本发明涉及一种模具钢及其制备工艺，尤其是指易切削无磁性模具钢及其生产工艺。
背景技术：
随着塑料工业的迅速发展及专业化模具制造厂的出现，对塑料制品成型模具钢的需求量越来越大,对钢的性能和质量要求也越来越高。由于制作添加了铁氧体成分的塑料制品，需要在磁场内注射成型，要求模具本身无磁性，因此一般采用奥氏体钢制作，同时要求其具有高的耐磨性要求。为了获得满足要求的无磁性模具钢，通常会选择加入较高含量的mn，但这种钢具有明显的冷作硬化现象，造成机加工性能下降，在加工过程中会出现加工周期长，成本高等问题。易切削钢是在钢中加入一种或几种元素，利用其本身或其他元素形成对切削加工有利的夹杂物来改善钢材的切削性。易切削钢有较好的切削加工性能和较好的表面光洁度，能降低产品的制造成本。随着机械制造工业和汽车工业的发展，易切削钢的使用量不断增加。在日本、美国等工业国家已形成易切削钢的标准化系列产品。但在模具制造领域，特别是在无磁模具制造领域，易切削钢的应用还很少。技术实现要素：本发明提供了一种具有良好切削性能的无磁性模具钢，通过mg、ca、al、cu、s的复合添加，在保持无磁性的情况下进一步改进了钢材的切削性能，降低了其加工成本，缩短模具产品生产周期，适合大范围推广使用。具体技术方案是：一种无磁性模具钢，以质量百分比计，具有如下组分：c：0.55-0.78％，si：0.9-1.2％，mn：14.8-17.4％，cr：5.5-9.5％，s：0.1-0.35％，mg：0.001-0.015％，al：0.04-0.12％，ca：0.0006-0.0012％，v：2.0-4.2％，mo:0.5-0.8％，n：0.08-0.12％，nb:0.1-0.25％，cu：0.4-1.5％，o：0.003-0.015％余量为fe和不可避免的杂质元素。优选的，所述合金组分满足以下条件中：cu％/s％≥4公式10.7≦(ca％+mg％)/o％≦3公式2本发明的无磁性易切削模具钢通过如下工艺步骤进行制造：(1)冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，lf炉外精炼。为保证钢中易切削夹杂物形态，在炉外精炼时采用先向钢中加入ca-si线进行ca处理，再向钢中加入mg-al中间合金的步骤进行处理，在保护气氛下进行浇铸，获得铸锭；(2)进行电渣重熔，优选的在电渣重熔时采用以下重熔渣，以提高mg的收得率。具体的熔炼渣组分为：(20～35％)caf2-(8～15％)cacl2-(15～28)％al203-(15～25)％cao-(7-13)％mgo(3)电渣重熔后进行锻造成型，之后进行1150～1180℃固溶处理后水冷，之后再将固溶后的钢材于550-720℃时效处理2-20小时。本发明所述易切削无磁性模具钢的抗拉强度可达1100mpa以上，屈服强度达1000mpa以上，且时效后硬度可达48hrc以上，且与本领域常规的无磁性模具钢相比，机加工时刀具磨损量下降30％以上。本发明各元素的作用：c：c：0.55-0.78％钢中主要的强化元素，与cr、mo、v结合形成碳化物，赋予淬火回火硬度、提高耐磨耗性的元素，为了保证足够碳化物的析出，本发明中的c含量应不低于0.55％，但过多碳化物的析出将影响钢的韧性和加工性，因此限制其添加上限为0.78％。。si：0.9-1.2％si可作为脱氧元素，在钢中不形成碳化物，能固溶于铁素体中影响钢的强度性能。钢经450～550℃回火后，会促进钢产生二次硬化效应，提高钢的高温强度，且能够有效提高钢在高温下的抗氧化能力，提高在氧化介质之中的耐蚀性。为了获得上述性能，本发明中控制si含量为0.9-1.2％。mn：14.8-17.4％mn是奥氏体扩大元素，还能够提高钢的强度和耐蚀性，并且具有增大钢中n的固溶度的效果，同时能增加钢的淬透性，提高奥氏体钢的硬度和强度。本发明中通过增加mn的含量，扩大了钢中n的固溶度，并通过与n的协同作用，有效的替代了ni，获得了无ni的奥氏体模具钢。n：0.08-0.12％碳氮原子具有相似电子层结构和较小的原子尺寸，钢中氮同样以间隙原子或间隙相的形式存在，氮元素能强烈地扩大奥氏体区并稳定奥氏体，氮的这种作用相当于镍的25倍，且氮溶解引起的固溶强化作用提钢的强度。在n量增加的情况下，虽然cr氮化物析出，但与碳化物相比，该氮化物不容易粗大化。且与c的加入相比，c的加入使粗大的碳化物cr23c6分布于晶粒边界，而n的存在使细小的碳氮化物颗粒弥散于晶粒边界。在增加钢材强度的同时，进一步提高其加工性。cr：5.5-9.5％cr的加入能显著改善钢的抗氧化作用，增加钢的抗腐蚀能力。同时cr能显著增加钢的淬透性，减缓了奥氏体的分解速度。nb、v、mo：是强碳化物和氮化物形成元素，在本发明中与c、n配合能够有效的提高钢的强度和韧性，增加钢的回火稳定性，并产生二次硬化效果，从而满足模具钢耐磨性的要求。s：0.1-0.35％s是提高切削加工性的元素，因此添加0.10％以上，s的含量优选为0.12％以上。但是，即使添加量超过0.35％，对切削性的影响也会饱和。cu：0.40～1.50wt％cu能够稳定奥氏体相，并起到固溶强化的作用，且cu与s配合还能改善合金的易切削性，保证cu/s比值≥4，优选mn/s比值≥8，以保证足够的切削性能。mg：0.001-0.015％同时，mg与al、si、ca一起形成mgo-sio2-cao-al2o3复合球化物，大大改善合金的切削性能。此外，镁铝尖晶石类夹杂物还可作为碳化物的析出核心，起到细化碳化物的作用，从而整体提高钢材的强韧性。al：0.04-0.12％会与n结合形成aln，使得铸造组织均匀微细，并使mc型碳化物微细，从而提高原料的热加工性、产品的寿命。同时会与mg形成复合球化物改善切削性能。ca：0.0006-0.0012％在钢液凝固过程中，钙的氧化产物作为硫化物形核核心，可以促进硫化物的析出和硫化物的均匀分布。同时与al、si、mg一起形成mgo-sio2-cao-al2o3复合球化物.o：0.003-0.004％o通过在凝固过程中粗化脱氧产物来改善可加工性。因此，需要0.003％以上，优选含有0.004％以上。但是，当o的添加量超过0.015％时，硬质夹杂物增加，切削性降低。因此，o含量的上限设定为0.015％，优选为0.014％。申请人惊奇的发现，当ca、mg、o的含量满足0.7≦(ca％+mg％)/o％≦3的关系时，钢的切削性能更优，这可能与ca、mg氧化物的生成量和形态有关。在本发明的制造工艺中，炉外精炼时采用先向钢中加入ca-si线进行ca处理，再向钢中加入mg-al中间合金的步骤进行处理。通过控制微量合金元素的添加顺序，能够获得所希望的夹杂物形态，从而达到细化组织，并提高切削性能的效果。电渣重熔工艺中重熔渣的选择对于钢中mg含量的影响显著，从而影响钢材的切削性能。具体实施方式试样1-5是本申请的实施例、试样b1-b4是本申请的对比例，其具体组分见下表1。试样1-5、b1-b4均按照以下步骤进行制备：冶炼及合金化，电炉冶炼、出钢，lf炉外精炼。为保证钢中易切削夹杂物形态，在炉外精炼时采用先向钢中加入ca-si线进行ca处理，再向钢中加入mg-al中间合金的步骤进行处理，在保护气氛下进行浇铸，获得铸锭；进行电渣重熔，优选的在电渣重熔时采用以下重熔渣，以提高mg的收得率。具体的熔炼渣组分为：(20～35％)caf2-(8～15％)cacl2-(15～28)％al203-(15～25)％cao-(7-13)％mgo电渣重熔后进行锻造成型，之后进行1150～1180℃固溶处理后水冷，之后再将固溶后的钢材于550-720℃时效处理2-20小时。对时效处理后的试样1-5、b1-b4，以及本领域常用的无磁模具钢70mn15进行力学性能和磁导率进行测试，并记录采用相同刀具连续切削30min后的刀具磨损量，以此评价其切削性能。具体结果参见表2。表1试样csimncrscumgcaalnvmonbo公式1公式210.550.9614.67.80.10.40.0010.00120.060.122.50.620.180.00340.7320.660.915.66.80.220.980.0080.00080.10.0083.20.50.220.0054.451.7630.65115.85.60.31.50.0050.00090.040.13.80.620.10.00750.8440.780.9517.38.70.281.20.0120.0010.080.0920.750.120.0154.20.8550.721.216.99.50.351.450.0150.0010.120.084.20.80.250.0064.12.6b10.680.95176.20.10.40.0040.00090.0050.0920.770.120.00840.61b20.661.116.890.31.50.0140.00120.0090.0830.780.220.00355b30.72116.49.10.30.40.0080.000810.12.80.550.230.0051.31.76b40.580.91580.20.50.0150.0010.0080.113.50.60.180.0062.52.6表2由表2的测试结果可以看出，试样1-5的力学性能、无磁性优异，且具有低的刀具磨损量。对比例b1、b2的组分不满足公式2的要求，对比例b3、b4的组分不满足公式3的要求，因此刀具磨损量显著增加。在相同条件下对本领域常用的70mn15型无磁模具钢进行测试，30min的刀具磨损量为0.44mm，可见本发明的无磁模具钢的切削性能有显著的提升。此外，在生产试样3组分的钢材时，改变炉外精炼时ca、mg的加入顺序，先向钢中加入mg-al中间合金，最后加入ca-si线，之后实施相同的热加工和热处理工艺，由此获得对比例b5。对b5进行切削性能测试，发现其30min的刀具磨损量达0.35mm，远高于试样3。由此可见，本申请中的mg、ca加入顺序也是至关重要的。在生产试样2组分的钢材时，改变电渣重熔时电熔渣的组分，采用35％caf2-15％al203-35％cao-15％mgo的电熔渣，其余步骤均与试样2相同，由此获得对比例b6。对b6进行切削性能测试，发现其30min的刀具磨损量达0.4mm，远高于试样3。由此可见，本申请中的电熔渣的选择也是至关重要的。上面对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。当前第1页12