本发明属于合金材料领域，特别涉及一种冷作模具钢，还涉及该模具钢的制备方法。
背景技术：
模具是机械、电子、汽车、通讯、加点等工业产品的基础工艺设备。由于利用模具进行加工成型具有高效性和经济性，模具在材料加工成型行业中的应用非常普遍。在模具使用过程中，其质量受到多种因素的影响，如形状设计、加工质量、表面处理情况、实际工作参数等，其中影响最大的是模具本身所用的材料。
合金磨具钢可份为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢，其中冷作模具钢主要用于制造在室温条件下将金属材料压制成型的各种模具。对于冷作模具材料，耐磨性能、冲击韧性、硬度是最重要的三个性能参数指标。然而，通常对于同一钢种，其耐磨性能、冲击韧性和硬度难以同时达到最佳，往往在硬度达到最佳时通常得到最差的冲击韧性性能，而耐磨性能同时受到硬度和冲击韧性的影响，而韧性性能则能保证磨损过程的稳定性和安全性。
现有市场上应用最广泛的冷作模具钢材料主要为高碳高铬冷作模具钢Crl2、Crl2MoV等，其具有较高的淬透性、淬硬性、耐磨性，高温抗氧化性能好，因此作为通用型冷作模具钢材料广泛应用于制造各种用途的冷作模具，例如形状复杂的冲孔凹模、冷挤压模、滚螺纹轮、冷剪切刀和精密量具等。然而，这类冷作模具钢属于莱氏体钢，由于钢中含有大量Cr、Mo、V等碳化物形成元素，在凝固和共析转变过程中会形成大量共晶碳化物，导致钢材的热塑性差，在锻造加工过程中容易出现表面裂纹。同时，尽管经锻造变形工序能够破碎鱼骨状共晶碳化物，但受锻造方向影响，大截面钢材中的碳化物分布仍然是不均匀的；钢中存在的大颗粒碳化物或碳化物分布不均匀严重时降低钢的力学性能，并导致模具在热处理过程中出现变形、开裂等质量问题，并且随锻材尺寸增大，共晶碳化物不均匀度愈发严重。
技术实现要素：
发明目的：为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种耐磨性好、硬度高、耐冲击性好、使用寿命长的冷作模具钢及其制备方法。
技术方案：本发明提供的一种冷作模具钢，包括以下重量百分比的组份：C 3.1-3.8％，Si 4.0-4.4％，Mn 0.40-0.48％，Cr 9.1-10.9％，Mo 0.73-0.82％，W 2.01-2.36％，V 2.10-2.30％，P 0.09-0.11％，S 0.01-0.03％，Cu 0.31-0.38％，Mg 0.60-0.68％，Ti 0.31-0.43％，Sr 0.71-0.86％，Zr 0.71-0.82％，B 0.46-0.52％，Zn 0.94-1.08％，Re 0.16-0.18％，Sn 0.25-0.27％，Pb 0.56-0.68％，Be 0.08-0.12％，Sc 0.12-0.20％，Li 0.43-0.49％，Ni 0.51-0.60％，La 0.01-0.03％，Al 0.11-0.16％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
作为优选，包括以下重量百分比的组份：C 3.3-3.6％，Si 4.1-4.3％，Mn 0.42-0.46％，Cr 9.5-10.0％，Mo 0.76-0.80％，W 2.12-2.22％，V 2.18-2.24％，P 0.09-0.11％，S 0.01-0.03％，Cu 0.33-0.36％，Mg 0.62-0.66％，Ti 0.34-0.40％，Sr 0.75-0.80％，Zr 0.74-0.80％，B 0.48-0.50％，Zn 0.98-1.04％，Re 0.16-0.18％，Sn 0.25-0.27％，Pb 0.59-0.63％，Be 0.09-0.11％，Sc 0.14-0.16％，Li 0.45-0.47％，Ni 0.53-0.57％，La 0.01-0.03％，Al 0.13-0.15％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
作为进一步优选，包括以下重量百分比的组份：C 3.5％，Si 4.2％，Mn 0.44％，Cr 9.8％，Mo 0.78％，W 2.16％，V 2.20％，P 0.10％，S 0.02％，Cu 0.35％，Mg 0.64％，Ti 0.36％，Sr 0.77％，Zr 0.77％，B 0.49％，Zn 1.00％，Re 0.17％，Sn 0.26％，Pb 0.62％，Be 0.10％，Sc 0.15％，Li 0.46％，Ni 0.55％，La 0.02％，Al 0.14％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
本发明还提供了上述冷作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料于1500-1600℃冶炼3-5h，吹氩气搅拌1500-1600℃精炼1-2h，得初级钢水；
(2)将初级钢水于1500-1600℃60-80Pa下真空脱气10-20min，得高纯度钢水；
(3)将高纯度钢水于1400-1500℃下浇铸，800-900℃退火8-12h，降温至400-500℃后静置冷却至室温，得电渣棒；
(4)采用真空自耗重熔炉对自耗电极棒重熔，重熔电压60-65V，电流10000-11000A，得钢锭；
(5)将钢锭于800-900℃恒温退火14-18h，1100-1200℃锻造，得锻材；
(6)将锻材800-900℃退火10-14h，即得冷作模具钢。
有益效果：本发明提供的冷作模具钢耐磨性好、硬度高、耐冲击性好、热处理变形小、使用寿命长。该冷作模具钢适用于制造各种高精度、长寿命的冷作模具、刃具和量具，例如滚丝模、冷挤压冲头、形状复杂的冲孔凹模、冷挤压模、滚丝轮、搓丝轮、冷剪切刀和精密量具等。
本发明提供的冷作模具钢包括多种非金属、金属和过渡金属元素，这些元素的加入并互相配合，大大提高了材料的力学性能。该冷作模具钢纯度高、质量好，本发明通过严格控制各种非金属、金属和过渡金属元素的含量，从而提高了球墨铸铁的强度和塑性。该冷作模具钢中硅含量较高，使硅的结晶温度能够接近共晶点，从而可极大的减少合金中缩松缺陷的形成，显著提高铸件组织的致密度，从而进一步提高了铸铁的塑性。该球墨铸铁中锶含量较高，有利于合金净化熔体、去除杂质、细化枝晶组织、阻碍再结晶和晶粒长大、提高合金热稳定性，从而提高该冷作模具钢的强度和塑性。
本发明提供的冷作模具钢重量轻、质量好、强度高、塑性高，流动性能好，制备工艺简单、成本较低。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的具体的物料配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
实施例1
冷作模具钢，包括以下重量百分比的组份：C 3.5％，Si 4.2％，Mn 0.44％，Cr 9.8％，Mo 0.78％，W 2.16％，V 2.20％，P 0.10％，S 0.02％，Cu 0.35％，Mg 0.64％，Ti 0.36％，Sr 0.77％，Zr 0.77％，B 0.49％，Zn 1.00％，Re 0.17％，Sn 0.26％，Pb 0.62％，Be 0.10％，Sc 0.15％，Li 0.46％，Ni 0.55％，La 0.02％，Al 0.14％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
本发明还提供了上述冷作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料于1500℃冶炼5h，吹氩气搅拌1500℃精炼2h，得初级钢水；
(2)将初级钢水于1500℃80Pa下真空脱气20min，得高纯度钢水；
(3)将高纯度钢水于1400℃下浇铸，800℃退火12h，降温至400℃后静置冷却至室温，得电渣棒；
(4)采用真空自耗重熔炉对自耗电极棒重熔，重熔电压65V，电流11000A，得钢锭；
(5)将钢锭于800℃恒温退火18h，1100℃锻造，得锻材；
(6)将锻材800℃退火14h，即得冷作模具钢。
实施例2
冷作模具钢，包括以下重量百分比的组份：C 3.6％，Si4.3％，Mn 0.46％，Cr 9.5％，Mo 0.76％，W 2.12％，V 2.24％，P 0.11％，S 0.03％，Cu 0.33％，Mg 0.62％，Ti 0.34％，Sr 0.75％，Zr 0.80％，B 0.50％，Zn 1.04％，Re 0.16％，Sn 0.25％，Pb 0.63％，Be 0.11％，Sc 0.16％，Li 0.47％，Ni 0.53％，La 0.01％，Al 0.14％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
本发明还提供了上述冷作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
(1)将各原料于1600℃冶炼3h，吹氩气搅拌1600℃精炼1h，得初级钢水；
(2)将初级钢水于1600℃60-80Pa下真空脱气10min，得高纯度钢水；
(3)将高纯度钢水于1500℃下浇铸，900℃退火8h，降温至500℃后静置冷却至室温，得电渣棒；
(4)采用真空自耗重熔炉对自耗电极棒重熔，重熔电压60V，电流10000A，得钢锭；
(5)将钢锭于900℃恒温退火14h，1200℃锻造，得锻材；
(6)将锻材900℃退火10h，即得冷作模具钢。
实施例3
冷作模具钢，包括以下重量百分比的组份：C 3.3％，Si 4.1％，Mn 0.42％，Cr 10.0％，Mo 0.80％，W2.22％，V 2.18％，P 0.09％，S 0.01％，Cu0.36％，Mg 0.66％，Ti 0.40％，Sr 0.80％，Zr 0.74％，B 0.48％，Zn 0.98％，Re0.18％，Sn 0.27％，Pb 0.59％，Be 0.09％，Sc 0.14％，Li 0.47％，Ni 0.57％，La 0.03％，Al 0.13％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
实施例4
冷作模具钢，包括以下重量百分比的组份：C 3.1％，Si 4.0％，Mn 0.40％，Cr 9.1％，Mo 0.73％，W 2.36％，V 2.30％，P 0.11％，S 0.03％，Cu 0.38％，Mg 0.60％，Ti 0.31％，Sr 0.71％，Zr 0.71％，B 0.46％，Zn 1.08％，Re 0.18％，Sn 0.27％，Pb 0.68％，Be 0.12％，Sc 0.12％，Li 0.43％，Ni 0.51％，La 0.01％，Al 0.11％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
实施例5
作为另一种改进，包括以下重量百分比的组份：C 3.8％，Si 4.4％，Mn 0.48％，Cr 10.9％，Mo0.82％，W 2.01％，V 2.10％，P 0.09％，S 0.01％，Cu 0.31％，Mg 0.68％，Ti 0.43％，Sr 0.86％，Zr0.82％，B 0.52％，Zn 0.94％，Re 0.16％，Sn 0.25％，Pb 0.56％，Be 0.08％，Sc 0.20％，Li 0.49％，Ni 0.60％，La 0.03％，Al 0.16％，其余为铁，各组分质量百分比之和为100％。
实施例6
将实施例1至5的冷作模具钢铸成试棒，测定其力学性能。
表1实施例1至5的冷作模具钢试棒的力学性能
硬度测定方法：根据GB/T230.1；由上表可知，本发明提供的冷作模具钢其硬度达到70HRC以上，比市售SKD11提高60％以上。由硬度高可知，本发明的冷作模具钢耐磨性好。