1.本发明属于铝合金挤压成型材料制备技术领域，具体涉及一种自润滑铝合金挤压模具型材，还涉及该自润滑铝合金挤压模具型材的制备方法。


背景技术：

2.铝合金的挤压一般要把铝合金加热到510℃，然后利用铝合金模具对其进行挤压获得所需形状的铝合金型材。为了保证在铝合金挤压过程中，合金的温度不下降，一般需要提前把铝合金挤压模具放在温度为550℃的加热炉中长时间加热保温，以保证铝合金型材挤压模具装上挤压机后，其温度不低于510℃，这样才能保证铝合金进入到挤压模具时的温度不下降，进而保证铝合金良好的挤压成型效果。而在型材的挤压过程中，因型材与模具间存在极大的摩擦力以及挤压过程中对模具产生的极大压应力，因此为保证铝合金挤压模具长寿命的服役，对铝合金挤压模具提出的性能要求是：在挤压工作温度510℃下保持硬度值不低于hrc45(即模具高温下的硬度要高)，以保证模具高温下具有优良的耐磨性和抗应力变形的能力；同时还要求模具与铝合金之间的摩擦系数要小。另外，因为在铝合金的挤压成型过程中，铝合金外表面与模具内腔壁在挤压力的作用下，会产生紧密接触，甚至咬合，因此要求模具与铝合金的互溶性要小，防止铝合金与模具之间相互擦伤、粘着和发生高温下的互扩散与反应等。
3.现有的铝合金挤压模具材料一般是沿用了钢的热挤压模具用材料，即常在cr系、w系和钼系的热挤压模具钢中选择，尤其以cr热作模具钢应用更为普遍。这一类模具材料因有大量cr、mo和v的碳化物弥散均匀分布，实现了钢中稳定的中强碳化物的弥散强化，因而具有优良的红硬性、高温下良好的耐磨性和抗变形能力。但是这一类模具材料因为fe与al在高温下易发生粘着、扩散和反应等，使得模具工作一段时间后，在模具的挤压工作面粘着一层al，从而造成模具的过早失效。因此开发新的长寿命、高性能铝合金挤压模具材料对铝合金挤压生产具有重要意义。
4.石墨呈片状结构，因而是一种优良的自润滑材料。同时石墨与al不润湿，即使在高温下，与al发生反应的速度也很慢，故石墨经常用作铝合金熔炼的坩埚材料。但是石墨本身的强度太低，不能用于制造铝合金挤压模具。现有一些包含石墨的材料，如通过粉末冶金方法制得的cu-c复合材料、灰口铸铁等，或因材料石墨粗大和分布不均匀而造成润滑性能不良，或因基体高温硬度与强度不足而无法满足铝合金挤压模具的性能要求，因而无法用于制造铝合金挤压模具。
5.基于上述分析，若是能开发出一种材料能保留石墨优良的润滑性能和与铝合金粘着性低，同时具有热挤压模具钢的高红硬性、高耐磨性，则用该材料制造的铝合金热挤压模具将具有高红硬性、高耐磨性、挤压铝合金时摩擦系数小、磨损量低、对铝合金粘着性低等特点，因此应用该材料制造的铝合金挤压模具将会具有使用性能优良、服役寿命长的特点，从而大大降低铝合金挤压的生产成本和提高铝合金挤压的生产效率，这对铝合金的挤压成型将具有重要意义。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种自润滑铝合金挤压模具型材，解决了现有铝合金模具型材表面质量差、摩擦系数大的问题。
7.本发明的另一目的是提供上述自润滑铝合金挤压模具型材的制备方法。
8.本发明所采用的技术方案是，一种自润滑铝合金挤压模具型材，按照质量百分数包括以下组分：3.2～3.6％c、3.0～3.6％si、0.04～0.06％mg
残留
，2.50～5.49％cr、0.50～2.5％mo、0.5～1.5％v、≤0.50％mn、0.5～0.8％ca、0.8～1.5％ba、≤0.08％p、≤0.025％s，其余为fe和不可避免的杂质。
9.本发明所采用的另一技术方案是，一种自润滑铝合金挤压模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
10.步骤1，按照自润滑铝合金挤压模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、孕育剂、球化剂、铬铁、钼铁、钒铁、硅铁；将废钢、生铁原料放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入铬铁、钼铁、钒铁、硅铁，使其熔化于铁水中；
11.步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入到浇包的铁水中；
12.步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出模具型材；
13.步骤4，对步骤3中获得的模具型材进行去应力退火，冷却；
14.步骤5，对完成去应力退火的模具型材进行淬火处理；
15.步骤6，对淬火后的模具型材进行3次回火处理，即可得到自润滑铝合金挤压模具型材。
16.本发明的特点还在于，
17.步骤1中，生铁原料为面包铁或高炉铁水；熔炼温度1550～1570℃，保温时间为3～5min；
18.步骤1中，孕育剂按照质量分数包括以下组分：8～10％ba，10～12％ca，0.010～0.015％bi，1～2％re，60～70％si，2.0～2.5％mn，其余为fe；孕育剂的质量占铁水总质量的0.6～1.0％；
19.球化剂按照质量分数包括以下组分：5.5～6.5％mg，1.5～2.5％re，4.0～5.0％si，1.5～2.5％ca，≤1.3％mn，≤0.5％al，≤0.4％ti，其余为fe；球化剂的质量占铁水总质量1.0～1.2％，且保证型材中残余mg含量为0.04～0.06％，稀土re含量为0.03～0.06％。
20.经步骤2后，铁水的组成成分为3.2～3.6％c、3.0～3.6％si、0.04～0.06％mg
残留
、2.50～5.49％cr、0.50～2.5％mo、0.5～1.5％v、≤0.50％mn、0.5～0.8％ca、0.8～1.5％％ba、≤0.08％p、≤0.025％s，其余为fe和不可避免的杂质。
21.步骤3中，连铸时的拉拔速度要保证每一包铁水在8min内完全拉拔成相应的型材；凝固后得到模具型材的厚度或直径不大于300mm，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球，石墨球在型材中的体积百分占比为10％。
22.步骤4中，去应力退火温度为450～500℃，退火时间为2～3小时，冷却方式为空冷。
23.步骤5中，淬火加热温度为1000-1050℃，淬火加热时间为型材有效厚度的3倍，淬火介质为油。
24.步骤6中，回火温度为550-580℃，每次回火时间为1h。
25.本发明的有益效果是：通过合金化且在型材的成型过程中施以适当的孕育和球化处理以及成型后合适的热处理等，以获得基体为热挤压模具钢，其中具有大量弥散分布的中强碳化物，以使其获得高的高温强度和硬度、高耐磨性；同时在型材中还分布大量尺寸细小和均匀的球形石墨，以使型材具有低摩擦系数和对铝合金的粘着性低，进而使型材满足铝合金挤压模具在工作中对模具型材提出的服役性能要求，从原理上解决现有的热挤压模具钢制备铝合金挤压模具存在的服役寿命短、工作中模具型腔内表面粘铝严重和挤压出的铝合金表面质量不高等难题，显著延长铝合金挤压模具的使用寿命和提高铝合金挤压型材的表面质量，降低铝合金挤压型材的生产成本，提高其生产效益，从而显著提高铝合金挤压型材生产技术的进步。
具体实施方式
26.下面结合具体实施方式对本发明进行详细说明。
27.本发明一种自润滑铝合金挤压模具型材，按照质量百分数包括以下组分：3.2～3.6％c、3.0～3.6％si、0.04～0.06％mg
残留
，2.50～5.49％cr、0.50～2.5％mo、0.5～1.5％v、≤0.50％mn、0.5～0.8％ca、0.8～1.5％ba、≤0.08％p、≤0.025％s，其余为fe和不可避免的杂质。其组织特点为：金属基体+大量、细小和均匀分布的全共晶球形石墨。金属基体是回火索氏体+球形碳化物。
28.本发明一种自润滑铝合金挤压模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
29.步骤1，按照自润滑铝合金挤压模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、孕育剂、球化剂、铬铁、钼铁、钒铁、硅铁；将废钢、生铁原料放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入铬铁、钼铁、钒铁、硅铁，使其熔化于铁水中；
30.生铁原料为面包铁或高炉铁水；
31.孕育剂按照质量分数包括以下组分：8～10％ba，10～12％ca，0.010～0.015％bi，1～2％re，60～70％si，2.0～2.5％mn，其余为fe；孕育剂的质量占铁水总质量的0.6～1.0％；
32.球化剂按照质量分数包括以下组分：5.5～6.5％mg，1.5～2.5％re，4.0～5.0％si，1.5～2.5％ca，≤1.3％mn，≤0.5％al，≤0.4％ti，其余为fe；球化剂的质量占铁水总质量1.0～1.2％，且保证型材中残余mg含量为0.04～0.06％，稀土re含量为0.03～0.06％；
33.熔炼温度为1550～1570℃，保温时间为3～5min；
34.步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入到浇包的铁水中；
35.经步骤2后，铁水的组成成分为3.2～3.6％c、3.0～3.6％si、0.04～0.06％mg
残留
、2.50～5.49％cr、0.50～2.5％mo、0.5～1.5％v、≤0.50％mn、0.5～0.8％ca、0.8～1.5％％ba、≤0.08％p、≤0.025％s，其余为fe和不可避免的杂质；
36.步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出模具型材；
37.连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在8min内完全拉拔成相应的型材；
38.凝固后得到模具型材的厚度或直径不大于300mm，其中心处的石墨球密度数不低
于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球，石墨球在型材中的占比约为10％(体积百分比)；
39.步骤4，对步骤3中获得的模具型材进行去应力退火；
40.去应力退火温度为450～500℃，退火时间为2～3小时，退火后的冷却方式为空冷。
41.步骤5，对完成去应力退火的模具型材进行淬火处理；
42.淬火加热温度为1000-1050℃，淬火加热时间为型材有效厚度(单位：mm)的3倍(单位：分钟)，淬火介质为油；
43.步骤6，对淬火后的模具型材进行3次回火处理，即可得到自润滑铝合金挤压模具型材；
44.回火温度为550-580℃，回火时间为1h；回火后得到模具型材硬度值不低于hrc50；
45.本发明提供一种高红硬性、高耐磨性、低摩擦系数和对铝粘着性低的自润滑铝合金挤压模具型材及其制备方法，通过采用合金化，且在型材的成型过程中施以适当的孕育和球化处理以及成型后合适的热处理等，控制型材中金相组织组成及其分布状态，以获得对于有效厚度或直径不大于300mm的模具型材，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球，石墨球在型材中的占比约为10％(体积百分比)；同时型材的金属基体具有热挤压模具钢经淬火+回火处理后得到的高红硬性、高耐磨性的金相组织，同时还有石墨具有的低摩擦系数、对铝合金的粘着性低和优良的自润滑性能，进而使得用该型材制备的铝合金挤压模具具有优异的使用性能和长的服役寿命，提高了铝合金型材的表面质量和降低铝合金挤压型材的生产成本。
46.本发明通过对铝合金模具材料的成分及其成型与热加工工艺的设计，制备出了一种基体为热挤压模具钢，并在金属基体中自生出细小、尺寸和空间分布的球形石墨的铝合金挤压模具用型材。该型材因为基体为热挤压模具钢，其中的cr、mo、v提高了马氏体分解温度，同时由于他们对应碳化物在高温回火时的弥散析出，故而型材具有高红硬性、高耐磨性；还因为其中还有尺寸细小、均匀的球形石墨，因而具有摩擦系数小、对铝的粘着性低和优良的自润滑性能等特点。用其制备的铝合金挤压模具将具有服役寿命长、挤压铝合金型材所需压力低和挤压出的铝合金型材表面质量高等优点，从原理上解决现有的热挤压模具钢制备铝合金挤压模具存在的服役寿命短、工作中模具型腔内表面粘铝严重和挤压出的铝合金表面质量不高等难题，对推进铝合金挤压型材的生产具有重要的技术进步意义。
47.实施例1
48.本发明一种自润滑铝合金挤压模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
49.步骤1，按照自润滑铝合金挤压模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、孕育剂、球化剂、铬铁、钼铁、钒铁、硅铁；将废钢、生铁原料放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入铬铁、钼铁、钒铁、硅铁，使其熔化于铁水中；
50.生铁原料为面包铁；
51.孕育剂按照质量分数包括以下组分：8％ba，10％ca，0.010％bi，1％re，60％si，2.0％mn，其余为fe；孕育剂的质量占铁水总质量的0.6％；
52.球化剂按照质量分数包括以下组分：5.5％mg，2.5％re，4.0％si，1.5％ca，≤1.3％mn，≤0.5％al，≤0.4％ti，其余为fe；球化剂的质量占铁水总质量1.0％，且保证型材中残余mg含量为0.04％，稀土re含量为0.06％；
53.熔炼温度1550℃，保温时间为5min；
54.步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入到浇包的铁水中；
55.经步骤2后，铁水的组成成分为3.2％c、3.0％si、0.04％mg
残留
、2.50％cr、0.50％mo、0.5％v、≤0.50％mn、0.5％ca、0.8％ba、≤0.08％p、≤0.025％s，其余为fe和不可避免的杂质；
56.步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出模具型材；
57.连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在8min内完全拉拔成相应的型材；
58.凝固后得到模具型材的厚度或直径不大于300mm，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球，石墨球在型材中的占比约为10％(体积百分比)；
59.步骤4，对步骤3中获得的模具型材进行去应力退火；
60.去应力退火温度为450℃，退火时间为3小时，退火后的冷却方式为空冷。
61.步骤5，对完成去应力退火的模具型材进行淬火处理；
62.淬火加热温度为1000℃，淬火加热时间为型材有效厚度(单位：mm)的3倍(单位：分钟)，淬火介质为油；
63.步骤6，对淬火后的模具型材进行3次回火处理，即可得到自润滑铝合金挤压模具型材；
64.回火温度为550℃，回火时间为1h；该实施实例获得的型材硬度值为hrc54，型材与al合金的摩擦系数为0.25。
65.实施例2
66.本发明一种自润滑铝合金挤压模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
67.步骤1，按照自润滑铝合金挤压模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、孕育剂、球化剂、铬铁、钼铁、钒铁、硅铁；将废钢、生铁原料放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入铬铁、钼铁、钒铁、硅铁，使其熔化于铁水中；
68.生铁原料为高炉铁水；
69.孕育剂按照质量分数包括以下组分：10％ba，12％ca，0.015％bi，2％re，70％si，2.5％mn，其余为fe；孕育剂的质量占铁水总质量的1.0％；
70.球化剂按照质量分数包括以下组分：6.5％mg，2.5％re，5.0％si，2.5％ca，≤1.3％mn，≤0.5％al，≤0.4％ti，其余为fe；球化剂的质量占铁水总质量1.2％，且保证型材中残余mg含量为0.06％，稀土re含量为0.06％；
71.熔炼温度1570℃，保温时间为3min；
72.步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入到浇包的铁水中；
73.经步骤2后，铁水的组成成分为3.6％c、3.6％si、0.06％mg
残留
、5.49％cr、2.5％mo、1.5％v、≤0.50％mn、0.8％ca、1.5％ba、≤0.08％p、≤0.025％s，其余为fe和不可避免的杂质；
74.步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，按照铁
型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出模具型材；
75.连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在8min内完全拉拔成相应的型材；
76.凝固后得到模具型材的厚度或直径不大于300mm，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球，石墨球在型材中的占比约为10％(体积百分比)；
77.步骤4，对步骤3中获得的模具型材进行去应力退火；
78.去应力退火温度为500℃，退火时间为3小时，退火后的冷却方式为空冷。
79.步骤5，对完成去应力退火的模具型材进行淬火处理；
80.淬火加热温度为1050℃，淬火加热时间为型材有效厚度(单位：mm)的3倍(单位：分钟)，淬火介质为油；
81.步骤6，对淬火后的模具型材进行3次回火处理，即可得到自润滑铝合金挤压模具型材；
82.回火温度为580℃，回火时间为1h；回火后得到模具型材硬度值为hrc50，型材与铝合金的摩擦系数为0.23。
83.实施例3
84.本发明一种自润滑铝合金挤压模具型材的制备方法，具体按照以下步骤实施：
85.步骤1，按照自润滑铝合金挤压模具型材的组分组成称取：废钢、生铁原料、孕育剂、球化剂、铬铁、钼铁、钒铁、硅铁；将废钢、生铁原料放入中频感应炉中加热熔炼成铁水，然后再加入铬铁、钼铁、钒铁、硅铁，使其熔化于铁水中；
86.生铁原料为高炉铁水；
87.孕育剂按照质量分数包括以下组分：9％ba，11％ca，0.012％bi，1.5％re，65％si，2.3％mn，其余为fe；孕育剂的质量占铁水总质量的0.8％；
88.球化剂按照质量分数包括以下组分：6.0％mg，2.0％re，4.5％si，2.0％ca，≤1.3％mn，≤0.5％al，≤0.4％ti，其余为fe；球化剂的质量占铁水总质量1.1％，且保证型材中残余mg含量为0.05％，稀土re含量为0.05％；
89.熔炼温度1560℃，保温时间为4min；
90.步骤2，将步骤1中熔炼的铁水倒入浇包，然后将球化剂和孕育剂分别采用喂丝孕育和球化的方式加入到浇包的铁水中；
91.经步骤2后，铁水的组成成分为3.4％c、3.3％si、0.056％mg
残留
、3％cr、2.0％mo、1％v、≤0.50％mn、0.6％ca、1.0％％ba、≤0.08％p、≤0.025％s，其余为fe和不可避免的杂质；
92.步骤3，将步骤2中完成孕育和球化的铁水倒入水平连铸装置的结晶炉中，按照铁型材水平连铸工艺规范实现铁水的凝固和连铸出模具型材；
93.连铸时的拉拔速度必须保证每一包铁水在8min内完全拉拔成相应的型材；
94.凝固后得到模具型材的厚度或直径不大于300mm，其中心处的石墨球密度数不低于500个/mm2，且均是共晶石墨球，无初生石墨球，石墨球在型材中的占比约为10％(体积百分比)；
95.步骤4，对步骤3中获得的模具型材进行去应力退火；
96.去应力退火温度为480℃，退火时间为2.5小时，退火后的冷却方式为空冷。
97.步骤5，对完成去应力退火的模具型材进行淬火处理；
98.淬火加热温度为1030℃，淬火加热时间为型材有效厚度(单位：mm)的3倍(单位：分钟)，淬火介质为油；
99.步骤6，对淬火后的模具型材进行3次回火处理，即可得到自润滑铝合金挤压模具型材；
100.回火温度为570℃，回火时间为1h；回火后得到模具型材硬度值为hrc52，与铝合金的摩擦系数为0.21。
101.经在铝合金挤压生产线上的实际测试，相较于传统h13铝合金挤压模具，该模具型材制造的模具用于铝合金型材挤压，因摩擦系数的降低和自润滑特性，挤压型材所需的挤压功率降低20％，铝合金型材的表面光洁度提高一个等级，模具表面粘al量较少70％，模具的寿命延长1.3倍。