[0001]
本发明属于模具钢技术领域，具体是一种模具钢及其制备方法。
背景技术：
[0002]
高硬度(≥50-53hrc)扁丝在冷轧过程中对模具有较大的切应力及压应力，极易造成轧辊的崩口、开裂以及早期不耐磨，因此要求制造轧辊的材料硬度至少≥63hrc，最优应≥65hrc；在高硬度的同时应有高韧性。针对上述情况，目前异形扁丝轧辊主要使用硬质合金制备和cr8冷作模具钢，硬质合金制备的扁丝轧辊在保证高硬度72hrc的同时兼具较好的韧性。但硬质合金成本高，给客户带来的成本压力巨大。市面上cr8冷作模具钢制备的扁丝轧辊因自身碳含量及合金含量的限制，在保证轧辊使用韧性的前提下硬度最高达到63hrc，难以满足工况的使用要求，寿命极低。
技术实现要素：
[0003]
为解决硬质合金轧辊在使用过程中成本高，普通cr8模具钢寿命低的缺点，本发明提供一种模具钢，具有高硬度，高耐磨，淬火后极易得到高硬度，使用成本较低。
[0004]
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0005]
一种模具钢,化学组分按质量百分比计包括：1.10-1.15％c，1.00-1.30％si，0.25-0.40％mn，至多0.025％p，至多0.025％s，7.50-8.00％cr，1.50-1.70％mo，1.10-1.30％w，2.30-2.50％v，≤0.05％n，≤0.30％ni，≤0.30％co，re0.08-0.1％。
[0006]
本发明通过提高c含量v含量加入w元素控制n元素加入稀土孕育，综合考虑不同元素碳化物在淬火过程中溶入奥氏体的规律与其细化晶粒的作用，采用专用工艺制备，具有高硬度，高耐磨，淬火后极易得到高硬度，使用成本较低。
[0007]
c元素的作用，c元素是碳化物的组成元素之一，部分元素固溶于基体，提高基体强度。c元素含量不高于1.15％，以保证钢水在凝固过程中vc不产生长大；c元素不低于1.10％，以保证热处理后达到合适的硬度。
[0008]
w元素的作用，w元素是中碳化物形成元素，与碳元素形成m6c碳化物，该碳化物阻止晶粒的长大，提高钢的高温硬度及耐磨性；w元素含量不高于1.30％；以保证钢水在凝固过程中少产生m6c骨骼状的莱氏体组织，防止后期热加工难以破碎，影响钢的塑性；w元素不低于1.10％，以保证形成足够的碳化物，提高钢的耐磨性。
[0009]
mo元素的作用，mo元素是中碳化物形成元素，在非平衡冷却情况下，mo元素形成的碳化物发生相变，产生亚稳态的m2c碳化物，呈片状的、扇形分布的m2c在凝固后冷却后进行锻造加热、保温时分解为细小的m6c+mc，并使其易于分布均匀，增加钢的韧性并提高其热塑性；提高碳化物的稳定性以及钢的强度耐磨性。
[0010]
cr元素的作用，cr元素不低于7.50％以保证极大减少珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度，促进了碳化物的析出，提高钢的强度与硬度，减缓奥氏体分解速率，显著提高钢的淬透性；cr元素不高于8.00％以保证大颗粒m
23
c6碳化物的含量小于26％，以保
证钢的韧性，防止使用过程中崩刃。
[0011]
v元素的作用，v元素是强碳化物形成元素，在钢中与c元素结合形成高硬度、高强度的mc碳化物，是钢耐磨性的决定性组织因素。溶解的v元素能大大加强钢的二次硬化，而保留的碳化物vc则可大大增加钢的耐磨性。但高的v元素含量又在一定程度上降低了产品的可加工性，也易在刀具使用过程中产生崩刃。因此本发明设计v元素的含量为2.30～2.50％；v元素的含量不低于2.30％，以保证能够形成足够数量的mc碳化物，当v的含量低于2.30％时，mc碳化物的数量相应减少，使钢的耐磨性和切削性能降低；v的最大含量不高于2.50％，以保证钢的可加工性以及抗崩刃能力。
[0012]
si元素强化铁素体，增强钢热处理的二次硬化能力，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性；本发明si控制在1.00-1.30％。
[0013]
mn元素使得切削容易碎断，有利于提高加工表面的质量；s是非金属夹杂物形成元素，为改善消除s与fe等其它元素形成低熔点非金属夹杂的危害，控制适量mn与s形成mns，但mns在压延方向延伸分布，使压延方向的韧性降低，s含量越低越好，本发明要求s≤0.025％，mn控制在0.25-0.40％。
[0014]
co元素和铁形成连续固溶体，co在使用过程中阻抑、延缓其他元素碳化物的析出和聚集，明显提升钢的热强性和高温硬度；本发明，co控制在≤0.30％。
[0015]
ni元素和铁无限固溶，扩大铁的奥氏体区，降低a3点，稳定奥氏体，降低各元素的扩散速率，提高淬透性，提高钢的强度，提高钢的疲劳抗力；本发明，ni控制≤0.30％。
[0016]
n元素与c元素相似，与合金元素形成氮化物；氮化物一般作为先析出相在凝固开始阶段析出；在后续凝固过程中受热力学动力学作用极易长大；但氮化物作为第二相，增强钢的强度，耐磨性。为控制氮化物第二相大小及数量；本发明，n控制≤0.05％。
[0017]
re，使得钢中夹杂物不同程度的发生变态，由不规则的串状分布变为球形的分散分布和细小分布；加入稀土有效改善钢的各向异性和低温脆性；且随着re/s的提高,横向冲击值和横纵向冲击值之比提高。同时,从冲击断口看出,加稀土的断口较无稀土的断口有明显的缩颈,断口中基本无分层裂纹出现。
[0018]
当钢中加入稀土元素后,夹杂物偏聚改善,钢中的脆弱带消失,致使断口分层有明显改善,从而对钢材的横向韧性即各向异性有明显的改善；钢中添加稀土后,由于稀土在结晶前沿的富集作用,降低了钢液的液、固相线温度,并使钢液结晶时的过热度降低,从而使等轴晶率增大10％-15％,即增大了原始晶粒度；另一方面,由于稀土元素为表面活性物质,因此固溶稀土主要分布在晶界,从而降低界面张力和界面能,即把奥氏体晶粒长大移到更高的温度范围,使奥氏体晶粒长大受到抑制；本发明，re控制0.10-0.15％。
[0019]
进一步的，所述模具钢的材料成分按质量百分比包括：1.10-1.15％c，1.00-1.30％si，0.25-0.40％mn，至多0.025％p，至多0.025％s，7.50-8.00％cr，1.50-1.70％mo，1.10-1.30％w，2.30-2.50％v，≤0.05％n，≤0.30％ni，≤0.30％co，re0.10-0.15％，余量为铁和不可避免的杂质。
[0020]
本发明还提出一种制备上述模具钢的方法，包括以下步骤：
[0021]
一、钢锭制备：
[0022]
方案1采用中性坩埚将合金和返回料熔化倒入钢包，经lf炉外精炼，vd炉真空脱气保证n≤0.05％。在vd真空脱气在即将浇注时钢水加入re；浇注为r120电极棒，再经电渣重
熔冶炼或连续冷却抽锭式电渣重熔冶炼为φ360电渣锭。
[0023]
方案2采用中性坩埚将合金和返回料熔化倒入钢包，经esf炉外精炼，喷射成形直接沉积为钢锭。
[0024]
二、钢锭经退火后经环形炉加热，加热温度在再结晶温度以上，1090℃加热，加热后由精锻机开坯成材或者精锻机开坯140/170方，经760℃余热退火后，经连轧机轧制成材后球化退火。
[0025]
进一步的，所述球化退火工艺包括下述步骤：
[0026]
第一台阶：将所述钢材放入加热炉中，以90-100℃/h的速率升温至780℃，保温6-8h；
[0027]
第二台阶：将所述钢材以90-100℃/h的速率升温至880-890℃，保温5.5-7h；
[0028]
第三台阶：将所述钢材将以≥50℃/h的速率快速降温至810℃；
[0029]
第四台阶：将所述钢材从810℃缓降到680℃，时间为9-11小时；
[0030]
第五台阶：打开所有散热口，随炉冷到550℃出炉。
[0031]
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
[0032]
1.淬火后极易得到高硬度细晶组织；
[0033]
2.提高c含量mo含量加入w元素，加入re元素变质处理，材料的硬度及耐磨性提高，使用寿命比现有cr8冷作模具钢材料提高30-40％，进而能够替代硬质合金材料，降低客户成本。
具体实施方式
[0034]
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
[0035]
实施例一
[0036]
本实施例涉及一种模具钢，包括以下质量百分比的组分：1.13％c，1.00％si，0.30％mn，至多0.025％p，至多0.010％s，7.800％cr，1.60％mo，1.20％w，2.40％v，0.03％n,0.16％re，余量为铁和不可避免的杂质。
[0037]
一种模具钢的制备方法包括以下步骤：
[0038]
采用中性坩埚将合金和返回料熔化倒入钢包，经lf炉外精炼，vd炉真空脱气，在vd真空脱气在即将浇注时钢水加入re，浇注为r120电极棒，再经电渣重熔冶炼或连续冷却抽锭式电渣重熔冶炼为φ360电渣锭。
[0039]
钢锭经退火后经环形炉加热，加热温度在再结晶温度以上，1090℃加热，后由精锻机开坯成材后球化退火。
[0040]
所述球化退火工艺包括下述步骤：
[0041]
第一台阶：将所述钢材放入加热炉中，以90-100℃/h的速率升温至780℃，保温6-8h；
[0042]
第二台阶：将所述钢材以90-100℃/h的速率升温至880-890℃，保温5.5-7h；
[0043]
第三台阶：将所述钢材将以≥50℃/h的速率快速降温至810℃；
[0044]
第四台阶：将所述钢材从810℃缓降到680℃，时间为9-11小时；
[0045]
第五台阶：打开所有散热口，随炉冷到550℃出炉。
[0046]
本实施例中的模具钢经1130℃油淬，550℃回火，回火后硬度达到65hrc，晶粒度达
到11级，冲击韧性为21j。
[0047]
实施例二
[0048]
本实施例涉及一种模具钢，包括以下质量百分比的组分：1.15％c，1.00％si，0.30％mn，至多0.025％p，至多0.010％s，8.00％cr，1.70％mo，1.30％w，2.50％v，0.05％n,0.18％re，余量为铁和不可避免的杂质。
[0049]
一种模具钢的制备方法包括以下步骤：
[0050]
采用中性坩埚将合金和返回料熔化倒入钢包，经esf炉外精炼，喷射成形直接沉积为钢锭。
[0051]
钢锭经退火后经环形炉加热，加热温度在再结晶温度以上，1090℃加热，加热后由精锻机锻造为140方，方坯经760℃余热退火后经连轧轧制，经过球化退火。
[0052]
所述球化退火工艺包括下述步骤：
[0053]
第一台阶：将所述钢材放入加热炉中，以90-100℃/h的速率升温至780℃，保温6-8h；
[0054]
第二台阶：将所述钢材以90-100℃/h的速率升温至880-890℃，保温5.5-7h；
[0055]
第三台阶：将所述钢材将以≥50℃/h的速率快速降温至810℃；
[0056]
第四台阶：将所述钢材从810℃缓降到680℃，时间为9-11小时；
[0057]
第五台阶：打开所有散热口，随炉冷到550℃出炉。
[0058]
本实施例中的模具钢经1130℃油淬，550℃回火，回火后硬度达到66hrc，晶粒度达到11级，冲击韧性为22j。
[0059]
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。