具
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及含硼鑄造模具鋼及其制備方法。技術(shù)背景模具是耐火制品生產(chǎn)過程必不可少的工具，在數(shù)十噸至上千噸的摩擦壓磚機或液壓機上工作。在工作過程中，模具受到耐火材料硬質(zhì)顆粒的磨粒磨損，造成使用壽命下降，生產(chǎn)成本上升，并使生產(chǎn)效率降低，產(chǎn)品質(zhì)量受到嚴重影響。近年來隨著耐火材料制品向大型化高密度發(fā)展，出現(xiàn)了大壓力的成型設(shè)備，對模具提出了更嚴格的要求。所以選擇合適的材質(zhì)，采用先進的生產(chǎn)工藝來制造優(yōu)質(zhì)的模具是模具工作者的迫切任務(wù)。多年來，我國耐火材料行業(yè)都是使用碳鋼滲碳模具和部分變質(zhì)鑄鐵模具，隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展逐漸暴露了這類模具的缺點。前者硬化層淺，滲碳后易變形，后者脆性大，使用中易斷裂。近年來，耐火制品成型模具新材料發(fā)展迅速，高鉻鑄鐵、硬質(zhì)合金、鋼結(jié)硬質(zhì)合金和高合金模具鋼的應(yīng)用為提高模具使用壽命創(chuàng)造了有利條件。中國發(fā)明專利CN87102001公開了一種耐火材料模具表面噴焊耐磨涂層的工藝，涂層材料為含WC的鎳基自熔合金粉末，借助粉末噴焊槍，使粉末通過氧乙炔火焰區(qū)加熱到熔化或半熔化狀態(tài)，噴灑到耐火材料模具表面，再經(jīng)感應(yīng)加熱重熔，得到1~2.5隨厚的耐磨涂層，涂層硬度為63-67HRC,與基體的結(jié)合強度大于350MPa,涂層表面光滑、平整致密。但沖莫具的噴焊耐磨涂層使用過程中易開裂、剝落，且模具噴焊時易出現(xiàn)變形，影響耐火制品表面質(zhì)量。中國發(fā)明專利CN1931547也公開了一種用耐磨合金復(fù)合板制備耐火磚模具，其特點是以低碳鋼為基板，在基板上采用熔焊工藝生成具有一定厚度的耐磨硬質(zhì)合金層。該發(fā)明具有工藝流程筒單合理，可以生產(chǎn)復(fù)雜形狀的耐火磚模具，大幅度提高其使用壽命，降低模具成本。利用耐磨合金復(fù)合板制成的耐火磚模具，在使用過程中具有高耐磨性能，而且耐磨合金層不脫落。但用該發(fā)明制造耐火制品模具存在修磨次數(shù)少和模具噴焊時易出現(xiàn)變形，影響耐火制品表面質(zhì)量等不足。中國發(fā)明專利CN1060878還^Hf了一種采用高耐磨合金材料制造的生產(chǎn)耐火磚的壓磚模具及其制造模具的工藝方法，是通過對高鉻多元合金實施合金化處理和復(fù)合變質(zhì)處理，特征在于其合金材料的化學(xué)成分的選擇；復(fù)合變質(zhì)處理的配方及工藝；模具的熱處理條件。模具可以是裝配式的，模套是活動模套或加大內(nèi)腔的固定模套。該發(fā)明具有高耐磨性和強韌性，使耐火磚質(zhì)量得到提高，該發(fā)明模具還具有換模時間短、節(jié)約原材料及能源、使用壽命長的特點。但由于模具材料中含有較多的鉻元素，還加入了鎳、銅、鎢等昂貴合金元素來提高模具淬透性和耐磨性，導(dǎo)致模具生產(chǎn)成本增加。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，而提供一種含硼鑄造模具鋼的化學(xué)成分及其制備方法。其主要特點是用電爐熔煉碳鋼，并在鋼中加入一定數(shù)量的鉻，用于提高鑄鋼淬透性，還加入一定數(shù)量的硼，用于生成高硬度的硼化物，提高鑄鋼硬度并改善鑄鋼耐磨性。還加入一定數(shù)量的鈦，主要是為了細化凝固組織，并改善硼化物形態(tài)和分布，還加入適量鋁，有利于改善硼化物形態(tài)，提高鑄鋼強度和韌性。并加入稀土鎂合金和氮進一步改善鑄鋼組織，提高鑄鋼性能。本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)本發(fā)明所提供的含硼鑄造模具鋼的化學(xué)成分及其重量百分比為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%,余量為Fe。本發(fā)明所提供的含硼鑄造模具鋼用電爐生產(chǎn)，具體包括如下步驟①將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、錳鐵、鋁、鈦鐵、硼鐵、稀土鎂合金和含氮鉻鐵，按目標產(chǎn)物中化學(xué)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%,余量為Fe進行備料；②將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后依次加入硅鐵和錳鐵；③爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1550~1580°C，然后加入鋁脫氧和合金化，再依次加入鈦鐵和硼鐵，然后將鋼水溫度升至1590~1620°C;④將稀土鎂合金和含氮鉻鐵破碎至粒度為6~10mm的小塊，經(jīng)150~180匸烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對步驟③中的鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理；⑤將復(fù)合變質(zhì)處理后的鋼水澆注成耐火制品模具，鋼水澆注溫度為1480-1500°C;將步驟得到的模具在950~IOO(TC保溫2~5小時后油冷淬火，淬火油溫度控制在20~80°C;⑦將淬火后的模具在18025(TC進行回火處理，回火保溫時間6~8小時，回火后爐冷或空冷，制得含硼鑄造模具鋼。鑄造模具鋼的性能是由金相組織決定的，而一定的組織取決于化學(xué)成分及熱處理工藝，本發(fā)明化學(xué)成分是這樣確定的碳碳是影響鑄造模具鋼硬度和韌性的主要元素，碳含量高時，基體淬透性和淬硬性好，硬度高、耐磨性好，另外，碳含量高時，鑄造組織中碳化物數(shù)量多，也有利于改善模具鋼的耐磨性，但碳含量增加導(dǎo)致模具鋼脆性加大以及淬火開裂傾向增強，綜合考慮將碳含量控制在0.85~1.00%。硼硼是一種特殊的元素，原子序數(shù)為5，介于金屬與非金屬之間，既能與金屬化合又能與非金屬化合。在鑄鋼中加入一定數(shù)量的硼，易形成高硬度硼化物，改善鑄鋼耐磨性。部分硼固溶于基體，有利于提高鑄鋼淬透性。硼加入量太少，硼化物數(shù)量少，對改善模具鋼耐磨性作用不明顯，硼加入量過多，導(dǎo)致脆性硼化物明顯增加，損害模具鋼強度和韌性，綜合考慮將硼含量控制在2.2~2.8%。鉻模具鋼中加入鉻元素，一方面可以固溶于基體，提高基體淬透性，另一方面可以形成碳化物，改善鑄鋼耐磨性，4各還有固溶于硼化物并降低硼化物脆性的作用，鉻還促進硼元素在基體中固溶量的增加，具有間接提高鑄鋼淬透性的作用。此外，鉻還能細化晶粒，提高回火穩(wěn)定性。鉻加入量過多，將增加鑄鋼生產(chǎn)成本，綜合考慮將鉻含量控制在6.0~8.0%。硅硅固溶于鐵素體和奧氏體中，有明顯的強化作用，硅能降低碳在奧氏體中的溶解度，促使碳化物析出，提高強度和硬度。硅和氧的親和力僅次于鋁和鈦，而強于錳、鉻、釩等，是很好的還原劑和脫氧劑，可提高鑄鋼的致密度，但硅量過高將顯著降低鋼的塑性和韌性。綜合考慮，將硅含量控制在O.6~1.0%。錳錳能強烈增加鋼的淬透性，淬火后易得到馬氏體組織。錳還能起脫氧劑和脫硫劑的作用，可凈化鋼液，但錳量較高會促使晶粒粗大，綜合考慮，錳控制在O.8~1.5%。稀土、鋁、氮在含硼鑄鋼中，加入稀土、鋁、氮，易生成REA103及A1N對初生奧氏體形核起作用，有利于促進初生奧氏體的細化。而且稀土與鋁提高鋼液表面張力，使硼化物向團塊狀發(fā)展。氮也起吸附作用，使硼化物顆粒表面鈍化。硼化物形態(tài)的改善，有利于鑄鋼強度和硬度的提高。稀土和鋁加入過多，導(dǎo)致夾雜物增多，反而不利于改善鑄鋼強度和韌性。氮加入量過多，則鑄造模具中易出現(xiàn)氣孔，損害模具力學(xué)性能和使用性能，綜合考慮將稀土含量控制在0.08~0.12%，氮含量控制在0.08~0.15%，鋁含量控制在0.25~0.50%。鈦鈦加入含硼鑄鋼中，發(fā)生Ti+2B-TiB2反應(yīng)，形成塊狀的TiB2,對促進鐵硼化合物形態(tài)和分布的改善具有明顯的效果，有利于改善含硼鑄鋼的力學(xué)性能。鈦加入量過多，將出現(xiàn)粗大的塊狀TiB2,反而降低鑄鋼的強度和韌性，綜合考慮將鈦含量控制在1.20~1.50%。鎂鎂是表面活性元素，在共晶結(jié)晶時選擇性地吸附在共晶硼化物擇優(yōu)生長方向的表面上，形成吸附薄膜，阻礙鋼液中的B、Fe、Cr等原子長入共晶硼化物晶體，降低了共晶硼化物擇優(yōu)方向的長大速度，導(dǎo)致?lián)駜?yōu)方向長大減慢，而其他方向長大速度增大，促使共晶硼化物由網(wǎng)狀向斷網(wǎng)狀、團塊狀轉(zhuǎn)變。磷和硫不可避免的微量雜質(zhì)是原料中帶入的，其中有磷和硫，均是有害元素，為了保證含硼鑄造模具鋼的強度、韌性和耐磨性，將磷含量控制在0.04%以下，硫含量控制在0.04%以下。鑄造模具鋼的性能還與熱處理工藝有關(guān)，本發(fā)明熱處理工藝是這樣確定的。為了確保鑄造模具鋼獲得馬氏體組織，首先需要加熱到950~100(TC,并保溫2-5小時，加熱溫度過低或保溫時間過短，淬火組織中易出現(xiàn)的低硬度的珠光體組織，降低模具鋼硬度和耐磨性。加熱溫度過高或保溫時間過長，導(dǎo)致淬火組織粗大，損害模具鋼強度和韌性，且能耗高、效率低。淬火后采用油冷，可確保淬火組織獲得單一馬氏體基體。模具淬火后在18025(TC進行回火處理，可穩(wěn)定組織、消除應(yīng)力，回火溫度過低或保溫時間過短，模具應(yīng)力大，使用中易開裂?；鼗饻囟冗^高或回火保溫時間過長，模具硬度下降，耐磨性降低，選擇180250。C回火，保溫時間68小時，具有良好的效果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點①本發(fā)明含硼鑄造模具鋼不含價格昂貴的鉬、鎳、銅等合金元素，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)工藝簡便，并用硼作為主要合金元素，除了明顯提高淬透性外，還生成大量高硬度硼化物，可以明顯改善模具耐磨性。②本發(fā)明含硼鑄造模具鋼具有高硬度，并采用稀土、鋁、氮、鎂、鈦等元素細化凝固組織，改善硼化物形態(tài)和分布，提高含硼鑄造模具鋼的強度和韌性，其中抗拉強度超過650Mpa,沖擊韌性大于12J/cm2，硬度大于65HRC。③本發(fā)明含硼鑄造模具鋼具有優(yōu)異的耐磨性，比高鉻白口鑄鐵提高30~50%,但生產(chǎn)成本比高鉻鑄鐵模具降低30~40%。具體實施方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作進一步詳述實施例1用500公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉含硼鑄造模具鋼，其制造工藝步驟是①將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后依次加入硅鐵和錳鐵；②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1572°C,然后加入鋁脫氧和合金化，再依次加入鈦鐵和硼鐵，然后將鋼水溫度升至1618°C;③將稀土鎂合金和含氮鉻鐵破碎至粒度為6-10mm的小塊，經(jīng)150180。C烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理；④將鋼水澆注成耐火制品模具，鋼水澆注溫度為1493°C;模具在98(TC保溫4小時后油冷淬火，淬火油溫度控制在208(TC;模具淬火后在22(TC進行回火處理，回火保溫時間7小時，回火后爐冷。模具鋼成分見表l，模具鋼力學(xué)性能見表2。<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>表1模具鋼成分及其含量(重量％)抗拉強度超過Mpa沖擊韌性J/cm2硬度HRC663.812.666.4表2模具鋼力學(xué)性能實施例2用IOOO公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉含硼鑄造模具鋼，其制造工藝步驟是①將廢鋼、4各鐵和生鐵混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后依次加入硅鐵和錳鐵；②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1555°C,然后加入鋁脫氧和合金化，再依次加入鈦鐵和硼鐵，然后將鋼水溫度升至1597°C;③將稀土鎂合金和含氮鉻鐵破碎至粒度為6~10mm的小塊，經(jīng)150~180。C烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理；④將鋼水澆注成耐火制品模具，鋼水澆注溫度為1489°C;⑤模具在96(TC保溫5小時后油冷淬火，淬火油溫度控制在20~80。C;模具淬火后在250。C進行回火處理，回火保溫時間6小時，回火后空冷。模具鋼成分見表3，模具鋼力學(xué)性能見表4。<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表3模具鋼成分及其含量(重量％)<table>tableseeoriginaldocumentpage12</column></row><table>表4模具鋼力學(xué)性能實施例3用750公斤中頻感應(yīng)電爐熔煉含硼鑄造模具鋼，其制造工藝步驟是①將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合放入爐中加熱熔化，鋼水熔清后依次加入硅鐵和錳鐵；②爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1569°C,然后加入鋁脫氧和合金化，再依次加入鈦鐵和硼鐵，然后將鋼水溫度升至1603°C;③將稀土鎂合金和含氮鉻鐵破碎至粒度為6~10mm的小塊，經(jīng)150~180。C烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理；④將鋼水澆注成耐火制品模具，鋼水澆注溫度為1495°C;模具在IOO(TC保溫2小時后油冷淬火，淬火油溫度控制控制在20~80°C;模具淬火后在18(TC進行回火處理，回火保溫時間8小時，回火后爐冷。模具鋼成分見表5，模具鋼力學(xué)性能見表6。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>表5模具鋼成分及其含量(重量％)抗拉強度超過Mpa沖擊韌性J/cm2硬度HRC681.413.265.7表6模具鋼力學(xué)性能用本發(fā)明含硼鑄造模具鋼制作的耐火制品模具，用于耐火廠300噸壓磚機上壓制成型鎂磚，每套模具每次成型12000塊以上。每次修磨量僅為0.3~0.4mm,而以前使用滲碳鋼模具每次僅成型3000塊，每次修磨0.7~0.9,。高鉻鑄鐵模具每次成形9000塊左右，每次修磨O.4~0.5mm。使用本發(fā)明所提供的含硼鑄鋼模具，變形小，修磨量少，使用周期長，而且耐火制品表面質(zhì)量好，具有4艮好的經(jīng)濟和社會效益。權(quán)利要求1.一種含硼鑄造模具鋼，其特征在于，含硼鑄造模具鋼的化學(xué)成分及其重量百分比為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％，余量為Fe。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種含硼鑄造模具鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟①將廢鋼、鉻鐵、生鐵、硅鐵、錳鐵、鋁、鈦鐵、硼鐵、稀土鎂合金和含氮鉻鐵，按目標產(chǎn)物中化學(xué)成分重量百分比進行備料，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°/。，余量為Fe;②將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合后放入電爐中加熱熔化，鋼水熔清后依次加入硅鐵和錳鐵；③爐前調(diào)整成分合格后將溫度升至1550~1580°C，然后加入鋁脫氧和合金化，再依次加入鈦鐵和硼鐵，然后將鋼水溫度升至15901620。C;④將稀土鎂合金和含氮鉻鐵破碎至粒度為6~10mm的小塊，經(jīng)150~180。C烘干后，置于澆包底部，用包內(nèi)沖入法對步驟③中的鋼水進行復(fù)合變質(zhì)處理；⑤將復(fù)合變質(zhì)處理后的鋼水澆注成耐火制品模具，鋼水澆注溫度為1480~150(TC;⑥將步驟⑤得到的模具在950100(TC保溫2~5小時后油冷淬火，淬火油溫度控制在20~80°C;⑦將淬火后的才莫具在180250。C進行回火處理，回火保溫時間6~8小時，回火后爐冷或空冷，制得含硼鑄il^莫具鋼。全文摘要含硼鑄造模具鋼及其制備方法屬于模具
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明含硼鑄造模具鋼化學(xué)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，余量為Fe。本發(fā)明將鋼水熔煉后澆注成模具，再于950～1000℃保溫2～5h后油冷淬火，并在180～250℃進行回火處理6～8h，制得含硼鑄造模具鋼。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有強度和硬度高，韌性和耐磨性好，成本低等優(yōu)點。文檔編號C22C38/32GK101260499SQ20081010499公開日2008年9月10日申請日期2008年4月25日優(yōu)先權(quán)日2008年4月25日發(fā)明者宋緒丁,成小樂,符寒光,邢建東,雷永平申請人:北京工業(yè)大學(xué)