本发明涉及含V、Nb非调质预硬型塑料模具钢及其制备方法，属于钢铁冶金领域。
背景技术：
塑料模具钢在服役时由于要承受较大的压力、弯曲力、冲击力和摩擦力等，因此，对其综合力学性能的要求较高，要有较高的硬度、强度和耐磨性，以及足够的韧性。
调质型塑料模具钢通过淬火、重新加热工序，能够使模具钢具有硬度均匀、加工性能及力学性能好、模具变形小等优点，然而，会出现热处理带来的变形、开裂、脱碳等缺陷，而且还会延长生产周期。相较而言，非调质预硬型塑料模具钢不需进行淬火、回火处理，经锻造或轧制后空冷可直接达到所需的调质硬度，不仅避免了加工后再热处理所造成的各种缺陷，提高了模具的制作精度，同时还能够缩短制作周期。
目前使用最广泛的预硬型塑料模具钢主要是P20(国标牌号3Cr2Mo)和718(国标牌号3Cr2NiMo)钢。P20为含(1.40％～2.00％)Cr、(0.30％～0.52％)Mo的CrMo钢，718是在P20基础上添加(0.80％～1.20％)Ni的高性能塑料模具钢。然而，以上钢种均需添加含量较高的Mo、Cr等贵重合金元素才能保证模具钢的力学性能，生产成本较高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供含V、Nb非调质预硬型塑料模具钢及其制备方法，以解决现有的预硬型塑料模具钢生产成本高以及调质型塑料模具钢生产周期长的问题。
本发明提供了含V、Nb非调质预硬型塑料模具钢，其特征是：其化学成分为：按重量百分比计，C：0.45％～0.52％、Si：0.30％～0.60％、Mn：1.20％～1.50％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr：0.20％～0.40％、V：0.12％～0.18％、Nb：0.010％～0.020％、Als：0.015％～0.050％、Mo≤0.03％、Ni≤0.30％、Cu≤0.25％，余量为Fe。
进一步地，所述化学成分按重量百分比计，满足以下至少一项：P含量为0.013％～0.014％；S含量为0.009％～0.014％；Als含量为0.029％～0.036％；Mo含量为0.001％；Ni含量为0.01％；Cu含量为0.03％。
进一步地，所述非调质预硬型塑料模具钢的制备方法包括如下步骤：转炉冶炼，转炉炉后吹入惰性气体，LF炉精炼，RH真空处理，连铸制得钢坯，钢坯加热、轧制成材，冷却，即得。
进一步地，所述钢坯加热、轧制成材步骤满足以下至少一项：
钢坯加热温度为950～1250℃；
优选地，钢坯加热温度为1191～1242℃；
均热温度为1150～1200℃；
加热和均热总时间为120～210min。
其中，均热温度需控制在1150℃以上，才能确保在奥氏体单相区轧制；另外，在铸坯加热过程中，温度越高，则奥氏体晶粒度约粗大，对成品的组织性能不利，本发明限定均热温度的上限不能超过1200℃，才能保证成品的组织性能。
其中，加热和均热总时间需要在120～210min才能确保铸坯心部和表面温度一致，否则温度梯度过大，则不利于成品的组织性能控制。
进一步地，采用扁钢轧制生产线轧制成扁钢。
进一步地，所述冷却步骤满足以下至少一项：
采取自然空冷、风冷、水冷、雾冷中一种或几种方式进行冷却；
冷却速度控制在1.00～1.50℃/s；
冷至650℃以下进行收集，之后自然空冷。
优选地，冷至509～638℃进行收集。
进一步地，根据扁钢的厚度选取冷却方式。
其中，将冷却速度控制在1.00～1.50℃/s才能获得塑料模具钢需要的组织和性能，否则会引起组织异常和性能不合。
其中，如果在温度高于650℃时进行收集，会导致钢的冷却速度变慢，从而影响钢的组织和性能，造成力学性能不合；低于该温度收集则没有问题，此后的冷却过程不影响钢的组织和性能。
进一步地，所述转炉冶炼步骤满足以下至少一项：
在转炉内加入铁水和废钢，入炉S含量≤0.060％；
铁水和废钢加入转炉后，通过转炉吹氧脱C，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到C：0.05％～0.20％、P≤0.025％、S≤0.025％，且出钢温度≥1650℃时出钢到钢包中；
优选地，出钢温度为1650～1690℃；
出钢过程中加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金、FeV合金、FeNb合金和增碳剂，控制C在0.40％～0.45％范围内，Si在0.35％～0.52％范围内，Mn在1.25％～1.45％范围内，Cr在0.25％～0.35％范围内，V在0.12％～0.18％范围内，Nb在0.010％～0.020％范围内；或者，采用FeSiMn合金代替FeSi合金和FeMn合金；
优选地，所述增碳剂为C粉或无烟煤；
在出钢1/3时开始加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金、FeV合金、FeNb合金和增碳剂，出钢至2/3前加完。
其中，控制入炉硫含量≤0.060％，才能保证成品硫含量达到≤0.030％的要求，否则需要通过LF炉进行脱硫，既增加了成本，又延长了精炼时间，不能确保冶炼和连铸节奏的匹配。
其中，初炼钢水成分的控制：C：如果控制在＜0.05％时钢中的氧活度较高，且波动较大，大约在50～1200ppm，后续精炼难以控制，且脱氧成本较高；如果C含量＞0.20％，由于转炉中的钢水温度是通过吹氧，使钢水中的强发热元素C、Si等被氧化而发热，从而提高钢水温度，如果终点C含量太高，则钢水的温度不能满足出钢要求；P：转炉内为氧化性气氛，P与吹入的氧发生氧化反应，其氧化产物被渣料吸附从而达到脱P的目的，而在后续LF精炼和RH真空处理过程中，钢包内为还原性气氛，出钢时带入的部分含高P的转炉渣中的P被还原而再次进入钢中，从而造成成品P超出控制范围(P≤0.030％)，因此，需要控制初炼钢水的P含量不大于0.025％；S：如果初炼钢水中S含量大于0.025％，容易造成成品S含量超出控制范围(S≤0.030％)，并且S在钢中容易形成硫化物夹杂，对模具的使用寿命极为不利。
其中，出钢温度控制为≥1650℃，才能确保钢水在到达LF炉之前不会凝固。如果温度控制得过高，则需要转炉深吹氧，不利于成本和终点碳的控制，因此优选出钢温度为1650～1690℃。
其中，出钢过程中加入合金、控制各成分的含量范围是关键步骤：生产实践中发现，如果超出上述限定的上限值，成品成分容易超出上限；如果转炉出钢时合金加入太少，导致各成分含量低于上述限定的下限值，RH炉成分微调时将需要加入大量合金，成分的均匀性和浇钢温度(合金量大钢水温降也大)难以保证，并且合金中通常都含有较多的杂质元素，此时加入大量合金，后续已无精炼措施，合金中的杂质元素难以去除，不利于纯净度的控制。
其中，在出钢1/3时开始加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金、FeV合金、FeNb合金和增碳剂，出钢至2/3前加完，有利于合金的充分熔化以及在钢水中分布均匀。如果加入合金过早，难以确保合金快速熔化；加入过晚，合金停留在钢水表面，不利于合金的熔化和均匀分布。
进一步地，所述转炉炉后吹入惰性气体步骤满足以下至少一项：
所述惰性气体为氩气或氮气；
吹入惰性气体的时间≥2min；
优选地，吹入惰性气体的时间≥4min；
吹入惰性气体时喂入铝线，对钢水进行预脱氧；
优选地，根据钢水氧活度喂入铝线，按吨钢喂入0.0015kg纯Al降低钢水氧活度1ppm进行控制，将钢水氧活度控制在30ppm以内。
其中，惰性气体的吹入时间不低于2min，才能够保证钢液有足够的循环时间，可以使加入的各类合金充分熔化和均匀。
进一步地，所述LF炉精炼步骤满足以下至少一项：
LF炉精炼采用电加热；
钢水温度为1556～1596℃。
其中，控制钢水温度为1556～1596℃，能够确保浇钢时钢水过热度在20～50℃之间，保证浇钢的顺利进行。
进一步地，所述RH真空处理步骤满足以下至少一项：
真空处理时间≥12min；
优选地，真空处理时间为14～18min；
真空度≤3mbar的处理时间≥10min；
优选地，真空度≤3mbar的处理时间为10～12min。
其中，真空度达到3mbar以下时，才能有效脱出钢水中[H]；保证真空度≤3mbar的处理时间≥10min，才能将钢水中的[H]控制在2.0ppm以内。
进一步地，所述连铸步骤满足以下至少一项：
中包温度为1496～1536℃；
优选地，中包温度为1511～1520℃；
铸坯冷却至室温。
本发明钢种的液相线温度约为1476～1486℃，控制中包温度比钢的液相线温度高20℃以上，能够确保钢水不会在钢包内凝固，确保浇钢顺利进行；当过热度超过50℃时，铸坯中心疏松和中心裂纹较为严重，中心疏松甚至可能达到3.0级以上，并产生大量的中心裂纹和缩孔等缺陷，因此，控制过热度的上限为50℃，才能够确保铸坯质量。
本发明提供了含V、Nb的非调质预硬型塑料模具钢，主要具有以下优点：
1、采用V、Nb微合金化方式，在保证模具钢所需力学性能的前提下，相较于现有的预硬型塑料模具钢能够大幅减少贵金属元素Mo、Cr的使用量，显著降低了生产成本。
2、无需调质处理，主要优化轧制过程中均热温度、总加热时间和轧后冷却速度等参数，通过在线的控轧控冷即可达到预硬化效果，操作方法简单，生产周期短，而且避免了加工成模具后的热处理变形等问题。
3、本发明制备得到的塑料模具钢硬度可控制到28～36HRC范围内，能够满足市场对预硬型塑料模具钢的要求，适合在工业生产中推广应用。
具体实施方式
本发明具体实施方式中使用的原料、设备均为已知产品，通过购买市售产品获得。
本发明提供了含V、Nb的非调质预硬型塑料模具钢，其特征是：其化学成分为：按重量百分比计，C：0.45％～0.52％、Si：0.30％～0.60％、Mn：1.20％～1.50％、P≤0.030％、S≤0.030％、Cr：0.20％～0.40％、V：0.12％～0.18％、Nb：0.010％～0.020％、Als：0.015％～0.050％、Mo≤0.03％、Ni≤0.30％、Cu≤0.25％，余量为Fe。
本发明塑料模具钢通过添加合金成分V：0.12％～0.18％和Nb：0.010％～0.020％，大幅减少了贵金属元素Mo、Cr的使用量，并且能够制备得到硬度为28～36HRC的塑料模具钢。其中，加入V：0.12％～0.18％和Nb：0.010％～0.020％，主要是为了充分发挥其沉淀强化和细化晶粒作用，可以使钢保持细晶粒组织，以保证钢具有良好的强韧性匹配和高的硬度，从而提高模具的使用寿命。
此外，本发明塑料模具钢的化学成分还含有Cr：0.20％～0.40％，Cr是有效提高钢的淬透性、抗拉强度和硬度的元素之一，因此，加入0.20％～0.40％的Cr主要是为了提高钢在在线预硬化处理后的综合性能。
进一步地，本发明优化轧制过程中均热温度、总加热时间和轧后冷却速度等参数，通过在线的控轧控冷即可达到预硬化效果，无需进行调质处理。
实施例1本发明预硬型塑料模具钢的制备
在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产含V、Nb非调质预硬型塑料模具钢，生产工艺为转炉冶炼→炉后吹入惰性气体→LF炉精炼→RH真空处理→4机4流方坯连铸机浇铸成360mm×450mm钢坯→钢坯加热→扁钢轧制生产线轧制成10～100mm(厚)×400～500mm(宽)→轧后在线预硬化处理。
首先在转炉内加入124吨铁水和20吨废钢，入炉S含量为0.041％，铁水和废钢加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.05％的C、0.017％的P、0.008％的S，温度为1678℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为134吨(转炉冶炼过程中约5％的原料被烧损)。出钢1/3时开始向钢液中加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金、FeV合金、FeNb合金和无烟煤进行Si、Mn、Cr、V、Nb和C元素合金化，出钢2/3前加完，其中加入的FeSi合金中Si含量为74％，FeMn合金中Mn含量为82％，FeCr合金中Cr含量为54％，FeNb合金中Nb含量为65％，FeV合金中V含量为78％，无烟煤中固定C为92％，控制钢水中C含量为0.42％、Si含量为0.45％、Mn含量为1.33％、Cr含量为0.28％、Nb含量为0.011％、V含量为0.12％。
钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氩气，吹入氩气4min后采用喂线的方法喂入200m铝线，将钢水氧活度控制在30ppm以内。
钢水到达LF炉后，接通氩气管道吹入氩气，并进行电加热，钢水温度到达1573℃时，将钢液送到RH工序进行真空处理。
钢水到达RH工序后，进行真空处理，真空处理时间为14min，其中真空度≤3mbar的处理时间为10min时，进行成分微调，随后将钢液送至连铸机进行浇铸。
在4机4流方坯连铸机上浇铸成360mm×450mm铸坯，连铸时中间包温度为1511℃，钢的液相线温度为1482℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.46％的C、0.32％的Si、1.26％的Mn、0.014％的P、0.014％的S、0.22％的Cr、0.12％的V％、0.011％的Nb、0.029％的Als、0.001％的Mo、0.01％的Ni、0.03％的Cu，余量为Fe和不可避免的杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。
铸坯冷却后送至扁钢轧制生产线进行加热、轧制，轧制规格为10mm(厚)×410mm(宽)的扁钢。钢坯加热温度控制为1242℃，均热温度控制为1191℃，加热和均热总时间204min；轧后自然空冷，冷却速度为1.0℃/s，冷至638℃时进行收集，之后堆垛自然空冷。
钢的硬度检验结果为35HRC；力学性能检验结果：Rel为637.7Mpa、Rm为895.1Mpa、A为44.2％、Aku(常温)36.0J；钢的组织均为铁素体+珠光体；钢的脱碳层深度测量结果为0.41mm；钢的非金属夹杂物评级结果为A类细系1.0级、A类粗系0级、B类细系0.5级、B类粗系0.5级、C类细系0级、C类粗系0级、D类细系0级、D类粗系0级、Ds类为0级。
实施例2本发明预硬型塑料模具钢的制备
在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产含V、Nb非调质预硬型塑料模具钢，生产工艺为转炉冶炼→炉后吹入惰性气体→LF炉精炼→RH真空处理→4机4流方坯连铸机浇铸成360mm×450mm钢坯→钢坯加热→扁钢轧制生产线轧制成10～100mm(厚)×400～500mm(宽)→轧后在线预硬化处理。
首先在转炉内加入127吨铁水和20吨废钢，入炉S含量为0.039％，铁水和废钢加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.16％的C、0.012％的P、0.011％的S，温度为1674℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为135吨(转炉冶炼过程中约5％的原料被烧损)。出钢1/3时开始向钢液中加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金、FeV合金、FeNb合金和无烟煤进行Si、Mn、Cr、V、Nb和C元素合金化，出钢2/3前加完，其中加入的FeSi合金中Si含量为74％，FeMn合金中Mn含量为82％，FeCr合金中Cr含量为54％，FeNb合金中Nb含量为65％，FeV合金中V含量为78％，无烟煤中固定C为92％，控制钢水中C含量为0.44％、Si含量为0.41％，Mn含量为1.38％，Cr含量为0.26％、Nb含量为0.019％、V含量为0.18％。
钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氩气，吹入氩气4min后采用喂线的方法喂入200m铝线，将钢水氧活度控制在30ppm以内。
钢水到达LF炉后，接通氩气管道吹入氩气，并进行电加热，钢水温度到达1571℃时，将钢液送到RH工序进行真空处理。
钢水到达RH工序后，进行真空处理，真空处理时间为18min，其中真空度≤3mbar的处理时间为12min时，进行成分微调，随后将钢液送至连铸机进行浇铸。
在4机4流方坯连铸机上浇铸成360mm×450mm铸坯，连铸时中间包温度为1520℃，钢的液相线温度为1482℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.51％的C、0.57％的Si、1.46％的Mn、0.013％的P、0.011％的S、0.38％的Cr、0.18％的V％、0.019％的Nb、0.036％的Als、0.001％的Mo、0.01％的Ni、0.03％的Cu，余量为Fe和不可避免的杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。
铸坯冷却后送至扁钢轧制生产线进行加热、轧制，轧制规格为100mm(厚)×500mm(宽)的扁钢。钢坯加热温度控制为1191℃，均热温度控制为1154℃，加热和均热总时间124min；轧后通过穿水+喷雾冷却方式进行在线预硬化处理，钢的表面冷却速度为1.4℃/s，冷至509℃时进行收集，之后堆垛自然空冷。
钢的硬度检验结果为30HRC；力学性能检验结果：Rel为696.3Mpa、Rm为999.2Mpa、A为38.7％、Aku(常温)24.9J；钢的组织均为铁素体+珠光体；钢的脱碳层深度测量结果为0.30mm；钢的非金属夹杂物评级结果为A类细系0.5级、A类粗系0.5级、B类细系0.5级、B类粗系0.5级、C类细系0级、C类粗系0级、D类细系0级、D类粗系0级、Ds类为0级。
实施例3本发明预硬型塑料模具钢的制备
在公称容量120吨(实际出钢量在120～140吨范围内)转炉流程上采用本发明技术生产含V、Nb非调质预硬型塑料模具钢，生产工艺为转炉冶炼→炉后吹入惰性气体→LF炉精炼→RH真空处理→4机4流方坯连铸机浇铸成360mm×450mm钢坯→钢坯加热→扁钢轧制生产线轧制成10～100mm(厚)×400～500mm(宽)→轧后在线预硬化处理。
首先在转炉内加入124吨铁水和20吨废钢，入炉S含量为0.048％，铁水和废钢加入转炉后，利用转炉吹氧脱C的功能，将铁水和废钢初炼成钢水，当钢水成分初炼到0.19％的C、0.017％的P、0.013％的S，温度为1681℃时出钢到钢包中，此时实际出钢量为132吨(转炉冶炼过程中约5％的原料被烧损)。出钢1/3时开始向钢液中加入FeSi合金、FeMn合金、FeCr合金、FeV合金、FeNb合金和无烟煤进行Si、Mn、Cr、V、Nb和C元素合金化，出钢2/3前加完，其中加入的FeSi合金中Si含量为74％，FeMn合金中Mn含量为82％，FeCr合金中Cr含量为54％，FeNb合金中Nb含量为65％，FeV合金中V含量为78％，无烟煤中固定C为92％，控制钢水中C含量为0.44％、Si含量为0.46％，Mn含量为1.38％，Cr含量为0.30％、Nb含量为0.015％、V含量为0.15％。
钢水到达炉后小平台后，钢水包立即接入管道，向钢包中的钢液吹入氩气，吹入氩气4min后采用喂线的方法喂入200m铝线，将钢水氧活度控制在30ppm以内。
钢水到达LF炉后，接通氩气管道吹入氩气，并进行电加热，钢水温度到达1576℃时，将钢液送到RH工序进行真空处理。
钢水到达RH工序后，进行真空处理，真空处理时间为15min，其中真空度≤3mbar的处理时间为12min时，进行成分微调，随后将钢液送至连铸机进行浇铸。
在4机4流方坯连铸机上浇铸成360mm×450mm铸坯，连铸时中间包温度为1514℃，钢的液相线温度为1482℃，在连铸机中包取样分析钢水化学组分为0.48％的C、0.45％的Si、1.38％的Mn、0.013％的P、0.009％的S、0.31％的Cr、0.15％的V％、0.016％的Nb、0.034％的Als、0.001％的Mo、0.01％的Ni、0.03％的Cu，余量为Fe和不可避免的杂质。铸坯堆垛自然冷却至室温。
铸坯冷却后送至扁钢轧制生产线进行加热、轧制，轧制规格为60mm(厚)×455mm(宽)的扁钢。钢坯加热温度控制为1211℃，均热温度控制为1187℃，加热和均热总时间177min；轧后通过喷雾+风冷方式进行在线预硬化处理，钢的表面冷却速度为1.2℃/s，冷至597℃时进行收集，之后堆垛自然空冷。
钢的硬度检验结果为32HRC；力学性能检验结果：Rel为658.3Mpa、Rm为937.6Mpa、A为38.8％、Aku(常温)26.9J；钢的组织均为铁素体+珠光体；钢的脱碳层深度测量结果为0.41mm；钢的非金属夹杂物评级结果为A类细系1.0级、A类粗系0级、B类细系0.5级、B类粗系0.5级、C类细系0级、C类粗系0级、D类细系0级、D类粗系0级、Ds类为0级。