一種高韌性含硼模具鋼及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于鋼鐵材料技術領域，涉及一種鑄造耐磨模具鋼及其制備方法，特別是一種高韌性含硼模具鋼及其制造方法。
【背景技術】
[0002]現代科技的發展對材料的要求越來越高，磨損是礦山、冶金、機械、電力、煤炭、石油、建材、交通等工業部門普遍存在并成為引起設備損壞或材料失效和能源消耗的一個重要原因，也是機械零件三種主要的失效形式之一，研究和發展新一代耐磨材料，減少金屬磨損，對國民經濟具有重要的意義。目前廣泛應用的金屬耐磨材料主要有合金鋼和鑄鐵基耐磨材料，前者韌性好，但存在硬度低和耐磨性差的不足。鐵基耐磨材料可分為兩大類，一類是組織中含有大量地、粗大地、高硬度地硬質相(多5%vol.);另一類是組織中沒有或只含有少量地硬質相。由于硬質相的耐磨性高于基體，所以硬質相自然成為耐磨材料的耐磨骨架。傳統的白口鑄鐵是這一類耐磨材料的典型代表。在白口鑄鐵中，組織中含有約10% vol.的M3C型或M7C型碳化物。因為M3C型或M7C型碳化物具有高硬度，因而，白口鑄鐵具有高耐磨性。在鐵基耐磨材料中，目前發現的可以作為耐磨骨架的硬質相主要有兩大類，一類為碳化物；另一類為硼化物。目前，人們對以碳化物作為耐磨骨架的鐵基耐磨材料研究的較多，而對于以具有更高硬度的硼化物作為耐磨骨架的鐵基耐磨材料卻研究的很少。由于白口鑄鐵具有高硬度和高耐磨性，因而目前在金屬耐磨材料領域仍然大量使用該類材料，但該類材料存在脆性大，使用中易剝落甚至開裂的不足，因而無法滿足現代工業發展對高性能耐磨材料的要求。因此，開發生產工藝簡單、生產成本低廉、強度和韌性高、淬透性和淬硬性好的新一代鋼鐵耐磨材料，在磨料磨損工況下取代目前廣泛使用的普通耐磨材料，無疑具有十分重要的意義。
[0003]為提高金屬耐磨材料的抗磨性能，滿足應用要求，近年來，國內外開展了大量的研究，開發出了大量的新型高性能耐磨材料。中國發明專利CN1039267公開了一種耐磨高鉻鑄鐵的組成及其制備工藝，該材料的化學成分(按重量百分比)為: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%，其余為鐵。該耐磨高鉻鑄鐵與普通耐磨材料相比，具有耐磨損，機械性能好，熱處理工藝簡單，能耗低等優點，適合于制作工作環境苛刻的耐磨零部件。但該種耐磨鑄鐵中含有較多的釩、鉬等合金元素，生產成本高，且還存在著高溫熱處理時易開裂，材料的脆性大，使用中易剝落甚至開裂等不足。為了提高高鉻白口鑄鐵的韌性，中國發明專利CN1115339公開了鉻系白口鑄鐵復合孕育劑，該孕育劑選用對鉻系白口鑄鐵凝固起孕育作用的C、Cr、Fe三元素的同時，通過添加S1、Mg、RE合金元素，以改變第二相形態和分布，起到對金屬熔體的變質作用，在工藝上采用了孕育與變質相結合的技術路線。采用該發明可以使鉻系白口鑄鐵的沖擊功達到4.5J，使沖擊韌性提高60%，斷裂韌性達到32MPa.m1 z 2，提高30%，抗拉強度達到668MPa。但該材料的脆性仍然較大，在重載、沖擊磨損工況下使用，安全可靠性較低。
[0004]硼是我國富產元素，總貯量占世界第五位。大量研究表明，在鋼中加入適量硼，通過調節合金中硼含量和碳含量可以實現對硼化物體積百分數及基體含碳量的控制，使材料具有優異的耐磨性和強韌性。在白口鑄鐵中加入微量硼還可以細化共晶碳化物，改善碳化物的形態和分布，提高白口鑄鐵力學性能。在工程應用中已經證實，硼加入結構鋼中可以代替一部分或全部鎳、鉻、錳、鉬等，在汽車工業中用硼鋼代替40Cr鋼，其使用壽命不低于鉻鋼。開發以硼為主要合金元素的金屬耐磨材料，使其具有良好的淬硬性和淬透性，貴重合金元素加入量少，生產成本低廉，熔煉工藝簡單，成形性好，無污染，同時采用金屬熔體凈化和變質處理工藝，改善含硼合金材料的組織形態，使其具有良好的強韌性和耐磨性，在耐磨材料領域將具有廣泛的應用前景。為此中國發明專利CN1624180公開了一種高硼鑄造鐵基耐磨合金及其熱處理方法，該高硼鑄造鐵基耐磨合金的主要化學成分(重量％)為: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%，其余為Fe。該合金經熱處理后可以獲得板條狀馬氏體加高硬度硼化物組成的復合組織，使材料具有較好的綜合性能，但硼化物呈連續網狀分布，使材料的脆性較大。為提高高硼合金韌性，國內外進行了大量的研究。中國發明專利CN1804091公開了鑄造高硼耐磨合金的韌化方法，該方法是將化學成分為: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%，其余為Fe、Ti和不可避免的雜質元素，其中Ti是由變質劑鈦鐵帶入的。其韌化方法為:先將鋼液熔煉并用鋁脫氧后，加入變質劑鈦鐵合金進行變質處理，待化清扒渣后進行澆注，澆注完成后進行韌化熱處理，韌化熱處理溫度為1020°C?1050°C，保溫時間為2?3小時，然后進行淬火或正火，最后回火:變質劑鈦鐵合金用量為鑄造高硼耐磨合金的0.75?1.0%。經韌化處理后的砂型鑄造高硼耐磨合金的共晶硼化物呈孤立狀分布在基體中。由于該工藝沒有將硼化物變成顆粒狀，僅僅是大塊狀分布，因此仍然存在材料的脆性大，韌性不太高，僅為12.5J，無法滿足在重載、沖擊磨損工況下的安全使用。
[0005]前蘇聯專利號SU1，447，926公開的一種“高強度和高沖擊韌性高硼合金制造方法”，該高硼合金的化學成分為: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，該合金組成中含有較多的銻，將顯著增加高硼合金的生產成本，且含硼量較高，合金組織中硼化物數量增加，不利于高硼合金韌性的改善。
[0006]為提高高鉻鑄鐵的耐磨性能，降低高鉻鑄鐵的生產成本，日本專利JP3150334-A、JP93041691-B公開了一種含硼高鉻鑄鐵，其主要化學成分為: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，該高硼高鉻鑄鐵經過950?1100°C正火和200?500°C回火后，硬度達到62HRC以上，沖擊強度超過
0.23。由于硼含量較少，為了提高淬透性，因此在合金中加入了 0.5?2.0%Mo，且含鉻量較高，增加了生產成本。
[0007]為降低生產成本，提高高鉻鑄鐵的性能，中國發明專利CN101260497A公開了含硼高鉻耐磨鑄鐵及其制造方法，其特征在于含硼高鉻耐磨鑄鐵的化學成分為(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%，其余為 Fe，且 0.05% 彡 La+Ce 彡 0.10%，6.0 ^ Cr+C ^ 8.00該硼高鉻耐磨鑄鐵的制造方法為:將廢鋼、鉻鐵和生鐵混合放入爐中加熱熔化，鐵水熔清后加入硅鐵和錳鐵調整成分合格后將溫度升至1560?1600°C，加入硅鈣合金預脫氧，預脫氧I?2分鐘后，加入鋁終脫氧，終脫氧I?2分鐘后，加入鈦鐵，鈦鐵加入I?2分鐘后，加入硼鐵，硼鐵加入I?2分鐘后出爐；將鋇硅合金、鍶硅合金、鋁、鈦鐵、硼鐵和鑭鈰混合稀土破碎至粒度為4?1mm的小塊，經150?180°C烘干后，置于澆包底部，用包內沖入法對鐵水進行變質處理，然后將變質處理后的鐵水溫度在1420?1480°C澆注成鑄件；將所澆注的鑄件在980?1050°C經4?6小時保溫后進行正火處理，然后在250?500°C進行回火處理，回火保溫時間8?10小時，制得含硼高鉻耐磨鑄鐵。該發明與已有技術相比具有以下優點:①采用廉價硼取代昂貴的鉬、鎳等合金元素，改善高鉻鑄鐵的淬透性，降低高鉻鑄鐵生產成本30?50%。②采用鑭鈰混合稀土、鈦、鈣、鍶、鋇、鋁等元素細化凝固組織，減輕元素偏析，改善碳化物形態和分布，提高含硼高鉻耐磨鑄鐵的強度和韌性，其中抗拉強度超過580MPa，沖擊韌性大于1J / cm2，硬度大于62HRC。③采用硅-鈣合金脫氧，鋁終脫氧，同時采用鈦固定鐵液中的氮，穩定并提高了硼元素的收的率，硼的收的率大于92%，比普