本发明涉及模具制造技术领域，具体涉及一种耐磨耐冲击的低合金模具材料及其制备方法。
背景技术：
模具钢是用来制造冷冲模、热锻模压铸模等模具的钢种。模具的质量直接影响着压力加工工艺的质量、产品的精度产量和生产成本，而模具的质量与使用寿命除了靠合理的结构设计和加工精度外，主要受模具自身材料、制备及热处理工艺的影响。而随着科学技术的进步及社会发展需求，对模具材料的要求越来越高，尤其是大型模具材料，其产出的成品体积较大，若是使用的模具综合性能存在不足缺陷，将会给制造企业带来严重的损失；而现有的模具材料已经逐渐无法满足市场及企业的需要，因此，研制出一种组织结构稳定、机械性能优良的模具钢材料相当有必要。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种耐磨耐冲击的低合金模具材料及其制备方法，该种模具材料制备简单方便，综合性能优良。
为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现的：
一种耐磨耐冲击的低合金模具材料，包括以下按重量百分比计的化学成分：
c：0.26-0.30％、si：0.41-0.43％、mn：0.64-0.68％、cr：0.30-0.32％、al：0.22-0.26％、ca：0.01-0.03％、sr：0.17-0.19％、co：0.25-0.29％、cd：0.03-0.07％、li：0.07-0.11％、zr：0.05-0.09％、v：0.02-0.06％、in：0.01-0.05％、y：0.11-0.15％、sc：0.06-0.08％、as：0.01-0.05％、b：0.005-0.01％、n：0.003-0.007％，余量为fe。
进一步地，上述的模具材料包括以下按重量百分比计的化学成分：
c：0.28％、si：0.42％、mn：0.66％、cr：0.31％、al：0.24％、ca：0.02％、sr：0.18％、co：0.27％、cd：0.05％、li：0.09％、zr：0.07％、v：0.04％、in：0.03％、y：0.13％、sc：0.07％、as：0.03％、b：0.007％、n：0.005％，余量为fe。
上述的一种耐磨耐冲击的低合金模具材料的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1：将废钢及中间合金作为熔炼原料，并按照以下阶段进行：
ⅰ：先将废钢加入到熔炼炉中，以10-15℃/min的升温速率将炉内温度升至1540-1560℃进行熔炼，期间控制炉床面的压力在0.35-0.45mmh2o柱，待其全部熔融后保温35-45min；
ⅱ：将所需合金工业原料投入炉内，升温至1580-1620℃直至全部熔融后，保温60-70min；
ⅲ：加入精炼剂，经lf炉精炼80-100min；再在真空度为54-58pa的脱气炉中真空脱气25-30min；
步骤2：将步骤1得到的钢水在温度为1460-1480℃条件下进行浇铸，并作为自耗电极进行电渣重熔，冶炼时间为3.5-4h，电渣重熔过程中加入配比为5-7:1-2:1-2:2-3的caf2-cao-sio2-al2o3四元渣系，得钢锭；
步骤3：将钢锭置于锻造加热炉中，先在温度为1060-1080℃条件下初锻4-5h；再在920-940℃条件下终锻2-3h，随炉空冷得锻材；
步骤4：将锻件置于退火炉中，通过以下阶段进行退火处理；
退火一段：在温度为840-860℃条件下保温2-3h；
退火二段：在温度为620-630℃条件下保温4-5h；
退火三段：在温度为480-520℃条件下保温3-4h。
优选地，在上述步骤1中，精炼剂采用氯化钾、氟硅酸钠、氧化钙、二氧化硅、冰晶石、三氧化二铝、鱼眼石、氟化钙或铝矾土中的多种。
进一步地，上述的精炼剂由氧化钙、氟硅酸钠、冰晶石、鱼眼石、铝矾土按质量比3:1:1:1:2组成的混合物。
进一步地，上述精炼剂通过以下步骤制得：先将冰晶石和鱼眼石研磨成细度为200-300μm的粉料，再将其置于质量浓度为8-12％的盐酸中浸泡搅拌2-3h，过滤取出、清洗、烘干后，再在温度为380-420℃条件下焙烧1.5-2h，待其空冷至85-95℃后，取出与其它成分混匀球磨至80-100μm即得。
进一步地，在上述步骤2中，电渣重熔的电压设定为55v，电流设定为6500a。
进一步地，在上述步骤4中，锻件通过以下阶段进行的退火处理；
退火一段：在温度为850℃条件下保温2.5h；
退火二段：在温度为625℃条件下保温4.5h；
退火三段：在温度为490℃条件下保温3.5h。
本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明的模具材料通过对其元素成分的选用及调配，使各元素在熔炼过程中能形成多种复杂合金化合物及弥散性高温强化相，能够细化晶粒，抑制不锈钢组织的蠕变变形，改善其综合性能；具有超高的机械性能强度；表面硬度高耐磨、耐腐蚀抗氧化、韧性好抗外力冲击、耐高温热震性能优良，经久耐用，应用广泛；
(2)本发明的模具材料制备工艺简单方便，通过对熔炼、浇铸及电渣重熔、锻造、热处理等工序的改进及参数的优化，改善了模具钢材料的金相结构和铸态组织，提高了固溶体的过饱和度，并减少了粗大未溶结晶相，调控了晶界析出相的大小和分布，增强了不锈钢板料的致密性和稳定性，提高了其机械强度和韧性；
(3)本发明的模具材料具有优良的抗疲劳性能、延展性、韧性及塑性，能够避免挤压、冲击、拉伸等过程中的出现开裂、断裂等质量不良的现象，提高了成材率，大大满足了市场及企业对高性能模具钢材料的需求；
(4)本发明中使用的精炼剂能得到高品质的钢水熔液，能大大降低铸件气孔率和杂质，提高成品率和铸件机械性能，有利于提高模具钢材料的综合性能。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
下表1为下文中实施例1-3中一种耐磨耐冲击的低合金模具材料所含化学成分及含量；
表1
实施例1
一种耐磨耐冲击的低合金模具材料的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1：将废钢及中间合金作为熔炼原料，并按照以下阶段进行：
ⅰ：先将废钢加入到熔炼炉中，以10℃/min的升温速率将炉内温度升至1540℃进行熔炼，期间控制炉床面的压力在0.35mmh2o柱，待其全部熔融后保温45min；
ⅱ：将所需合金工业原料投入炉内，升温至1580℃直至全部熔融后，保温70min；
ⅲ：加入精炼剂，经lf炉精炼80min；再在真空度为54pa的脱气炉中真空脱气30min；
上述精炼剂为氯化钾、二氧化硅、三氧化二铝、氟化钙按质量比1:1:2:2组成的混合物；
步骤2：将步骤1得到的钢水在温度为1460℃条件下进行浇铸，并作为自耗电极进行电渣重熔，冶炼时间为3.5h，操作过程中电压设定为55v，电流设定为6500a，另外，在电渣重熔过程中加入配比为5:1:1:2的caf2-cao-sio2-al2o3四元渣系，重熔结束得钢锭；
步骤3：将钢锭置于锻造加热炉中，先在温度为1060℃条件下初锻5h；再在920℃条件下终锻3h，随炉空冷得锻材；
步骤4：将锻件置于退火炉中，通过以下阶段进行退火处理；
退火一段：在温度为840℃条件下保温3h；
退火二段：在温度为620℃条件下保温5h；
退火三段：在温度为480℃条件下保温4h。
实施例2
一种耐磨耐冲击的低合金模具材料的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1：将废钢及中间合金作为熔炼原料，并按照以下阶段进行：
ⅰ：先将废钢加入到熔炼炉中，以12℃/min的升温速率将炉内温度升至1550℃进行熔炼，期间控制炉床面的压力在0.4mmh2o柱，待其全部熔融后保温40min；
ⅱ：将所需合金工业原料投入炉内，升温至1600℃直至全部熔融后，保温65min；
ⅲ：加入精炼剂，经lf炉精炼90min；再在真空度为56pa的脱气炉中真空脱气28min；
上述精炼剂的制取：
按质量比3:1:1:1:2称取氧化钙、氟硅酸钠、冰晶石、鱼眼石、铝矾土；先将冰晶石和鱼眼石研磨成细度为200μm的粉料，再将其置于质量浓度为8％的盐酸中浸泡搅拌3h，过滤取出、清洗、烘干后，再在温度为380℃条件下焙烧2h，待其空冷至85℃后，取出与其它成分混匀球磨至80μm即得。
步骤2：将步骤1得到的钢水在温度为1470℃条件下进行浇铸，并作为自耗电极进行电渣重熔，冶炼时间为4h，操作过程中电压设定为55v，电流设定为6500a，另外，在电渣重熔过程中加入配比为6:2:1:2的caf2-cao-sio2-al2o3四元渣系，重熔结束得钢锭；
步骤3：将钢锭置于锻造加热炉中，先在温度为1070℃条件下初锻4.5h；再在930℃条件下终锻2.5h，随炉空冷得锻材；
步骤4：将锻件置于退火炉中，通过以下阶段进行退火处理；
退火一段：在温度为850℃条件下保温2.5h；
退火二段：在温度为625℃条件下保温4.5h；
退火三段：在温度为490℃条件下保温3.5h。
实施例3
一种耐磨耐冲击的低合金模具材料的制备方法，按照以下步骤进行：
步骤1：将废钢及中间合金作为熔炼原料，并按照以下阶段进行：
ⅰ：先将废钢加入到熔炼炉中，以15℃/min的升温速率将炉内温度升至1560℃进行熔炼，期间控制炉床面的压力在0.45mmh2o柱，待其全部熔融后保温35min；
ⅱ：将所需合金工业原料投入炉内，升温至1620℃直至全部熔融后，保温60min；
ⅲ：加入精炼剂，经lf炉精炼100min；再在真空度为58pa的脱气炉中真空脱气25min；
上述精炼剂是由氧化钙、二氧化硅、氟化钙、铝矾土按质量比3:2:2:2组成的混合物；
步骤2：将步骤1得到的钢水在温度为1480℃条件下进行浇铸，并作为自耗电极进行电渣重熔，冶炼时间为4h，操作过程中电压设定为55v，电流设定为6500a，另外，在电渣重熔过程中加入配比为7:2:2:3的caf2-cao-sio2-al2o3四元渣系，重熔结束得钢锭；
步骤3：将钢锭置于锻造加热炉中，先在温度为1080℃条件下初锻4h；再在940℃条件下终锻2h，随炉空冷得锻材；
步骤4：将锻件置于退火炉中，通过以下阶段进行退火处理；
退火一段：在温度为860℃条件下保温2h；
退火二段：在温度为630℃条件下保温5h；
退火三段：在温度为520℃条件下保温4h。
对比例4
一种低合金模具材料，其所含化学成分及其含量与上述实施例2相同，但其制备方法如下：
步骤1：将废钢及中间合金投入熔炼炉内，待其全部熔融后，保温30min；加入精炼剂，经lf炉精炼80min；再在真空度为80pa的脱气炉中真空脱气15min；
上述精炼剂是由氧化钙、二氧化硅、氟化钙按质量比3:2:2组成的混合物；
步骤2：将步骤1得到的钢水进行浇铸，并作为自耗电极进行电渣重熔，冶炼时间为2.5h，操作过程中电压设定为60v，电流设定为5500a，重熔结束得钢锭；
步骤3：将钢锭置于锻造加热炉中，先在温度为1160℃条件下初锻3.5h；再在980℃条件下终锻2.5h，出炉空冷至室温得锻材；
步骤4：将锻件置于退火炉中，在温度为540℃条件下恒温退火8.5h即可。
对比例5
一种模具材料，包括以下按重量百分比计的化学成分：c：0.69％，si：0.72％，mn：0.89％，cr：2.33％，mo：0.25％，v：0.25％，ni：0.37％，p：0.016％，s：0.011％，余量为fe；其制备方法与实施例2相同。
性能检测
将上述实施例1-3以及对比例4-5制得的模具材料铸成试棒，测定其机械性能如下表2所示：
表2
由上表2可知，本发明的模具材料在各方面性能上表现俱佳，具有显著地提升，可大大满足市场的需求，另外在对比下，实施例2制得的模具材料性能最优，其相应的化学含量及制备方法为最佳方案。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。