本发明属于材料加工领域，尤其涉及一种新型稀土热作模具钢及其制备方法。
背景技术：
随着压铸、挤压成型生产技术的日益推广，模具工业得以快速发展，模具制造水平的高低已成为衡量一个国家加工制造业发展水平的重要标志之一。国内模具工业的快速发展，成品模具销售额以年均20％以上的速度高速增长。但我国模具钢材料生产企业良莠不齐，品质高低不等，部分高端模具材料需要从日本、瑞典等国进口。热作模具钢是用于热挤压、压铸的高温高压服役环境的主要模具钢种。该模具钢种的作业工况恶劣，在运行中反复受到炽热金属的加热和冷却介质的冷却热循环作用，极易在缺陷及薄弱部位形成疲劳源，并扩展形成裂纹失效。国内模具钢技术的发展以跟随国外先进技术形式进行探索，主要从调整化学成分，开发设计新型热作模具钢材料着手，减少内部缺陷，使其组织均匀细小，提高等向性能，降低出现薄弱部位的可能，从而提高热作模具钢的综合性能。
目前，热作模具钢的合金化思路包括降硅增钼，国内外学者普遍认为，热作模具钢中的硅含量(质量分数)以0.5％～0.8％为宜，因为当硅量较高时，会增加钢的回火脆性，同时还会增加钢的脱碳敏感性，并使碳化物的聚集过失效速度增大，以至于难以控制。但也有文献指出，在钢的淬火过程中，较高的硅可以有效增加钢中的残余奥氏体，提高钢的韧性及基体的回火稳定性，增强钢的热疲劳抗力。
上海大学的研究成果《h13改进型热作模具钢的组织与性能》(《钢铁研究学报》，2013年，第25卷第5期，计天予，吴晓春)研究了一种新型改良热作模具钢，增加了硅和锰的含量，降低钒的含量，同时si和mn的量比为1:1，改良的热作模具钢具有较好的强韧性、热稳定性能，但降低了等向性能。
专利《一种高硅高锰热作模具钢及其制备方法》(申请号201010256440.5)公开的热作模具钢化学成分组成(质量分数)：c：0.3％-0.4％，si：1.2％-1.8％，mn：0.6％-1.5％，cr：3.5％-4.5％，mo：0.8％-1.0％，v：0.3％-0.5％，p≤0.03％，s≤0.03％，使热作模具钢具有高抗回火稳定性，以及良好的韧性，但不能保证等向性能。
《一种兼有耐高温和高韧性的热作模具钢及其制法》(公开号：cn105950962a)，公开的热作模具钢主要化学成分组成(质量分数)：c：0.50％-0.65％，si：0.7％-1.3％，mn：0.6％-1.0％，cr：2.5％-4.5％，mo：2.7％-4.5％，v：0.5％-1.1％，p<0.02％，s<0.0005％，余量为fe。
专利《一种热作模具钢及其制造方法》(cn200510118306.8)公开的热作模具钢合金元素组成为(质量分数)：c：0.40％-0.47％，si：0.60％-1.00％，mn：0.30％-0.80％，p、s≤0.030％，cr：2.20％-2.70％，w：0.90％-1.20％，mo：0.80％-1.00％，v：0.70％-1.00％，其余为fe和杂质元素。
上述发明均通过对热作模具钢各成分用量的改进，使得热作模具钢具有高韧性和良好的耐高温性能，但硬度的均匀性较差。
国内外许多学者对热作模具钢的热稳定性，抗疲劳性能以及高强度进行广泛的研究，但通过微合金化的方法对冲击韧性，等向性能和硬度等重要性能的影响却少有研究。贵州大学的研究成果《稀土元素ce对h13钢力学性能的影响》(《模具材料及热处理技术》，2015年，第12期，张迁，李长荣等)通过在h13模具钢冶炼过程中添加不同含量的稀土元素ce，分析对其显微硬度及冲击韧性的影响。实验结果表明添加稀土元素ce后，h13钢的横、纵向冲击韧性大幅提高，但其显微硬度有不同程度的下降。《一种稀土奥氏体型热作模具钢及其制备方法》(cn200810040044.1)公开的热作模具钢合金成分(质量分数)：c：0.3％-0.7％，si：0.5％-1％，mn：10.5％-15％，cr：2.0％-6.0％，mo：1.5％-3.5％，v：0.5％-2.0％，p：0.01％-0.02％，s<0.005％，y或ce：0.003％-0.01％，fe余量。钢中添加了少量稀土元素，具有高热稳定性，高强度，但是韧性相对较低。
专利《一种具有良好热强性及高韧性的热作模具钢》(cn200710170723.6)公开的热作模具钢合金成分(质量分数)：c：0.28％-0.35％，si：0.20％-0.50％，mn：0.20％-0.80％，cr：4.5％-5.5％，mo：2.00％-2.80％，v：0.40％-0.80％，p≤0.025％，s≤0.025％，nb：0.05％-0.2％，n：0.01％-0.03％，余量为fe。
《一种奥氏体热作模具钢及其制备方法》(cn201110197529.3)公开的热作模具钢合金成分(质量分数)：c：0.63％-0.70％，si：1.2％-1.4％，mn：12.5％-15％，cr：6.5％-7.0％，mo：1.0％-3.0％，v：1.0％-2.0％，余量fe。上述发明的热作模具钢具有好的热强性和高韧性，但是生产工艺复杂，成本高。
因此，为了发展具有优异综合性能的热作模具钢，如何进行合适的合金成分及工艺设计是我们亟待解决的问题。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服上述问题和不足而提供一种具有良好的纯净度，优异的冲击韧性，等向性能及良好的拉伸性能，均匀的硬度的一种新型稀土热作模具钢及其制备方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明在热作模具钢中添加了适量的稀土元素nd和er，可显著改善热作模具钢的纯净度，冲击韧性，等向性能及抗拉强度等性能。使该种热作模具钢具有优异的综合性能。同时该种新型热作模具钢的生产成本低廉，降低了工业生产的经济成本。
一种新型稀土热作模具钢，该钢板的成分按重量百分比计如下：c：0.46％～0.54％，si：1.20％～1.60％，mn：0.60％～1.10％，cr：3.50％～4.50％，mo：1.60％～2.50％，v：1.50％～2.50％，p≤0.015％，s≤0.03％，nd：0.067％～0.086％，er：0.056％～0.072％，：[h]≤3.0ppm，[o]≤30ppm，余量为fe及不可避免杂质。
本发明成分设计理由如下：
c：一部分参与固溶强化，一部分与合金元素形成碳化物参与沉淀强化。碳主要形成碳化物，回火过程中在淬火马氏体基体上弥散析出产生两次硬化现象，有助于提高该种热作模具钢的综合性能。因此，本发明中c含量控制在0.46％～0.54％。
si、mn：si为提高回火抗力的有效元素。可降低碳在铁素体中的扩散速度，使回火时析出的碳化物不易聚集，增加回火稳定性。钢中含有mn可以改变钢在凝固时所形成的氧化物的性质和形状。mn具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度，虽然其固溶强化效果不及碳、磷和硅，但其对钢的延展性几乎没有影响。mn溶入奥氏体中能强烈增加钢的淬透性，同时强烈减低钢的ms点。因此，本发明中si、mn含量分别控制在1.20％～1.60％、0.60％～1.10％。
cr：对钢的耐磨损性、高温强度、热态硬度、韧度和淬透性都有有利的影响，同时它溶入基体中会显著改善钢的耐蚀性能。在热作模具钢中含cr和si会使氧化膜致密来提高钢的抗氧化性。本发明的热作模具钢中，cr一部分溶入钢中起固溶强化作用，另一部分与c结合，生成多种类型碳化物。这些碳化物在加热时能在较低温度下溶解，使基体中含有必要的碳量，保证马氏体有高硬度。淬火加热时，cr几乎全部溶入奥氏体中，使热作模具钢具有很高的淬透性。因此，本发明中cr含量控制在3.50％～4.50％。
mo：溶于钢中也具有固溶强化的作用，溶解于奥氏体中能提高钢的淬透性。mo是作为使钢具有二次硬化的主要合金元素加入的，可降低钢的结晶温度，同时凝固区间又窄，这对铸态组织有细化作用。钢中碳化物细小，分布比较均匀，提高钢的强度硬度及冲击性能。因此，本发明中mo含量控制在1.60％～2.50％。
v：细化钢的晶粒和组织，增加钢的回火稳定性和增强二次硬化效应，因为即使温度趋近700℃，v的碳化物稳定性仍高，仍能保持细小，所以v是有效阻止奥氏体晶粒粗化的元素，起到细晶强化作用，使得钢的强度硬度及韧性同时提高，改善热作模具钢的综合性能。因此，本发明中v含量控制在1.50％～2.50％。
由于稀土元素nd和er在热作模具钢中的固溶量很小，若稀土的含量过多，剩余的稀土就会在晶界处析出形成低熔点共晶体，严重损害钢的热加工性能及力学性能，若添加量过少则达不到理想效果。因此选择合适的nd和er添加量尤为重要。稀土元素除了与氧、硫进行反应，本发明添加的nd和er还可与氢反应，考虑到这两种元素的可回收部分及固溶部分(固溶部分量很小，可忽略不计)，本发明得到nd和er的添加公式：re加入＝reo+res+reh+re回收，re回收在10％～30％。基于nd和er原子半径，离子半径等物理性质的差异，确定添加nd和er的质量分数比例为(1.1～1.3):1。综上，本发明nd和er的添加量(质量分数)：nd0.061％～0.078％,er0.056％～0.072％。
影响热作模具钢性能的重要因素之一是钢中存在的夹杂物，夹杂物是材料的疲劳源、裂纹源，本发明中若出现大而集中的夹杂物对热作模具钢的性能危害很大，而弥散分布细小的小颗粒夹杂物，不仅危害可消除，还可改善钢的性能。夹杂物在钢中的客观存在，使非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性，并导致内部应力集中，在外力作用下，在夹杂物与基体界面处形成裂纹源，并随之扩展失效断裂。本发明在钢中添加适量的nd和er，使大量的球形夹杂物在钢中生成，并且在晶内弥散分布，取代了沿晶界分布的条状或针状的第二类硫化物夹杂。经稀土变质的钢在后续的热加工变形过程中，细小弥散均匀分布的球形稀土化合物并不会变化，同时对热作模具钢起到弥散强化作用，从而使钢的等向性能，冲击韧性得到明显改善。此外，在动态拉伸过程中发现：在延性断裂前，金属基体主要发生滑移方式的范性形变，滑移通常从晶界开始，而在夹杂物存在的应力集中的相界面、晶界处更加明显，随着外力增加，滑移系不断移动，滑移线不断增加，裂纹之间金属基体的滑移局部化，不均匀，使微裂纹与主裂纹迅速聚合，导致断裂失效使钢的拉伸性能不理想，而nd和er的添加使夹杂物主要弥散均匀分布于晶内，减少应力集中，使裂纹之间金属基体的滑移均匀化，从而提高钢的拉伸性能。
由于nd和er元素在钢中的固溶度较小，大部分的稀土元素会偏聚在晶界处而减少了其它杂质元素在晶界偏聚，改变了晶界结构、成分及性能同时影响其它元素的扩散和新相的形核和长大，进而强化晶界改善钢的组织及性能。此外，加入nd和er后，析出相形貌由条片状变成圆形颗粒状，在晶粒内部弥散分布，减小了析出相在应力载荷作用下的应力集中现象，固溶在基体内部的稀土元素也是韧窝形成的中心，可以使韧窝分布更加均匀，所以加入nd和er能够改变析出相形貌，提高热作模具钢的冲击性能。本发明中同时添加nd和er两种稀土元素，可降低彼此在钢中的溶解度，并相互影响其沉淀析出动力学，产生附加的强化作用。
本发明提供的技术方案之二是一种新型稀土热作模具钢的制备方法，包括电炉熔炼、连铸、加热、热轧、热处理，
加热：钢水经铸造成钢坯；钢坯的再加热温度在1230～1330℃，均热时间控制在2～4h，可降低冶金偏析带来的影响，减少初生碳化物影响。
热轧、冷却：控制开轧温度为1180～1240℃，终轧温度控制在850～940℃。轧后进入快速冷却(acc冷却)，冷却速率控制在5～10℃/s，终冷温度450～540℃，所述温度为钢板的表面温度。可改善钢材组织状态，细化铁素体晶粒，并产生细小的第二相粒子，实现细晶强化和析出强化等多种强化方式有效结合。
热处理工艺：等温球化退火+调质工艺。
所述等温球化退火工艺：第一阶段等温退火温度为840～870℃，退火时间为1～3h；第二阶段等温退火温度为740～770℃，退火时间为1～3h。可均匀钢材组织，为淬火做组织准备。
所述调质工艺：淬火温度为1080～1140℃，保温30-60min，采用油淬，淬火后立即进行回火，回火温度为560～640℃，保温2～4h，每次回火之间均冷却至室温，回火2～3次。可获得强度、硬度和韧性都较好的综合机械性能。
本发明的有益效果在于：本发明提供的技术方案利用稀土元素在热作模具钢中的作用及对热作模具钢夹杂物，硬度，拉伸性能，冲击韧性和等向性能的影响，对热作模具钢成分及制备方法进行设计研究，采用本发明生产出的热作模具钢横向冲击功处于46.6～50.0j之间，纵向冲击功处于51.4～53.0j之间。钢板均匀度达2hrc，基本处于55.0～57.0hrc之间，等向性能达到0.88～0.95，抗拉强度均达到1600mpa以上，且同时具有良好的伸长率和收缩率，具有优异的综合性能，超过国内外优质热作模具钢。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明作进一步的说明。
本发明实施例根据技术方案的组分配比，进行电炉熔炼、连铸、加热、热轧、热处理。
再加热：钢水经铸造成钢坯；钢坯的加热温度在1230～1330℃，均热时间控制在2～4h。
热轧、冷却：控制开轧温度为1180～1240℃，终轧温度控制在850～940℃。轧后进入acc冷却，冷却速率控制在5～10℃/s，终冷温度450～540℃，所述温度为钢板的表面温度。
热处理工艺：等温球化退火+调质工艺；
所述等温球化退火工艺：第一阶段等温退火温度为840～870℃，退火时间为1～3h；第二阶段等温退火温度为740～770℃，退火时间为1～3h；
所述调质工艺：淬火温度为1080～1140℃，保温30-60min，采用油淬，淬火后立即进行回火，回火温度为560～640℃，保温2～4h，回火2～3次，每次回火之间均冷却至室温。
本发明施例及对比例热作模具钢的成分见表1。本发明施例及对比例热作模具钢的主要热轧工艺参数见表2。本发明施例及对比例热作模具钢的主要热处理工艺参数见表3。本发明施例及对比例热作模具钢的夹杂物见表4。本发明施例及对比例热作模具钢的洛氏硬度性能见表5。本发明施例及对比例热作模具钢的冲击性能及等向性能见表6。本发明施例及对比例热作模具钢的拉伸性能见表7。
表1本发明施例及对比例热作模具钢的成分(wt％)
注：余量为fe及不可避免的微量杂质
表2本发明施例及对比例热作模具钢的主要热轧工艺参数
表3本发明施例及对比例热作模具钢的主要热处理工艺参数
表4本发明施例及对比例热作模具钢的夹杂物
表5本发明施例及对比例热作模具钢的洛氏硬度性能
表6本发明施例及对比例热作模具钢的冲击性能及等向性能
表7本发明施例及对比例热作模具钢的拉伸性能
由上可知，实施例横向冲击功处于46.6～50.0j之间，纵向冲击功处于51.4～53.0j之间；钢板均匀度达2hrc，基本处于55.0～57.0hrc之间；等向性能达到0.88～0.95，抗拉强度均达到1600mpa以上，且同时具有良好的伸长率和收缩率。本发明所述的热作模具钢的硬度、冲击、拉伸等性能明显优于对比例，已经超过国内外优质热作模具钢。