專利名稱：一種用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨鑄鐵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鑄造材料技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨鑄鐵。
背景技術(shù)：
模具設(shè)計(jì)最根本原則是滿足使用目標(biāo)的要求，這些要求包括強(qiáng)度、韌性等主要力 學(xué)性能及其它相關(guān)的工藝性能。對(duì)于模具來(lái)說(shuō)，球墨鑄鐵與合金鋼和鑄鋼相比具有較高的 強(qiáng)韌性和耐磨性能，其綜合性能良好，同時(shí)由于其成本低廉也適于大批量生產(chǎn)。另外國(guó)內(nèi)外 也已有大型沖壓模具、曲軸等使用球墨鑄鐵材料的先例。專利公開(kāi)號(hào)為CN1506485名為“高 強(qiáng)度合金球墨鑄鐵曲軸新材料及其生產(chǎn)方法”的發(fā)明披露了一種高強(qiáng)度合金球墨鑄鐵曲 軸材料，其合金成分質(zhì)量百分比組成為C 3. 46 3. 76%、Si 2. 04 2. 22%、Mn 0. 49 0. 66%,P < 0. 05,S < 0. 033,Cu 0. 34 0. 46%、Mo 0.12 0. 19%,Re 0. 022 0. 041 %、 Mg 0. 025 0. 052%、Sn 0. 04 0. 05%、Ba 0.03 0.05%。經(jīng)過(guò)合金化處理，其抗拉強(qiáng) 度可達(dá)到900Mpa以上，且延伸率也可達(dá)到5%以上。由于在不同的應(yīng)用背景下模具的服役條件不同和失效機(jī)制都有所不同，所以了解 和認(rèn)識(shí)所設(shè)計(jì)模具的使用要求和相應(yīng)的使用環(huán)境是十分重要的。除此以外，還應(yīng)考慮到設(shè) 計(jì)材料應(yīng)易于制造成成品和半成品，生產(chǎn)成本較低。同時(shí)既要達(dá)到使用要求的性能，又要保 證材料在使用環(huán)境中的物理和化學(xué)性能不改變。一般認(rèn)為，鑄件壁厚IOOmm以上的球墨鑄鐵件稱為大斷面球墨鑄鐵件。大斷面球 墨鑄鐵件尺寸大，重量大，壁厚大，鑄造時(shí)的熱容量大，凝固緩慢，極易造成球化衰退與孕育 衰退，從而導(dǎo)致鑄件的組織發(fā)生變化，該現(xiàn)象在鑄件的心部更加嚴(yán)重。主要表現(xiàn)為石墨球粗 大，石墨球數(shù)量減少，石墨漂浮，以及石墨球產(chǎn)生畸變而形成各種非球狀石墨，主要有偽片 狀、蠕蟲(chóng)狀，爆裂狀和碎塊狀。同時(shí)由于凝固時(shí)溶質(zhì)元素的再分配，還會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的元素偏 析及晶間碳化物、反白口等一系列問(wèn)題，其結(jié)果使得球墨鑄鐵的力學(xué)性能變差，特別是伸長(zhǎng) 率和塑性明顯降低，從而制約了大斷面球墨鑄鐵的推廣使用。

發(fā)明內(nèi)容
球墨鑄鐵的性能主要受控于材料的成分和顯微組織、雜質(zhì)、缺陷、表面組織及應(yīng)力 狀態(tài)等。成分是決定組織的主要因素之一，成分通過(guò)組織間接影響材料的性能。本發(fā)明的 目的是通過(guò)合理的成分設(shè)計(jì)提供一種適用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨鑄鐵，該球墨鑄鐵具 有高強(qiáng)度，高硬度和較好的延伸率。經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，斷面硬度均勻，組織均勻，能滿足壁厚 大于200mm的大斷面模具的的實(shí)際使用工況要求。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為針對(duì)厚壁件的力學(xué)性能要求，通過(guò)調(diào)整球墨鑄鐵中C、Si、 Mn、Cu、Mo、Ni等元素的添加量，使得球墨鑄鐵材料的鑄態(tài)機(jī)械性能達(dá)到σ b ^ 750Mpa, O0 2^ 520MPa, δ彡3 %，布式硬度190 MO。經(jīng)過(guò)正火、調(diào)質(zhì)處理后其機(jī)械性能達(dá)到 σ b ^ IOOOMpa, Q0 2^ 900MPa, δ彡2%，布式硬度洸0 300。其主要原理如下C和Si是對(duì)球墨鑄鐵的力學(xué)性能和鑄造性能影響最大的兩個(gè)元素。球墨鑄鐵的碳當(dāng)量(w(C)) —般為共晶或稍高于共晶成分，這樣可有利于球化并防止白口。增加碳當(dāng) 量，則可以增加球墨鑄鐵鑄態(tài)鐵素體量，從而增加韌性。含碳量高，析出球墨個(gè)數(shù)增多，球徑 小，圓球度好，同時(shí)球化劑吸收率也高。提高含碳量，還可減少縮松和縮孔，使鑄件致密。一 般碳當(dāng)量選擇4. 4. 3%較為適宜，生產(chǎn)過(guò)程中一般控制W(C)在3. 4% 3.7%。在 600mmX 1500mm大斷面球墨鑄鐵件試制過(guò)程中，選擇w(C)為3. 5% 3. 7%，也取得了良好 的效果(主要參考文獻(xiàn)蔣云峰，張香杰，陳祥坤，大斷面高伸長(zhǎng)率球墨鑄鐵的熔煉，鑄造， 2004，(2) :35 37;吳肇麒，狄衛(wèi)兵，600X 1500mm大斷面球墨鑄鐵件的試制，熱加工工藝， 1997，(4) 6)。適當(dāng)提高Si含量，可使珠光體減少，鑄態(tài)強(qiáng)度和硬度降低，塑性增高。此外硅可溶 于鐵素體中，能起強(qiáng)化作用。但含硅量超過(guò)3%時(shí)，會(huì)使球墨鑄鐵的塑性下降，脆性增高。球 墨鑄鐵的含硅量取決于鑄件的壁厚和對(duì)金屬基體組織的要求。為了防止石墨飄浮，該鑄件 的含硅量應(yīng)該低一些。在總的含硅量不變的情況下，若能將較多的硅在孕育時(shí)加入鐵水，則 可使石墨細(xì)化并提高圓球度，也可使球墨鑄鐵的鑄造性能和力學(xué)性能有較大的改善，多數(shù) 研究認(rèn)為厚大斷面球鐵中，硅的質(zhì)量百分比應(yīng)限制在1. 8% 2. 2% (主要參考文獻(xiàn)李小 娟，時(shí)勝利，付永晟，大斷面球墨鑄鐵件的質(zhì)量控制措施，鑄造技術(shù)，2007，28 (10) 1383 1385 ；陳冰廷，賈秀梅，朱永恒，鄭蕾，具有厚大斷面的大型球墨鑄鐵鑄件的生產(chǎn)，萊鋼科 技，2007,129 :58 60 ;ItofujiH, et al, Production and evaluation of heavy section ductile cast-iron, Transactions of AFS,1990 :595)。Mn是阻礙石墨化的元素，共析轉(zhuǎn)變時(shí)可穩(wěn)定和細(xì)化珠光體。對(duì)于鐵素體球墨鑄鐵， 含錳量高時(shí)，在晶界附近的殘余珠光體不易消除，所以高韌性球墨鑄鐵要獲得鐵素體基體 和較高的延伸率，過(guò)高的含錳量是不允許的。一般在厚大斷面球鐵中錳的質(zhì)量百分比應(yīng)控 制在0. 0.4%，鐵素體球墨鑄鐵取下限，珠光體球墨鑄鐵取上限(主要參考文獻(xiàn)陳冰 廷，賈秀梅，朱永恒，鄭蕾，具有厚大斷面的大型球墨鑄鐵鑄件的生產(chǎn)，萊鋼科技，2007，129 58 60)。Cu元素是通過(guò)促進(jìn)珠光體的生成和強(qiáng)化金屬基體來(lái)影響球墨鑄鐵機(jī)械性能的。加 入少量Cu，珠光體數(shù)量顯著增加，抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和硬度皆隨之明顯提高，而延伸率顯 著下降。銅含量超過(guò)0. 5wt%時(shí)，基體實(shí)際上大部分為珠光體，強(qiáng)度指標(biāo)、硬度繼續(xù)上升，延 伸率不再下降。Cu對(duì)石墨球的均勻性及球化率有不利的影響(主要參考文獻(xiàn)朱先勇，杜 軍，劉耀輝，CuCrMoNi多元低合金化對(duì)鑄鐵組織和性能的影響，汽車工藝與材料，2003，01 18 20)。 Mo對(duì)球墨鑄鋼的抗拉強(qiáng)度有顯著的的提高作用。Mo的質(zhì)量百分比達(dá)0. 3 %時(shí)可使 Rb增加IOOMPa左右，使Rb達(dá)950M Pa以上。Mo的質(zhì)量百分比超過(guò)0. 3%以后，繼續(xù)增加 Mo量對(duì)Rb的提高作用不大，這不僅在于增幅有限，而且在于其使塑性明顯下降。Mo還能明 顯地降低球墨鑄鐵組織的石墨化程度。這是因?yàn)殡S著Mo量的增加，石墨球數(shù)量減少，球徑 變小，甚至出現(xiàn)點(diǎn)狀石墨。在石墨體積百分比下降的同時(shí)，組織中滲碳體的體積百分比顯著 上升。有關(guān)研究表明，質(zhì)量百分比為0. 6%的Mo使石墨體積百分比下降4. 8%左右，滲碳體 體積百分比增加5. 6%左右。(主要參考文獻(xiàn)楊殿魁，梁文心，董天鵬，合金元素對(duì)球墨鑄 鋼的組織和性能的影響，鋼鐵研究學(xué)報(bào)，2004，16(2) 56 62)。 Ni具有增強(qiáng)球墨鑄鐵組織的石墨化程度、有效地平衡反石墨化元素的作用。有關(guān)試驗(yàn)表明了 Ni的顯著作用，比如，在Mo的質(zhì)量百分比為0.3%時(shí)，Ni的質(zhì)量百分比由0% 增加到1. 5%，石墨體積百分比由7. 36%上升至15. 25%，碳化物體積百分比由4. 91%下降 到1.67% ；Ni還對(duì)球墨鑄鐵的沖擊韌性有較大改善。Ni的這些作用應(yīng)歸結(jié)于其促進(jìn)石墨 化，減少組織中滲碳體含量，它可以抵消Mo對(duì)石墨組織的不利影響，使石墨球趨于均勻和 圓整。(主要參考文獻(xiàn)郭新立，劉治國(guó)，劉俊明，孟祥康，Ni在球墨鑄鐵中的行為及作用，材 料研究學(xué)報(bào)，1995，9 (4) 289 293)用鎂、鈣、稀土等元素作球化劑處理鐵水生產(chǎn)球墨鑄鐵，主要有兩大系列一類是 鎂球化系列，包括工業(yè)純鎂，鎂合金如硅鐵鎂合金，鎳鎂、銅鎂合金、鎂焦或鎂鹽等。另一系 列是稀土鎂系列，包括輕稀土鎂和重稀土鎂球化劑等。Mg使球墨圓整，對(duì)大斷面球鐵能減緩球化衰退，Mg阻礙石墨析出，殘Mg量高，增加 收縮和脆性，Mg易氧化，在鐵水表面形成氧化膜，進(jìn)入砂型易使鑄件產(chǎn)生夾渣和皮下氣孔。 殘Mg量應(yīng)控制在保證球化的前提下越低越好，但我們考慮到大件凝固時(shí)間長(zhǎng)，應(yīng)提高抗衰 退能力，Mg量應(yīng)高些，使最終鐵液中鎂含量控制在0. 02% 0. 05%。Re是通過(guò)抵消干擾元素的有害作用，而間接地起球化作用的元素，但在厚大鑄件 中，Re殘留量高容易造成碎塊狀石墨增多，我們一般控制在0. 07%以下。(主要參考文獻(xiàn) 王萬(wàn)超，厚大斷面鑄件專用球化劑、孕育劑的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2006中國(guó)鑄造活動(dòng)周論文集， 2006 272 274)S屬于表面活化物質(zhì)，它能吸附于正在生長(zhǎng)的石墨晶核表面，一是阻礙了碳原子由 鐵液內(nèi)部向表面擴(kuò)散，從而阻礙石墨析出；二是促使石墨沿基面方向(0001)生長(zhǎng)(片狀)， 使石墨形狀變壞。研究表明，鐵液中只有當(dāng)S的質(zhì)量百分比< 0. 03%時(shí)，石墨才具有成球的 條件。同時(shí)，S易引起熱脆現(xiàn)象。S以!^eS的形式溶解于鐵液之中，在凝固過(guò)程中，濃集于晶 界處，形成低熔點(diǎn)共晶Fe-FeS (熔點(diǎn)為985°C )和Fe-Fe3C-FeS (熔點(diǎn)為975°C )，削弱了晶 粒間結(jié)合力，引起鑄鐵脆性開(kāi)裂缺陷，即熱脆現(xiàn)象。(主要參考文獻(xiàn)王賢濤，球墨鑄鐵中硫 的影響、來(lái)源及含硫量的控制，鑄造，2004 (7) 53 54)。因此發(fā)明人以上述理論依據(jù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)發(fā)明了適用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨 鑄鐵成分。其質(zhì)量百分比成分為C 3. 20 3. 50%;Si 1.90 2. 20%;Mn 0.20 0.50%;Cu 0.40 0.60%;Mo 0.40 0.80%;Ni 0.60 0.80%;P ^ 0. 06% ；S ^ 0. 03% ；Mg 0.02 0.05%;Re ^ 0. 07% ；余量為!^e和不可避免的雜質(zhì)。優(yōu)選地，所述用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨鑄鐵，其質(zhì)量百分比組成為C 3. 20 3. 36%;
Si2.01 2.19% ；
Mn0.36 0.47% ；
Cu0.43 0.59% ；
Mo0.43 0.80% ；
Ni0.67 )0.73% ；
P≤0. 05%
S≤ 0. 004% ；
Mg0.025 0 046%
Re0.017 0 022%。本發(fā)明涉及的球墨鑄鐵通過(guò)配料，電爐冶煉，孕育和球化過(guò)程，砂型鑄造，調(diào)質(zhì)處 理制得。其生產(chǎn)工藝為1、按照上述設(shè)計(jì)成分，用鑄造生鐵和其他各種所需的合金進(jìn)行冶煉配料。2、將配料投入電爐冶煉。3、把熔煉好的鐵水進(jìn)行孕育、球化，澆入事先準(zhǔn)備好的砂型中成型冷卻。4、將鑄態(tài)試件進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，得到所需的球墨鑄鐵材料。本發(fā)明由于采用了以上技術(shù)方案，使之與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效 果該球墨鑄鐵材料，其鑄態(tài)機(jī)械性能為σ b ^ 750Mpa, σ α2 ^ 520MPa, δ ^ 3%，布式硬度 190 Μ0。經(jīng)過(guò)正火、調(diào)質(zhì)處理后其機(jī)械性能為σ b彡IOOOMpa, σ α2彡900MPa, δ ^2%, 布式硬度260 300。該材料具有高強(qiáng)度，高硬度和較好的延伸率。用于大斷面模具時(shí)，經(jīng) 過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，斷面硬度均勻，組織均勻，能滿足壁厚大于200mm的大斷面模具的的實(shí)際使 用工況要求。


圖1為本發(fā)明高強(qiáng)度球墨鑄鐵材料的正火工藝。圖2為本發(fā)明高強(qiáng)度球墨鑄鐵材料的調(diào)質(zhì)工藝。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1-4表1實(shí)施例1-4對(duì)應(yīng)的高強(qiáng)度球墨鑄鐵除余量！^以外的成分質(zhì)量百分比
權(quán)利要求
1.一種用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨鑄鐵，其特征在于質(zhì)量百分比組成為 C 3. 20 3. 50% ；Si 1. 90 2. 20% ；Mn 0. 20 0. 50% ；Cu 0.40 0.60%;Mo 0.40 0.80%;Ni 0. 60 0. 80% ；P 彡 0. 06% ；S 彡 0. 03% ；Mg 0. 02 0. 05% ；Re 彡 0. 07% ；余量為Fe和不可避免的雜質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨鑄鐵，其特征在于質(zhì)量百分比組 成為C 3. 20 3. 36% ； Si 2. 01 2. 19% ； Mn 0. 36 0. 47% ； Cu 0. 43 0. 59% ； Mo 0. 43 0. 80% ； Ni 0. 67 0. 73% ； P 彡 0. 05% ； S 彡 0. 004% ； Mg 0. 025 0. 046% ； Re 0. 017 0. 022%。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種用于厚壁件模具的高強(qiáng)度球墨鑄鐵，其主要質(zhì)量百分比組成為C 3.20～3.50％；Si 1.90～2.20％；Mn 0.20～0.50％；Cu 0.40～0.60％；Mo 0.40～0.80％；Ni 0.60～0.80％；P≤0.06％；S≤0.03％；Mg 0.02～0.05％；Re≤0.07％；余量為Fe和其他不可避免的雜質(zhì)。本發(fā)明可使球墨鑄鐵的鑄態(tài)機(jī)械性能達(dá)到σb≥750MPa，σ0.2≥520MPa，δ≥3％，布式硬度190～240。經(jīng)過(guò)正火、調(diào)質(zhì)處理后其機(jī)械性能為σb≥1000MPa，σ0.2≥900MPa，δ≥2％，布式硬度260～300。該材料具有高強(qiáng)度，高硬度和較好的延伸率。用于大斷面模具時(shí)，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，斷面硬度均勻，組織均勻，能滿足壁厚大于200mm的大斷面模具的的實(shí)際使用工況要求。
文檔編號(hào)C22C37/10GK102127673SQ201010022650
公開(kāi)日2011年7月20日 申請(qǐng)日期2010年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月12日
發(fā)明者張恒, 溫宏權(quán), 王以春 申請(qǐng)人:上海寶鋼鑄造有限公司, 寶山鋼鐵股份有限公司