本发明涉及模具钢及其制备方法，属于模具钢产品技术领域。

背景技术：

家用电器零件、机电行业零件、橡胶制品、陶瓷制品、塑料制品等大多是模压的，因此，模具很大程度上决定了产品的质量、效率和产品开发能力。但由于长期受高温、高压、应力等复杂因素的影响，模具失效时有发生，主要表现为形状变化、尺寸偏差等，其基本失效形式有：表面磨损腐蚀、断裂、变形和模具意外损坏。因此，一个好的模具钢需要具有很高的耐磨性、耐腐蚀性、强度、硬度等性能。其中，塑料模具钢作为模具钢产量最大、比例最大的品种，近年来发展势头强劲，对产品质量提出了越来越高的要求。

CN103060698A公开了一种耐腐蚀模具钢的制备工艺，其重量百分比为：C：1.0-1.2%，Cr：16-19%，CO：1.3-1.8%，MN：0.2-0.6%，SI：0.2-0.7%，MO：0.9-1.4%，V：0.05-0.2%，Ti：0.05-0.4%，稀土RE：0.05-0.4%和残铁。制备方法是在电炉中冶炼时加入TI和稀土稀土RE处理，制备100~300kg钢锭，然后对电渣进行重熔，再轧制得到重熔后的扁钢，轧制变形为50~70%，然后将扁钢加热至650~760°C，保温5~6小时， 炉膛冷却至280~320°C，保温3~5小时，再加热至650~690°C，保温32小时，以40°C/小时冷却至400°C，再以18°C/小时冷却至120°C;对上述得到的扁钢进行热处理，再加热至1000°C保温1-2h，再热至680°C~710°C温度范围，油冷至不高于100°C后保温3h，再水冷;回火处理后，将扁钢的头部加热到320~400°C，保温4-5小时，然后喷淋冷却，扁钢的尾部保持在900-1020°C，保温6-8小时，然后风冷，最后将扁钢的中间加热到160~190°C的温度， 保温2-3小时，放入铁盒冷却。

为了保证模具钢具有较高的硬度和韧性，需要添加更多的合金元素和稀土元素LA和CE，因为稀土元素的化学性质是活跃的，可以中和钢中的氧、硫等杂质，从而发生剧烈反应， 从而对钢进行净化，使钢材的整体性能得到显著提高。然而，这导致了宝贵资源的浪费和生产成本的显着增加。此外，该方法制备的钢锭重量小，适用范围有限。

技术实施要素：

本发明的目的在于提供一种模具钢及其制备方法，以解决现有技术中需要添加稀土元素和大量合金元素以提高模具钢综合性能，导致生产成本过高的问题。

本发明提供的模具钢，其化学成分如下：C：0.25-0.45%，Cr：13-16%，Co：1.3-1.8%，Mn：0.4-0.7%，Si：0.15-0.40%，Mo：0.9-1.1%，Ni：1.5-3.0%，V：0.15-0.4%，Ti：0.1-0.5%，P≤0.012%，S≤0.002%，N：0.02-0.04%，余量为Fe。

进一步地，按重量百分比计算的化学成分为：C：0.30-0.40%，Cr：13.5-15%，CO：1.35-1.60%，Mn：0.45-0.60%，Si：0.18-0.30%，Mo：0.95-1.05%，Ni：1.65-2.0%，V：0.18-0.30%，Ti：0.20-0.35%，P≤0.010%，S≤0.002%，N：0.025-0.030%，边际为Fe。

本发明提供一种模具钢的制备方法，包括以下步骤：冶炼得到化学成分的钢水，铸造成钢坯，轧制，热处理，得到。

进一步地，所述热处理方法为：加热至1020°C~1100°C，加热时间8~20h，淬火，回火500~590°C，回火时间5~20h。

进一步地，所述淬火方法如下：风冷2~3min出炉，喷雾冷却2~4min，然后喷水冷却至表面温度640~660°C，再风冷2~5min，再继续喷水冷却至表面温度390~410°C，再风冷3~5min， 然后继续喷水冷却至表面温度为190~210°C，并在热处理槽内进行风冷。

进一步地，喷雾冷的喷雾压力为5~8MPa;喷淋冷却的水压为7~16MPa;所述风冷的风速为2~4m/s。

进一步地，将轧制步骤轧制得到扁钢，然后将扁钢加热至650~750°C，保温4~8h，炉内冷却至280~350°C，保温2~6h，再加热至650~700°C，保温25~35h，以30~60°C/h的速率冷却至390~410°C， 然后以15~20°C/h的速率冷却至140~160°C。

进一步地，总轧制变形为60~80%。

进一步地，所述铸造方法如下：压铸成钢锭，压铸采用注射法，并在喷嘴处浇注氩气保护。

本发明提供所述模具钢在塑料模具制备中的用途。

本发明模具钢的生产工艺如下：电炉冶炼→精炼炉精炼→脱磷、脱氧、合金化→真空二次精炼→二次合金化、控制氮、硫、磷含量→压铸→电渣重熔→钢坯加热→轧扁钢→加热炉冷→二次加热、保温→冷却→热处理→包装仓储。优选实施例包括以下步骤：

冶炼：a）采用偏心炉底攻电炉进行初熔炼，氧化脱碳（脱碳≥0.4%），氧化期间需要高温氧化，剧烈沸腾，沸腾时间≥8min，以利于有害气体和夹杂物在钢中漂浮，使高碱度（r=4.0~6.0）的硅酸盐氧化物渣在低温（1535~1660°C）下脱磷至0.006%以下， 获得氮含量小于或等于110ppm的钢水;b）使用精炼炉进行大渣精炼，加入石灰和萤石，通过动力传动加热，进行合金化定量调整，进行深层除白渣的p、S操作，与墨粉保持，保持白渣≥18min，加入适量的硅粉和铝粉， 进行深度脱氧脱硫，保证白渣具有良好的流动性，温度≥1610°C，s≤0.002%，全取样分析，调整成分，含氮量控制在n：0.020%左右;c）采用真空精炼炉进行二次精炼，真空处理前的精钢温度要求≥1680°C进入真空精炼炉的炉渣厚度要求为≤40mm;控制钢水中的非金属夹杂物，提高冶金质量，在入炉前根据硅含量调整进料硅钙线，并对成分进行微调，保证真空处理过程中极限真空时间小于60Pa，持续20分钟以上。

其中，偏心炉底部的电炉用于初次冶炼。在熔炼期，采用大功率电熔，快速使氧化后的白渣进行深度脱磷，保证氧化温度大于1580°C，保证氧化结束时钢水有一定的含碳量。优选地，攻丝温度控制在1650°C以上。 由于这种钢在精炼过程中加入的合金量在5吨以上，而且合金的添加量很大，如果攻丝温度低于1650°C，精炼时间会很长，钢水的吸氮会很严重;相反，如果攻丝温度在1650°C以上，精炼时间将大大缩短，钢水中的氮含量将有效控制在0.025%左右。

其中，LF钢包炉用于精炼，钢包送入LF精炼炉后，应快速制出精炼后的白渣，合金化，保证钢水的脱氧脱硫，控制S≤0.002%和S+P≤0.015%，最后通过给铝将钢水中的氮含量控制在0.025%~0.030%的范围内线材或通过氮气，具体取决于钢水中的氮含量。

压铸：采用注射法，在浇注钢板之前，将氩气吹入铸锭模具中排出钢锭模具中的空气，以防止空气中的氮气进入钢水而引起氮气增加，同时保证钢包喷嘴距离中间注射喷嘴高度≤55mm， 得到含氮量为0.020~0.040%的钢锭。上述方法制备的方锭分别为3.5t和4.0t，八角锭分别为5.0t~8.0t，然后分别检测方锭的氮氧含量。

轧制：a）钢锭经电渣重熔，模具钢锭直接轧制得到扁钢，轧制5次，单程压力量为≥18%，轧制累计总变形量为60~80%，然后将扁钢加热至650~750°C，保温4~8h， 冷却至280~350°C，保温2~6h;b）将步骤a中的钢锭重新加热至650~700°C，保温25~35h，以30~60°C/h的速率冷却至400°C，然后以15~20°C/h的速率冷却至150°C;

热处理：a）将得到的扁钢再加热至1020°C~1100°C，加热时间为8~20h;淬火：淬火热处理先出炉风冷2~3min，喷淋冷却2~4min，然后喷水冷却至表面温度650°C，再风冷2~5min，然后继续喷水冷却至400°C，再风冷3~5min，再继续喷水冷却至200°C， 热处理罐中的空气冷却;b）回火工艺：回火温度为500~590°C，回火时间为5~20h;其中，喷雾冷中的喷雾压力为5~8MPa;所述风冷风速为2~4m/s;水冷的水压为7~16MPa。

本发明提供的模具钢采用钒钛微合金化组合路线，充分发挥了低P、S控制技术和中高氮含量控制的优点，制得产品硬度在HRC50~55之间，室温（20°C）冲击韧性AKV在20~30J/cm2之间， 冲击韧性AKV在15~18J/cm2（0°C）之间，比长钢40Cr13的冲击韧性AKV高20%，耐腐蚀性、韧性和硬度都很好，综合力学性能优良，具有广阔的应用前景。

具体实施方式

本发明具体实施方式中使用的原材料和设备均为已知产品，并通过购买市售产品获得。

本发明提供的模具钢，其化学成分按重量百分比计算为：C：0.25-0.45%，Cr：13-16%，CO：1.3-1.8%，Mn：0.4-0.7%，Si：0.15-0.40%，Mo：0.9-1.1%，Ni：1.5-3.0%，V：0.15-0.4%，Ti：0.1-0.5%，P≤0.012%，S≤0.002%，N：0.02-0.04%，余为Fe。

其中，V的功能：1、钒能提高钢的热强度，提高钢的抗蠕变性和高温耐久性;2、提高钢在高温高压氢气中的稳定性，使钢在高压下对氢气的稳定性高达600°C;3、在珠光体低合金钢中，钒能防止钼钢在高温下石墨化;4.通过在最终的铁氧体组织中沉淀，形成弥漫且分布细小的VN析出物，从而增加了韧性和抗疲劳性。

Ti的作用：添加的微量Ti形成Ti（CN）析出物，在板坯加热过程中起到细化晶粒的作用，使Ti析出物在最终铁素体组织中形成细小的扩散分布，起到析出和强化的作用，还可以提高成品的焊接性能。

氮的作用：一般来说，氮被认为是一种有害元素，对钢的机械性能有不利影响。危害主要表现在：Fe4N的析出导致钢的老化和蓝脆，降低钢的韧性和塑性;它与钢中的钛、铝和其他元素形成棱角分明的夹杂物;当钢中的残余氮含量较高时，会导致钢的宏观结构松动，甚至形成气泡。本发明将钢中的氮含量控制在0.02-0.04%的范围内，Fe-N合金通过调质工艺形成弥漫性氮化物，可以充分发挥氮在钢中的有益作用。与碳化物相比，氮化物更稳定、更细，其优点是：1、提高屈服强度。在600°C以下回火时，钢中会形成细小的Cr2N析出物，与高密度晶格位错和窄马氏体带一起作用，使高氮铁素体钢的屈服强度明显优于普通钢。固溶处理温度越高，析出物越细，氮合金钢的屈服强度越高。2.提高冲击韧性。在含氮铁素体钢中，大量细而稳定的（NB，V）X相析出抑制晶粒生长，铁素体晶粒越小，脆性转变温度越低，韧性越好。3.提高高温性能。总而言之，通过添加溶解氮，可以在不降低韧性的情况下提高模具钢的强度、硬度和耐磨性。

综上所述，本发明主要控制了v、ti、n（v：0.15-0.4%，ti：0.1-0.5%，n：0.02-0.04%）的含量，达到了提高模具钢综合力学性能的效果，特别是提高了钢的硬度和韧性，从而可以避免稀土金属的使用，并减少合金元素的总添加量， 显著降低生产成本。

此外，杂质元素S和P对模具钢的韧性有不利影响。在高温状态下服务时，由于S、P等杂质元素动态偏析到晶界，会破坏模具的高温塑性和韧性，导致模具高温脆化。相关研究表明，降低S和P含量有助于改善钢的冷热疲劳性能。

本发明可以避免使用稀土金属，减少合金元素的总添加量，一般减少S、P等杂质的引入，使P含量控制在0.012%以下，S含量控制在0.002%以下通过精炼工艺，从而减少甚至消除微量杂质元素的危害， 提高模具钢的质量，使其具有优良的耐腐蚀性、硬度、韧性等性能。

本发明还提供一种模具钢的制备方法，包括以下步骤：冶炼得到化学成分的钢水，铸造成钢坯，轧制，热处理，得到。

其中，热处理是关键步骤，处理方法为：加热至1020°C~1100°C，加热时间8~20 h，淬火，回火在500~590°C，回火时间5~20 h。该方法对钢进行淬火+高温回火的调质处理，可以充分发挥V、Ti、N微合金的强化作用，控制均匀析出，进一步提高模具钢的冲击韧性、耐腐蚀性、塑性、冷加工性能、成形性等性能。

实施例1：本发明模具钢的制备

以下

冶炼得到钢水的化学成分：C：0.36%，Cr：14.2%，Co：1.47%，Mn：0.51%，Si：0.29%，Mo：0.99%，Ni：2.1%，V：0.27%，Ti：0.25%，P：0.011%，S：0.002%，N：0.031%。

压铸：采用注射法，喷嘴倒入氩气保护，浇钢前将氩气吹入铸锭模具内排出，防止空气中的氮气进入钢水，引起氮气增加，同时， 还保证钢包喷嘴的高度与中间注射喷嘴相≤55mm，以获得钢锭。

轧制：a）钢锭经电渣重熔，模具钢锭直接轧制得到扁钢，轧制5次，单程压力量为≥18%，轧制累计总变形量为60~80%，然后将扁钢加热至650~750°C，保温4~8h， 冷却至280~350°C，保温2~6h;b）将步骤a中的钢锭重新加热至650~700°C，保温25~35h，以30~60°C/h的速率冷却至400°C，然后以15~20°C/h的速率冷却至150°C;

热处理：a）将得到的扁钢再加热至1020°C~1100°C，加热时间为8~20h;淬火：淬火热处理先出炉风冷2~3min，喷淋冷却2~4min，然后喷水冷却至表面温度650°C，再风冷2~5min，然后继续喷水冷却至400°C，再风冷3~5min，再继续喷水冷却至200°C， 热处理罐中的空气冷却;b）回火工艺：回火温度为500~590°C，回火时间为5~20h;其中，喷雾冷中的喷雾压力为5~8MPa;所述风冷风速为2~4m/s;水冷的水压为7~16MPa。

实施例2：本发明模具钢的制备方法

这

冶炼具有以下化学成分的钢水按重量百分比获得：C：0.29%，Cr：13.8%，Co：1.42%，Mn：0.48%，Si：0.22%，Mo：1.03%，Ni：1.83%，V：0.29%，Ti：0.23%，P：0.011%，S：0.001%，N：0.029%。

压铸：采用注射法，喷嘴倒入氩气保护，浇钢前将氩气吹入铸锭模具内排出，防止空气中的氮气进入钢水，引起氮气增加，同时， 还保证钢包喷嘴的高度与中间注射喷嘴相≤55mm，以获得钢锭。

轧制：a）钢锭经电渣重熔，模具钢锭直接轧制得到扁钢，轧制5次，单程压力量为≥18%，轧制累计总变形量为60~80%，然后将扁钢加热至650~750°C，保温4~8h， 冷却至280~350°C，保温2~6h;b）将步骤a中的钢锭重新加热至650~700°C，保温25~35h，以30~60°C/h的速率冷却至400°C，然后以15~20°C/h的速率冷却至150°C;

热处理：a）将得到的扁钢再加热至1020°C~1100°C，加热时间为8~20h;淬火：淬火热处理先出炉风冷2~3min，喷淋冷却2~4min，然后喷水冷却至表面温度650°C，再风冷2~5min，然后继续喷水冷却至400°C，再风冷3~5min，再继续喷水冷却至200°C， 热处理罐中的空气冷却;b）回火工艺：回火温度为500~590°C，回火时间为5~20h;其中，喷雾冷中的喷雾压力为5~8MPa;所述风冷风速为2~4m/s;水冷的水压为7~16MPa。

对于下列化学成分的比例冶炼，按重量百分比得到的钢水：C：1.08%，Cr：17.2%，Co：1.58%，Mn：0.41%，Si：0.39%，Ni：0.05%，V：0.12%，Ti：0.18%，P：0.018%，S：0.012%，N：0.008%。

其中，转炉冶炼工艺按模具钢等常规脱气操作操作，得到含氮量≤100ppm的钢水;精炼过程中经过深度脱氧脱气后，氮气补充操作不调整，最终氮含量控制在≤90ppm钢水;

压铸：采用注射方式，在浇注钢板之前，将氩气吹入铸锭模具中，将铸锭模具中的空气排出，从而防止空气中的氮气进入钢水，引起氮气的增加，同时也保证了钢包喷嘴的高度与中间注射喷嘴的高度为≤55mm， 得到3.5t钢锭。

轧制：a）钢锭经电渣重熔，模具锭经重熔后直接轧制得到扁钢，轧制5次，压力大，压力大，轧制累计总变形65%，轧制后风冷280~350°C， 保温时间为2~6h;b）步骤A中的钢锭重新加热至650°C，保温5~15h，以60°C/h冷却至400°C，再以15~20°C/h冷却至150°C;

热处理：a）将得到的扁钢再加热至1020°C~1100°C，加热时间为8~12h;淬火：淬火热处理喷水冷却至400°C，然后风冷3~5min，然后继续喷水冷却至200°C，热处理槽空冷;b）回火工艺：回火温度为500~590°C，回火时间为5~20h。

实施例1、2和比例模具钢的化学成分见表1，性能试验结果见表2。

表1：模具钢的化学成分

表2：模具钢的性能测试结果

技术特点：

技术摘要

本发明涉及模具钢及其制备方法，属于模具钢产品技术领域。本发明要解决的是现有技术需要添加稀土元素和大量的合金元素来提高模具钢的整体性能，导致生产成本过高的问题，其技术方案是提供模具钢，其化学成分按重量百分比计算为： C：0.25-0.45%，Cr：13-16%，Co：1.3-1.8%，Mn：0.4-0.7%，Si：0.15-0.40%，Mo：0.9-1.1%，Ni：1.5-3.0%，V：0.15-0.4%，Ti：0.1-0.5%，P≤0.012%，S≤0.002%，N：0.02-0.04%，边际为Fe。本发明提供的模具钢具有良好的耐腐蚀性、韧性和硬度，综合力学性能优良，具有广阔的应用前景。

技术研发人员：罗旭;李俊红;刘旭江;肖强

受保护技术用户：攀枝花钢铁研究院有限公司、攀钢集团

技术研发日：2018.08.01

技术公告日期：2018.09.21