一种易切削模具钢及其制备方法与流程

本技术涉及钢材的，更具体地说，它涉及一种易切削模具钢及其制备方法。

背景技术：

1、模具钢是指专门制造模具的特殊钢材，模具钢根据其用途和工作环境可以划分为塑料模具钢、压铸模具钢等类型。塑料模具钢一般使用温度在60～120℃，适用于制造注塑、挤出等塑料制品的成型模具。由于塑料制品在生产过程中炽热的塑料熔融液对塑料模具钢进行冲刷磨损，并且，塑料熔融液中存在聚氯乙烯、含氟聚合物等原料，生产过程中产生的氯化氢、氟化氢等腐蚀性成分容易对塑料模具钢表面进行腐蚀，因此，需要使得模具钢具有良好的耐磨性能、耐腐蚀性以及耐热性。同时，由于塑料模具型腔结构一般较为复杂，为了提升塑料制品的最终产品精度，需要使得模具钢具备较好的易切削加工性能。

2、目前，塑料模具钢多采用4cr13系钢材，4cr13系钢材含有少量的硫元素，硫元素的含量一般小于或等于0.03%。相关技术中，为了提升塑料模具钢的切削性能，一般采用的手段为增加硫含量，使得硫含量小于或等于0.05%。本技术人经过实际尝试，采用硫磺粉直接加入、工业级亚硫铁直接加入以及硫铁矿粉直接加入等手段，以增加硫的含量。但在生产过程中发现，硫含量控制难度显著增加，硫含量最终都在0.05%以上。而随着钢材中硫含量的增加大幅降低了钢水的表面张力，使得钢渣分离困难，从而造成了钢材表面缺陷大，钢材在调质过程中容易产生裂纹，严重影响了模具钢的成材率。

3、基于上述情况，如何能够得使得塑料模具钢具备优异的易切削性能、良好的耐磨性能、耐腐蚀性、耐热性和抗开裂性是本领域亟需解决的问题。

技术实现思路

1、本技术提供一种易切削模具钢及其制备方法，使得模具钢能够获得较好的加工性能，。

2、第一方面，本技术提供一种易切削模具钢，采用如下的技术方案：

3、一种易切削模具钢，由如下质量百分比的元素组成：

4、c：0.18～0.25%、cr：1.40～1.60%、ce≤0.015%、co：0.025～0.03%、mn：1.16～1.38%、si：0.26～0.39%、ni：0.1～0.15%、cu：0.1～0.2%、s≤0.003%、sn：0.02～0.04%、n：0.05～0.15%；

5、余量为铁以及不可避免的杂质。

6、通过采用上述技术方案，c元素一部分进入钢材基体中引起固溶强化，另一部分可以在模具钢中弥散析出合金碳化物，从而保证塑料模具钢的强度和耐磨性能；

7、cr起到固溶强化作用，一方面能够在c含量较低的情况下，与c结合形成碳化物，从而使得低碳模具钢保持一定的硬度和耐磨性，同时，间接改善了模具钢的切削性能；同时，由于cr的腐蚀电位比fe更负，能使fe钝化，提高塑料模具钢的耐腐蚀性；除此之外，cr在ce的配合下起到较好的选择性氧化作用，相较于fe元素，更容易与s、o元素结合，可以避免在晶界上形成低熔点硫化物fes，形成保护性氧化层，降低基体由于ni含量增加导致的内氧化问题，从而显著改模具钢的耐热性能；

8、co能够加快溶质的扩散，弥补了ce原子半径大导致基体固液前沿扩散受阻的缺陷，辅助起到固溶强化作用；同时，阻碍cr、mn、si与s、o结合引发的偏析，从而改善模具钢的韧性；

9、mn是钢材中的固溶强化元素，与n、co等元素共同起到细化晶粒的作用，并且，由于cr比mn等元素更容易与s元素结合，减少mns形成棒状硫化物生成，通过较少添加量下的cr、mn元素配合，使得模具钢兼具较好的韧性和耐磨性能、耐腐蚀性、耐热性；

10、si用于强化铁素体，si在强氧化介质中能够优先形成氧化物，点蚀电位越正，耐氯离子腐蚀性能越好；同时，由于模具钢基材内还加入了cr、mn等元素，与si共同作用，起到固溶强化以及耐腐蚀作用，从而使得si的掺加量降低也能够保证较好的耐腐蚀性能，避免由于si掺加量过高导致碳化物颗粒直径变大的问题；

11、ni与cu共同作用，在钢表面形成铜镍富集层，铜镍富集层起到较好的润滑以及导热作用，一方面能够减少刀具的斜度表面与模具钢接触时的摩擦力从而改善模具钢的切削加工性能；同时，由于sn熔点低，在铜镍富集层的高导热作用下，sn能够快速软化，有效发挥润滑作用，切屑容易卷曲；可使得s降低至0.003%以下时，仍然具备较好的切削性能；

12、n起到细化晶粒作用，阻碍cu、mn等元素形成棒状颗粒，模具钢基体的晶粒尺寸变小，相界面面积增大，进而起到阻碍裂纹扩展的作用，与co共同作用，降低平均偏析浓度，提升模具钢的耐腐蚀性能和韧性；并且，n提高了共晶碳化物在奥氏体中的溶解度，在较高的温度下碳化物将发生大量溶解，碳化物细小且分布均匀，从而使得模具钢的硬度适中，有利于机械加工；

13、综上所述，本技术采用cr、co、ce、mn、si、ni、cu、sn、n等元素对fe基体进行强化改性，在上述元素共同作用下，能以较低的掺加量使得模具钢兼具优异的切削性能、良好的耐磨性能、耐腐蚀性、耐热性和抗开裂性。

14、进一步的，所述易切削模具钢中，c、cr、co和ce的质量百分比存在如下关系式：wc×wcr×wco=wce，其中，wc为c的质量百分比，wcr为cr的质量百分比，wco为co的质量百分比，wce为ce的质量百分比。

15、进一步的，所述易切削模具钢中，c的质量百分比为0.20～0.22%，cr的质量百分比为1.45～1.50%。

16、进一步的，所述易切削模具钢中，cr、mn和si的质量百分比存在如下关系式：wcr/(wmn+wsi)=0.9～1.0，其中，wcr为cr的质量百分比，wmn为mn的质量百分比，wsi为si的质量百分比。

17、进一步的，所述易切削模具钢中，ni、cu和sn的质量百分比存在如下关系式：wsn/(wni×wcu)=1.5～2.0，其中，wni为ni的质量百分比，wcu为cu的质量百分比，wsn为sn的质量百分比。

18、进一步的，所述易切削模具钢中，ni、cu、sn和s的质量百分比存在如下关系式：k×wni×wcu×wsn=ws，其中，wni为ni的质量百分比，wcu为cu的质量百分比，wsn为sn的质量百分比，ws为s的质量百分比，k的系数范围为3.5～5。

19、进一步的，所述易切削模具钢中，ni的质量百分比为0.12～0.13%，cu的质量百分比为0.15～0.16%。

20、进一步的，所述易切削模具钢中，n、 co和cr、mn和cu的质量百分比存在如下关系式：(wn+wco)/(wmn+wcu)=0.06～0.08，wn为n的质量百分比，wco为co的质量百分比，wcu为cu的质量百分比，wmn为mn的质量百分比。

21、通过采用上述技术方案，首先，调整各个元素之间的添加量，使得模具钢基材内部碳化物、硫化物等非金属夹杂物的均匀分布，且颗粒粒度下降，减少基材内部出现棒状非金属夹杂物的可能性；

22、其次，在cu、ni、s和sn共同作用下，模具钢切削加工过程中能够将切削产生的热量快速传递至基材表面，低熔点sn受热熔融润湿模具钢基材表面，降低切削摩擦力，铜镍富集层中夹杂的mns等颗粒形成应力集中点，更容易切削；

23、再者，由于cr、ce、si能够先于fe、ni与o结合，形成保护性氧化层，点蚀电位越正，耐氯离子的腐蚀性能越好，从而有助于提升模具钢的耐腐蚀性；同时，模具钢基材中非金属夹杂物的含量少，导热系数高，导热性能优异，并且夹杂物的颗粒细小均匀，模具钢的韧性优异，能够在高温下具备优异的抗开裂性能。因此，模具钢兼具优异的切削性能、良好的耐磨性能、耐腐蚀性、耐热性和抗开裂性。

24、第二方面，本技术提供一种易切削模具钢的制备方法，采用如下的技术方案：

25、一种易切削模具钢的制备方法，包括如下步骤：

26、电弧炉初炼、aod炉精炼、lf炉精炼、退火处理、电渣重溶以及开坯热轧，得到易切削模具钢。

27、通过采用上述技术方案，本技术对钢的成分进行创新性调整，并结合电渣重熔等工艺，提升钢水纯净度，模具钢的碳含量和硫含量显著降低，化学成分均匀，减小冶炼成分偏析的可能性。从而使得模具钢的生产易于控制，能够实现连续稳定地生产。