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：
家电用品零件、机电工业零部件、橡胶制品、陶瓷制品、塑料制品等大都采用模具成型，因此，模具在很大程度上决定着产品的质量、效益和产品的开发能力。然而，由于长时间受到较高的温度、压力、应力等复杂因素的影响，模具失效经常发生，主要表现在形状变化、尺寸超差等方面，其基本的失效形式表现为：表面磨损和腐蚀、断裂、变形和模具的意外损坏。因此，好的模具钢需要具有较高的耐磨性、耐腐蚀性、强度、硬度等性能。其中，塑料模具钢作为模具钢中产量最多、比例最大的品种，在近年来发展势头强劲，对产品的质量也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，该模具钢成分重量百分比为：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％和余量铁。其制备方法是在电炉熔炼时，加ti和稀土re处理，制备100～300kg铸锭，再经过电渣重熔，重熔后经过轧制获得扁钢，轧制变形量为50～70％，再将扁钢加热至650～760℃，保温5～6小时，炉冷至280～320℃，保温3～5小时，再加热至650～690℃，保温32小时，以40℃/小时冷却至400℃，再以18℃/小时，冷却至120℃；对上述得到的扁钢进行热处理，再加热至1000℃并保温1-2h，油冷至不高于100℃后重新加热至680℃～710℃的温度范围并保温3h，之后水冷；经过回火处理后，再将扁钢的头部加热到320～400℃，保温4-5小时，然后喷雾冷却处理，扁钢的尾部在900-1020℃，保温6-8小时，然后空冷，最后扁钢中部再加温至温度为160～190℃，保温2-3小时，放入铁箱中堆冷。
上述制备工艺为保证模具钢具有较高的硬度和韧性，需加入较多合金元素以及稀土元素la和ce，由于稀土元素的化学性质活泼，可以中和钢中的氧、硫等杂质，使之发生剧烈的反应，从而净化钢质，使钢的整体性能得到了明显提高。然而，这样却造成珍贵资源的浪费，大幅增加了生产成本。此外，采用该方法制备的铸锭重量偏小，推广应用范围受到限制。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供模具钢及其制备方法，以解决现有技术为提高模具钢的整体性能需添加稀土元素及大量合金元素，导致生产成本过高的问题。
本发明提供了模具钢，化学成分按重量百分比计为：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％，余量为fe。
进一步地，化学成分按重量百分比计为：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％，余量为fe。
本发明提供了所述模具钢的制备方法，包括如下步骤：冶炼得到所述化学成分的钢液，铸造成钢坯，轧制，热处理，即得。
进一步地，所述热处理方法为：加热至1020℃～1100℃，加热时间8～20h，淬火，于500～590℃回火，回火时间5～20h。
进一步地，所述淬火方法为：出炉空冷2～3min，喷雾冷2～4min，然后喷水冷至表面温度640～660℃，再风冷2～5min，然后继续喷水冷至表面温度390～410℃，再风冷3～5min，然后继续喷水冷至表面温度190～210℃，出热处理槽空冷。
进一步地，所述喷雾冷的喷雾压力为5～8mpa；所述喷水冷的水压为7～16mpa；所述风冷的风速为2～4m/s。
进一步地，所述轧制步骤轧制得到扁钢，然后将扁钢加热至650～750℃，保温4～8h，炉冷至280～350℃，保温2～6h，再加热至650～700℃，保温25～35h，以30～60℃/h速度冷却至390～410℃，再以15～20℃/h速度冷却至140～160℃。
进一步地，轧制总变形量为60～80％。
进一步地，所述铸造方法为：模铸成钢锭，模铸采用下注法，在水口用氩气保护浇注。
本发明提供了所述模具钢在制备塑料模具中的用途。
本发明模具钢的生产工艺流程为：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→模铸→电渣重熔→钢坯加热→轧制扁钢→加热炉冷→二次加热、保温→冷却→热处理→包装入库。优选的实施方式包括如下步骤：
冶炼：a)采用偏心炉底出钢电炉进行初次冶炼，氧化脱碳(脱碳量≥0.4％)，要求氧化期做到高温氧化，剧烈沸腾，沸腾时间≥8min以利于钢中有害气体及夹杂物上浮，造高碱度(r＝4.0～6.0)硅酸盐氧化渣低温(1535～1660℃)下脱磷至0.006％以下，获得氮含量小于或等于110ppm的钢液；b)采用精炼炉进行大渣量精炼，补加石灰、萤石，送电升温，进行合金化定量调整，进行造白渣深脱p、s操作，用碳粉保持，白渣保持时间≥18min，补加适量si粉、al粉，进行深脱氧去硫，保证白渣流动性良好，温度≥1610℃，s≤0.002％，取样全分析，调整成分；氮含量控制在n：0.020％左右；c)采用真空精炼炉进行二次精炼，要求真空处理前精炼钢液温度≥1680℃，要求入真空精炼炉炉渣厚度≤40mm；控制钢液中的非金属夹杂物，提高冶金质量，根据入炉前硅含量，进行喂硅钙线调整，并进行成分精调，在真空处理过程中，保证在极限真空度小于60pa的时间大于20分钟。
其中，采用偏心炉底出钢电炉进行初次冶炼。在熔化期采用大功率送电熔化、迅速造好氧化白渣进行深脱磷、保证氧化温度大于1580℃，并在氧化末期保证一定的钢液碳含量，此时采用增大氧化流量的方法一方面快速脱碳。优选地，将出钢温度控制在1650℃以上。由于该类钢在精炼时合金的加入量在5吨以上，合金加入量大，若出钢温度低于1650℃，则精炼时间将很长，钢液吸氮会严重；相反，若出钢温度在1650℃以上，则精炼时间将大幅缩短，钢液中的氮含量有效地控制在0.025％左右。
其中，采用lf钢包炉进行精炼，钢包入lf精炼炉后，要迅速造好精炼白渣、进行合金化并保证钢液脱氧、脱硫良好，控制s≤0.002％、s+p≤0.015％，最后视钢液中的氮含量通过喂铝线或通氮气的方式来控制钢液中的氮含量在0.025％～0.030％范围。
模铸：采用下注法，并在水口用氩气保护浇注，在浇钢前通过在钢锭模内吹入氩气的方式排出钢锭模内的空气，以防空气中的氮气进入钢液导致增氮，同时还确保钢包水口离中注管口高度≤55mm，得到氮含量0.020～0.040％范围的钢锭。采用上述方法制备的方锭3.5t、4.0t，八角锭5.0t～8.0t，之后分别对钢锭进行氮和氧含量检测。
轧制：a)钢锭再经电渣重熔，重熔后模钢锭直接经过轧制获得扁钢，轧制5道次，单道次压下量≥18％，轧制累计总变形量为60～80％，再将扁钢加热至650～750℃，保温4～8h，炉冷至280～350℃，保温2～6h；b)将a步骤钢锭再加热至650～700℃，保温25～35h，以30～60℃/h速度冷却至400℃，再以15～20℃/h速度冷却至150℃；
热处理：a)将得到的扁钢再加热至1020℃～1100℃，加热时间8～20h；进行淬火：淬火热处理为先出炉空冷2～3min，喷雾冷2～4min，然后喷水冷至表面温度650℃，再风冷2～5min，然后继续喷水冷至400℃，再风冷3～5min，然后继续喷水冷至200℃，出热处理槽空冷；b)回火过程：回火温度为500～590℃，回火时间为5～20h；其中，所述喷雾冷中喷雾压力为5～8mpa；所述风冷的风速为2～4m/s；所述水冷的水压为7～16mpa。
本发明提供的模具钢采用钒钛微合金化成分路线，并充分发挥低p、s控制技术和中高氮含量控制的好处，制备得到的产品硬度在hrc50～55之间，室温(20℃)冲击韧性akv在20～30j/cm2之间，(0℃)冲击韧性akv在15～18j/cm2之间，比长钢40cr13的冲击韧性akv提高20％，耐蚀性、强韧性和硬度俱佳，综合机械性能优良，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。
本发明提供了模具钢，其化学成分按重量百分比计为：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％，余量为fe。
其中，v的作用：1、钒能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；2、提高钢在高温高压氢气中的稳定性，使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上；3、在珠光体低合金钢中，钒可阻止钼钢在高温下的石墨化现象；4、通过在最终铁素体组织中析出，形成弥散细小分布的vn析出物，增加强韧性和抗疲劳性能。
ti的作用：加入的微量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，在最终铁素体组织中析出细小弥散分布的tic析出物，起到析出强化作用，还能改善成品的焊接性能。
n的作用：一般而言，氮被视为一种有害元素，对钢的力学性能有不利影响。其危害主要表现在：fe4n的析出导致钢的时效性和蓝脆，降低钢的韧性和塑性；与钢中钛、铝等元素形成带棱角而性脆的夹杂物；钢中残留氮含量较高时，会导致钢宏观组织疏松甚至形成气泡。本发明控制钢中氮含量在0.02-0.04％范围内，fe-n合金经过淬火-回火工艺形成了弥散的氮化物，能够充分发挥氮在钢中的有利作用。与碳化物相比，氮化物更稳定，更细小，带来的好处有：1、提高屈服强度。低于600℃回火时，钢中形成细小的cr2n析出物并与高密度的晶格位错以及狭窄的马氏体条共同作用，使得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，析出物也越细，提高氮合金化钢的屈服强度。2、改善冲击韧性。含氮铁素体钢中，由于析出了大量细小且稳定的(nb,v)x相，从而抑制了晶粒长大，铁素体晶粒越小，脆性转变温度就越低，韧性也就越好。3、改善高温性能。总而言之，通过加入固溶氮元素，能够提高模具钢的强度、硬度和耐磨性，并且不降低韧性。
综上所述，本发明主要通过控制v、ti、n的含量(v：0.15-0.4％、ti：0.1-0.5％、n：0.02-0.04％)，达到了提高模具钢综合机械性能的效果，尤其是提高了钢的硬度和韧性，从而能够避免使用稀土金属，并降低了合金元素的总添加量，显著降低了生产成本。
此外，杂质元素s、p对模具钢的韧性具有不利影响。在高温状态下服役时，由于s、p等杂质元素向晶界的动态偏聚，会损害模具的高温塑性、韧性，导致模具发生高温脆裂。有关研究表明，s、p含量降低，有助于改善钢的冷热疲劳性能。
本发明由于能够避免使用稀土金属，而且降低了合金元素的总添加量，总体上就减少了s、p等杂质的引入，因此得以通过精炼工艺将p含量控制在0.012％以下，s含量控制在0.002％以下，从而减轻甚至消除微量杂质元素的危害，改善了模具钢的质量，使其具有优良的耐腐蚀性、硬度、韧性等性能。
本发明还提供了所述模具钢的制备方法，包括如下步骤：冶炼得到所述化学成分的钢液，铸造成钢坯，轧制，热处理，即得。
其中，热处理是关键步骤，处理方法为：加热至1020℃～1100℃，加热时间8～20h，淬火，于500～590℃回火，回火时间5～20h。采用该方法对钢材进行淬火+高温回火的调质处理，能够充分发挥v、ti、n的微合金强化作用并控制均匀析出，进一步提高模具钢的冲击韧性、耐腐蚀性、塑性、冷加工性能、成型性等性能。
实施例1本发明模具钢的制备
冶炼得到下述化学成分的钢液，按重量百分比计：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％。
模铸：采用下注法，并在水口用氩气保护浇注，在浇钢前通过在钢锭模内吹入氩气的方式排出钢锭模内的空气，以防空气中的氮气进入钢液导致增氮，同时还确保钢包水口离中注管口高度≤55mm，得到钢锭。
轧制：a)钢锭再经电渣重熔，重熔后模钢锭直接经过轧制获得扁钢，轧制5道次，单道次压下量≥18％，轧制累计总变形量为60～80％，再将扁钢加热至650～750℃，保温4～8h，炉冷至280～350℃，保温2～6h；b)将a步骤钢锭再加热至650～700℃，保温25～35h，以30～60℃/h速度冷却至400℃，再以15～20℃/h速度冷却至150℃；
热处理：a)将得到的扁钢再加热至1020℃～1100℃，加热时间8～20h；进行淬火：淬火热处理为先出炉空冷2～3min，喷雾冷2～4min，然后喷水冷至表面温度650℃，再风冷2～5min，然后继续喷水冷至400℃，再风冷3～5min，然后继续喷水冷至200℃，出热处理槽空冷；b)回火过程：回火温度为500～590℃，回火时间为5～20h；其中，所述喷雾冷中喷雾压力为5～8mpa；所述风冷的风速为2～4m/s；所述水冷的水压为7～16mpa。
实施例2本发明模具钢的制备
冶炼得到下述化学成分的钢液，按重量百分比计：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％。
模铸：采用下注法，并在水口用氩气保护浇注，在浇钢前通过在钢锭模内吹入氩气的方式排出钢锭模内的空气，以防空气中的氮气进入钢液导致增氮，同时还确保钢包水口离中注管口高度≤55mm，得到钢锭。
轧制：a)钢锭再经电渣重熔，重熔后模钢锭直接经过轧制获得扁钢，轧制5道次，单道次压下量≥18％，轧制累计总变形量为60～80％，再将扁钢加热至650～750℃，保温4～8h，炉冷至280～350℃，保温2～6h；b)将a步骤钢锭再加热至650～700℃，保温25～35h，以30～60℃/h速度冷却至400℃，再以15～20℃/h速度冷却至150℃；
热处理：a)将得到的扁钢再加热至1020℃～1100℃，加热时间8～20h；进行淬火：淬火热处理为先出炉空冷2～3min，喷雾冷2～4min，然后喷水冷至表面温度650℃，再风冷2～5min，然后继续喷水冷至400℃，再风冷3～5min，然后继续喷水冷至200℃，出热处理槽空冷；b)回火过程：回火温度为500～590℃，回火时间为5～20h；其中，所述喷雾冷中喷雾压力为5～8mpa；所述风冷的风速为2～4m/s；所述水冷的水压为7～16mpa。
对比例冶炼得到下述化学成分的钢液，按重量百分比计：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％。
其中转炉冶炼过程按模具钢常规脱气操作等，获得氮含量≤100ppm的钢液；精炼过程中深脱氧脱气后，未进行补氮操作调整，最终氮含量控制在≤90ppm的钢液；
模铸：采用下注法，并在水口用氩气保护浇注，在浇钢前通过在钢锭模内吹入氩气的方式排出钢锭模内的空气，以防空气中的氮气进入钢液导致增氮，同时还确保钢包水口离中注管口高度≤55mm，得到3.5t钢锭。
轧制：a)钢锭再经电渣重熔，重熔后模钢锭直接经过轧制获得扁钢，轧制5道次，压下量未按大压下量强制要求，轧制累计总变形量为65％，轧后空冷至280～350℃，保温2～6h；b)将a步骤钢锭再加热至650℃，保温5～15h，以60℃/h速度冷却至400℃，再以15～20℃/h速度冷却至150℃；
热处理：a)将得到的扁钢再加热至1020℃～1100℃，加热时间8～12h；进行淬火：淬火热处理喷水冷至400℃，再风冷3～5min，然后继续喷水冷至200℃，出热处理槽空冷；b)回火过程：回火温度为500～590℃，回火时间为5～20h。
实施例1、2和对比例模具钢的化学成分见表1，性能检测结果见表2。
表1模具钢的化学成分
表2模具钢的性能检测结果