一种热作模具钢及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及合金钢制造工艺技术领域，具体涉及一种热作模具钢及其制备方法和应用。


背景技术：

2.压铸模具是一种在专用的压铸机上完成压铸工艺的工具，用于铸造金属零部件，可应用于汽车、电机、电器等行业。尤其在汽车行业，压铸零件使用的范围很广，特别是轻量化新能源结构件。汽车压铸模具中，铝合金压铸模是目前应用较为广泛的模具。
3.由于生产周期长、制造精度高，故投资大、造价高，因此希望铝压模具能够具有较长的使用寿命，但由于材料、机械加工、使用等一系列因素的影响，实际生产中常常出现模具过早失效的现象。
4.模具损坏一般会导致出现产品品质下降，生产效率降低，生产成本增加等一系列问题。有的工厂为延长模具使用寿命，会采取激光熔覆等技术对模具进行恢复，但由于受到自身特点的制约，该技术还存在一些诸如覆层容易出现裂纹、熔覆质量稳定性难以保证等问题，其理论、工艺和设备还有待进一步深入研究。
5.为不耽误生产，模具使用厂家多会采用报废重购的方式。然而，不同模具钢的费用差异很大，以热作模具用h13和dievar钢的对比为例：目前国内应用最广泛的热作模具钢为h13钢，目前市场国产钢价约为30-40元/公斤，某公司的dievar钢相比h13，增加了mo含量，减少了c、si含量，具有很好的抗热疲劳龟裂、热冲击开裂、热磨损等性能，是较h13钢更合适的超高强热成形汽车钢用模具钢，目前市场价约为100-150元/公斤。
6.如此价格差异，模具一旦报废，对于大批量使用国外进口大中型模具的厂商而言，带来的成本问题非常大，一方面购买一批新的模具钢需要上百万费用，且购买周期长，另一方面，报废的模具只能作为废铁以不足5元/公斤的价格出售，经济损失巨大。
7.从经济性的角度考虑解决该问题，一些大型汽车生产厂商尝试对其报废模具的dievar钢模芯开展二次利用，即将其熔化为钢水并浇铸模型以制得新模具。
8.然而，这种方法只能获得在成分上接近dievar钢的产品，其性能由于组织结构粗大、合金元素偏析显著，以及夹杂物控制水平低等原因，在抗热裂纹及抗整体开裂能力上，无法达到原dievar高级热作模具钢的优异水平。


技术实现要素：

9.本发明的目的是为了解决现有技术中利用报废的模具钢制备新模具钢的方法存在组织结构粗大、合金元素偏析显著、夹杂物控制水平低且抗开裂能力差的问题。
10.为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种利用废旧模具钢制备热作模具钢的方法，该方法包括：
11.(1)将废旧模具钢进行前处理，得到废旧模具钢i，获得所述废旧模具钢i中碳元素、硅元素和锰元素的质量百分含量pc、p
si
和p
mn
；所述废旧模具钢为dievar废旧模具钢；
12.(2)将所述废旧模具钢i、碳源、硅源和锰源进行真空感应熔炼，得到铸锭i，并将所述铸锭i进行真空电渣重熔，得到铸锭ii；
13.(3)采用电极感应熔炼气雾化法将所述铸锭ii进行熔炼i，得到颗粒平均粒径为50-150μm的粉料，将所述粉料进行热等静压处理；
14.其中，在步骤(2)中，所述废旧模具钢i、以碳元素计的所述碳源、以硅元素计的所述硅源和以锰元素计的所述锰源的用量质量比为1：(0.05-0.1)pc：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.25)p
mn
；
15.在步骤(3)中，所述熔炼i的条件至少包括：真空度不大于0.1pa，压升率为5-10pa/h，电极感应熔炼功率为20-30kw，雾化压力为6-10mpa。
16.本发明第二方面提供由第一方面所述的方法制备得到的热作模具钢。
17.本发明第三方面提供第二方面所述的热作模具钢在机械制造、无线电仪表、电极、电器中的应用。
18.本发明提供的方法不但能够有效回收利用dievar模具钢，既提高了模具使用企业的供货效率，又充分利用了废旧材料，还能降低材料购买成本。
19.采用本发明方法制备得到的热作模具钢还具有夹杂物含量极低、成分等同原牌号钢、材料组织均匀的特点；特别地，采用本发明方法制备得到的热作模具钢还具有优异的韧性和硬度。
附图说明
20.图1是本发明中实施例1制备得到的热作模具钢的金相扫描电子显微镜图。
具体实施方式
21.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
22.本发明中，未作相反说明的情况下，所述“颗粒平均粒径”是指将粉料作为圆球来处理，是将粉料中全部颗粒的直径相加，然后除以颗粒的总数，即粉料的颗粒平均粒径。
23.本发明中，未作相反说明的情况下，所述“压升率”是指在所述第三熔炼过程中，真空室体不抽真空时单位时间内压强升高的差值。
24.需要说明的是，本发明中，所述“1：(0.05-0.1)pc：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.25)p
mn”是指1与(0.05-0.1)和pc的乘积、(0.25-0.35)和p
si
的乘积、(0.15-0.25)和p
mn
的乘积的比值；以下“1：(0.05-0.08)pc：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.20)p
mn”具有相同的定义，本发明在此不再一一赘述。
25.本发明中，未作相反说明的情况下，所述室温或所述常温均表示25
±
2℃。
26.如前所述，本发明的第一方面提供了一种利用废旧模具钢制备热作模具钢的方法，该方法包括：
27.(1)将废旧模具钢进行前处理，得到废旧模具钢i，获得所述废旧模具钢i中碳元素、硅元素和锰元素的质量百分含量pc、p
si
和p
mn
；所述废旧模具钢为dievar废旧模具钢；
28.(2)将所述废旧模具钢i、碳源、硅源和锰源进行真空感应熔炼，得到铸锭i，并将所述铸锭i进行真空电渣重熔，得到铸锭ii；
29.(3)采用电极感应熔炼气雾化法将所述铸锭ii进行熔炼i，得到颗粒平均粒径为50-150μm的粉料，将所述粉料进行热等静压处理；
30.其中，在步骤(2)中，所述废旧模具钢i、以碳元素计的所述碳源、以硅元素计的所述硅源和以锰元素计的所述锰源的用量质量比为1：(0.05-0.1)pc：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.25)p
mn
；
31.在步骤(3)中，所述熔炼i的条件至少包括：真空度不大于0.1pa，压升率为5-10pa/h，电极感应熔炼功率为20-30kw，雾化压力为6-10mpa。
32.本发明将废旧模具钢依次经过真空感应熔炼和真空电渣重熔进行合金重熔，并利用电极感应熔炼气雾化方式制粉，最后采用热等静压制备钢锭，从而实现对夹杂物的控制，重新生产得到具有均匀组织结构、高硬度，且冲击韧性和抗拉强度优异的热作模具钢。
33.优选地，在步骤(2)中，所述废旧模具钢i、以碳元素计的所述碳源、以硅元素计的所述硅源和以锰元素计的所述锰源的用量质量比为1：(0.05-0.08)pc：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.20)p
mn
。当额外补充量较少时，无法完全覆盖熔炼过程的烧损率，使得最终模具钢产品中的碳元素、硅元素和锰元素含量低，综合性能较差；而当额外补充的碳、硅和锰过量时，将导致原料成本提高。但发明人意外地发现，将所述废旧模具钢i、以碳元素计的所述碳源、以硅元素计的所述硅源和以锰元素计的所述锰源的用量质量比控制在1：(0.05-0.08)pc：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.20)p
mn
的范围内时，既能保证原料成本，又能够获得综合性能优异的热作模具钢。
34.本发明对所述碳源、硅源和锰源的种类没有特别的要求，只需要能够提供碳元素、硅元素和锰元素即可，本领域技术人员可以采用本领域已知的任意一种含有碳元素、硅元素和锰元素的物质分别作为碳源、硅源和锰源，本发明在此不再赘述，本领域技术人员不应理解为对本发明的限制。为了避免进行熔炼时漂浮在表面上，根据本发明一种特别优选的实施方式，所述碳源为碳化硅，所述硅源为单质硅，所述锰源为单质锰。
35.根据本发明一种特别优选的具体实施方式，所述dievar废旧模具钢中含有0.37-0.45wt％的c，0.3-0.6wt％的si，0.3-0.85wt％的mn，0-0.033wt％的p，0-0.0005wt％的s，4.8-5.1wt％的cr，0-0.17wt％的ni，2.2-2.8wt％的mo，0-0.11wt％的cu，0.5-0.75wt％的v，90.5-91.5wt％的fe。发明人意外地发现，采用本发明提供的方法非常适用于前述特定种类的dievar废旧模具钢，经过本发明的方法处理前述dievar废旧模具钢以制备压铸模具钢，能够获得成分等同原牌号钢、材料组织均匀的压铸模具钢，同时还能提高压铸模具钢的硬度、冲击韧性和抗拉强度。
36.需要说明的是，本发明对步骤(1)中所述前处理没有特别的要求，只需要能够得到符合本发明需求的废旧模具钢i即可，为了便于后续进一步加工处理以及得到综合性能优异的热作模具钢产品，优选情况下，在步骤(1)中，所述前处理包括将所述废旧模具钢依次进行切割处理、退火处理和打磨处理。
37.本发明对所述切割处理的操作方法没有特别的要求，可以采用本领域已知的方法进行，示例性地，在步骤(1)中，所述切割处理为采用火焰切割机或激光切割机将从模具中拆卸下来的所述废旧模具钢切割为重量不大于80kg且长度、宽度和高度均不大于230mm的
块状。
38.本发明对所述退火处理的具体操作方法没有特别的要求，可以采用本领域已知的退火处理方法进行，为了将所述废旧模具钢表面残留油脂去除更干净，示例性地，在步骤(1)中，所述退火在真空条件下进行。
39.优选地，在步骤(1)中，所述退火处理的条件至少包括：真空度不大于1pa，退火温度为400-500℃，升温速率为2-10℃/min，保温时间为2-3h。
40.需要说明的是，所述退火处理过程的保温时间是从达到退火温度的瞬间开始计时。
41.本发明对步骤(1)中打磨处理的具体操作方式没有特别的要求，可以采用本领域已知的打磨处理方法进行，为了更好地去除所述废旧模具钢表面形成的氧化皮及其他杂质，示例性地，在步骤(1)中，所述打磨处理采用履带式抛丸机进行。
42.优选地，在步骤(1)中，所述打磨处理的条件至少包括：时间为10-30min。
43.本发明对步骤(2)中所述真空感应熔炼过程中采用的设备没有特别的要求，可以采用本领域已知的任意一种真空感应熔炼设备进行，示例性地，本发明在250kg真空感应熔炼炉中进行真空感应熔炼。
44.本发明对步骤(2)中所述真空感应熔炼的具体操作方法没有特别的要求，可以采用本领域已知的真空感应熔炼方法进行，示例性地，在步骤(2)中，所述真空感应熔炼的操作方法包括：在真空条件下，将所述废旧模具钢i、碳源、硅源和锰源置于真空感应炉中熔化后再熔炼均化，然后浇铸成型，得到直径为60-80mm且长度为1500-2000mm的铸锭i；优选地，所述熔炼均化的时间为15-30min。
45.优选地，在步骤(2)中，所述真空感应熔炼的条件包括：真空度不大于6.67
×
10-2
pa，温度为1500-1600℃，时间为30-60min。
46.需要说明的是，在步骤(2)中，所述真空感应熔炼的时间包括熔化和熔炼均化的总时间。
47.本发明对步骤(2)中所述真空电渣重熔过程中采用的设备没有特别的要求，可以采用本领域已知的任意一种真空电渣重熔设备进行，示例性地，本发明在500kg的真空电渣炉中进行真空电渣重熔。
48.本发明对步骤(2)中所述真空电渣重熔的具体操作方法没有特别的要求，可以采用本领域已知的真空电渣重熔方法进行，示例性地，在步骤(2)中，所述真空电渣重熔的操作方法包括：将所述铸锭i作为所述真空电渣重熔的电极棒，在碱性电渣和真空条件下进行重熔，以得到直径为80-100mm且长度为1000-1200mm的铸锭ii。
49.优选地，在步骤(2)中，该方法还包括：将所述碱性电渣进行预热处理。更优选地，在步骤(2)中，所述预热处理的条件至少包括：温度不小于800℃，时间不小于8h。
50.本发明对步骤(2)中所述碱性电渣的种类没有特别的要求，可以采用本领域已知的任意一种碱性电渣，示例性地，本发明采用的碱性电渣可以为caf
2-cao-al2o3三元渣系、caf
2-cao-al2o
3-mgo四元渣系中的至少一种。
51.优选地，所述caf
2-cao-al2o3三元渣系选自50f/25/0/25、40f/30/0/30、20f/40/0/40中的至少一种。
52.优选地，在步骤(2)中，所述真空电渣重熔的条件至少包括：真空度不大于3mpa，电
压为20-30v，电流为1500-2000a。发明人在研究过程中发现，采用该优选情况下的具体实施方式，能够防止重熔过程中原金属成分中活泼金属的氧化，保持化学成分稳定性和一致性，进一步提高合金纯净度和均匀性。
53.优选情况下，在步骤(2)中，该方法还包括：在将所述铸锭ii进行熔炼i之前，先将所述铸锭ii进行加工处理，得到电极棒。
54.本发明对步骤(2)中所述加工处理的操作方法没有特别的要求，可以采用本领域已知的方法进行加工处理，只需要能够达到电极棒要求的直线度和表面粗糙度即可，示例性地，所述加工处理的方法包括：将所述铸锭ii的一端加工成30
°‑
45
°
的圆锥尖端，另一端加工用于将电极棒夹持在气雾化装置上的卡槽，以得到直线度不大于2％且粗糙度不大于1.6μm的电极棒。
55.优选地，在步骤(2)中，控制所述加工处理的条件，以得到直径为80-100mm且长度为500-600mm的所述电极棒。
56.本发明将经过所述电极感应熔炼气雾化方法得到的粉料不经过筛分，直接经过热等静压压成锭材。优选情况下，在步骤(3)中，所述热等静压处理的条件至少包括：温度为1000-2000℃，压力为100-200mpa，时间为3-4h。发明人发现，在该优选情况下的具体实施方式，能够获得材料组织均匀且晶粒细化效果良好的热作模具钢产品。
57.如前所述，本发明的第二方面提供了由第一方面所述的方法制备得到的热作模具钢。
58.如前所述，本发明的第三方面提供了第二方面所述的热作模具钢在机械制造、无线电仪表、电极、电器中的应用。
59.以下将通过实例对本发明进行详细描述。以下实例中，未作相反说明的情况下，所涉及的仪器和原料均为市售品。
60.废旧模具钢i-1：其中含有0.432wt％的c，0.41wt％的si，0.398wt％的mn，0.033wt％的p，0.0005wt％的s，5.04wt％的cr，0.169wt％的ni，2.63wt％的mo，0.105wt％的cu，0.739wt％的v，fe余量；
61.废旧模具钢ii-1：0.37wt％的c，0.31wt％的si，0.36wt％的mn，5.07wt％的cr，2.71wt％的mo，0.549wt％的v，fe余量；
62.废旧模具钢iii-1：0.38wt％的c，0.59wt％的si，0.85wt％的mn，4.98wt％的cr，2.23wt％的mo，0.66wt％的v，fe余量；
63.碳源：碳化硅；
64.硅源：硅粒，平均粒径为10mm，购自万丰实业有限公司；
65.锰源：锰；
66.以下实例中碳化硅、硅和锰均为纯度≥99.9％的化学分析纯试剂；
67.碱性电渣：电渣ⅳ号(40f/30/0/30)，购自镇江市正邦冶金材料有限公司；
68.以下实例中，经过前处理后得到的废旧模具钢i的质量损失忽略不计，也即，经过前处理后得到的废旧模具钢i的质量以模芯质量计。
69.实施例1
70.本实施例提供一种利用废旧模具钢制备热作模具钢的方法，该方法包括：
71.(1)将报废的模具中模芯拆下，得到240kg的模芯，将模芯切割成重量为62.5kg且
尺寸为200mm
×
200mm
×
200mm的块状，然后在真空度为1pa，温度为480℃，升温速率为3℃/min的真空退火炉中进行退火处理2h，随炉冷却至室温，并用履带式抛丸机打磨20min，得到废旧模具钢i-1，采用光谱仪检测所述废旧模具钢i-1中碳元素、硅元素和锰元素的质量百分含量pc、p
si
和p
mn
；
72.其中，pc为0.432wt％，p
si
为0.410wt％和p
mn
为0.398wt％；
73.(2)将所述废旧模具钢i-1、碳源、硅源和锰源置于熔炼能力为250kg的真空感应炉中进行真空感应熔炼，待熔炼物料都熔化后再保持熔炼均化15min，倾炉浇铸，得到直径为80mm且长度为2000mm的棒状铸锭i，并将所述铸锭i去头尾后，焊接在真空电渣重熔设备中，作为真空电渣重熔的电极棒，在碱性电渣和真空条件下进行重熔，得到直径为100mm且长度为1300mm的棒状铸锭ii；
74.其中，碳源的用量为0.05
×
0.432wt％
×
(40.1/12)
×
240kg＝0.173kg，硅源的用量为0.35
×
0.410wt％
×
240kg-0.05
×
0.432wt％
×
(28.1/12)
×
240kg＝0.223kg，锰源的用量为0.15
×
0.398wt％
×
240kg＝0.143kg；
75.真空感应熔炼的条件为：真空度为1.0
×
10-3
pa，温度为1600℃，时间为50min；
76.真空电渣重熔的条件为：真空度为3mpa，电压为25v，电流为2000a；
77.(3)将所述铸锭ii平均切成两段，经过磨削后，将其一端加工成45
°
的圆锥尖端，另一端加工卡槽，得到直径为100mm且长度为600mm的电极棒，然后将所述电极棒置于电极感应熔炼炉中进行电极感应熔炼气雾化，得到颗粒平均粒径为80μm的粉料，最后将所述粉料直接进行热等静压处理，得到热作模具钢s1；
78.其中，电极感应熔炼气雾化的条件为：真空度为7.9
×
10-3
pa，压升率为10pa/h，电极感应熔炼功率为25kw，雾化压力为8mpa；
79.热等静压处理的条件为：温度为2000℃，压力为200mpa，时间为4h。
80.采用光谱仪检测热作模具钢s1的化学成分组成，具体检测结果如下：
81.热作模具钢s1中含有0.423wt％的c，0.440wt％的si，0.384wt％的mn，0.012wt％的p，0.0005wt％的s，5.12wt％的cr，0.139wt％的ni，2.37wt％的mo，0.177wt％的cu，0.481wt％的v，fe余量。
82.实施例2
83.本实施例提供一种利用废旧模具钢制备热作模具钢的方法，该方法包括：
84.(1)将报废的模具中模芯拆下，得到250kg的模芯，将模芯切割成重量为46.5kg且尺寸为180mm
×
180mm
×
180mm的块状，然后在真空度为0.8pa，温度为420℃，升温速率为5℃/min的真空退火炉中进行退火处理3h，随炉冷却至室温，并用履带式抛丸机打磨20min，得到废旧模具钢ii-1，采用光谱仪检测所述废旧模具钢ii-1中碳元素、硅元素和锰元素的质量百分含量pc、p
si
和p
mn
；
85.其中，pc为0.37wt％，p
si
为0.31wt％和p
mn
为0.36wt％；
86.(2)将所述废旧模具钢ii-1、碳源、硅源和锰源置于熔炼能力为250kg的真空感应炉中进行真空感应熔炼，待熔炼物料都熔化后再保持熔炼均化20min，倾炉浇铸，得到直径为60mm且长度为1800mm的棒状铸锭i，并将所述铸锭i去头尾后，焊接在真空电渣重熔设备中，作为真空电渣重熔的电极棒，在碱性电渣和真空条件下进行重熔，得到直径为80mm且长度为1300mm的棒状铸锭ii；
87.其中，碳源的用量为0.05
×
0.37wt％
×
(40.1/12)
×
250kg＝0.155kg，硅源的用量为0.25
×
0.31wt％
×
250kg-0.05
×
0.37wt％
×
(28.1/12)
×
250kg＝0.085kg，锰源的用量为0.15
×
0.36wt％
×
250kg＝0.135kg；
88.真空感应熔炼的条件为：真空度为8.3
×
10-3
pa，温度为1580℃，时间为60min；
89.真空电渣重熔的条件为：真空度为2.5mpa，电压为20v，电流为1500a；
90.(3)将所述铸锭ii平均切成两段，经过磨削后，将其一端加工成45
°
的圆锥尖端，另一端加工卡槽，得到直径为80mm且长度为600mm的电极棒，然后将所述电极棒置于电极感应熔炼炉中进行电极感应熔炼气雾化，得到颗粒平均粒径为100μm的粉料，最后将所述粉料直接进行热等静压处理，得到热作模具钢s2；
91.其中，电极感应熔炼气雾化的条件为：真空度为5.0
×
10-3
pa，压升率为8pa/h，电极感应熔炼功率为30kw，雾化压力为6mpa；
92.热等静压处理的条件为：温度为1000℃，压力为150mpa，时间为3.5h。
93.采用光谱仪检测热作模具钢s2的化学成分组成，具体检测结果如下：
94.热作模具钢s2中含有0.319wt％的c，0.336wt％的si，0.321wt％的mn，5.150wt％的cr，2.442wt％的mo，0.557wt％的v，fe余量。
95.实施例3
96.本实施例提供一种利用废旧模具钢制备热作模具钢的方法，该方法包括：
97.(1)将报废的模具中模芯拆下，得到230kg的模芯，将模芯切割成重量为62.5kg且尺寸为200mm
×
200mm
×
200mm的块状，然后在真空度为0.5pa，温度为500℃，升温速率为8℃/min的真空退火炉中进行退火处理2.5h，随炉冷却至室温，并用履带式抛丸机打磨20min，得到废旧模具钢iii-1，采用光谱仪检测所述废旧模具钢iii-1中碳元素、硅元素和锰元素的质量百分含量pc、p
si
和p
mn
；
98.其中，pc为0.38wt％，p
si
为0.59wt％和p
mn
为0.85wt％；
99.(2)将所述废旧模具钢iii-1、碳源、硅源和锰源置于熔炼能力为250kg的真空感应炉中进行真空感应熔炼，待熔炼物料都熔化后再保持熔炼均化30min，倾炉浇铸，得到直径为80mm且长度为2000mm的棒状铸锭i，并将所述铸锭i去头尾后，焊接在真空电渣重熔设备中，作为真空电渣重熔的电极棒，在碱性电渣和真空条件下进行重熔，得到直径为100mm且长度为1300mm的棒状铸锭ii；
100.其中，碳源的用量为0.06
×
0.38wt％
×
(40.1/12)
×
230kg＝0.175kg，硅源的用量为0.32
×
0.59wt％
×
230kg-0.06
×
0.38wt％
×
(28.1/12)
×
230kg＝0.311kg，锰源的用量为0.18
×
0.85wt％
×
230kg＝0.352kg；
101.真空感应熔炼的条件为：真空度为2.5
×
10-3
pa，温度为1600℃，时间为60min；
102.真空电渣重熔的条件为：真空度为2mpa，电压为30v，电流为1800a；
103.(3)将所述铸锭ii平均切成两段，经过磨削后，将其一端加工成45
°
的圆锥尖端，另一端加工卡槽，得到直径为100mm且长度为600mm的电极棒，然后将所述电极棒置于电极感应熔炼炉中进行电极感应熔炼气雾化，得到颗粒平均粒径为100μm的粉料，最后将所述粉料直接进行热等静压处理，得到热作模具钢s3；
104.其中，电极感应熔炼气雾化的条件为：真空度为7.0
×
10-3
pa，压升率为5pa/h，电极感应熔炼功率为20kw，雾化压力为10mpa；
105.热等静压处理的条件为：温度为1800℃，压力为150mpa，时间为3.5h。
106.采用光谱仪检测热作模具钢s3的化学成分组成，具体检测结果如下：
107.热作模具钢s3中含有0.327wt％的c，0.529wt％的si，0.521wt％的mn，5.059wt％的cr，2.010wt％的mo，0.430wt％的v，fe余量。
108.实施例4
109.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(2)中，用等质量的单质碳替换碳化硅。
110.得到热作模具钢s4。
111.采用光谱仪检测热作模具钢s4的化学成分组成，具体检测结果如下：
112.热作模具钢s4中含有0.303wt％的c，0.381wt％的si，0.327wt％的mn，0.007wt％的p，0.0005wt％的s，5.02wt％的cr，0.146wt％的ni，2.38wt％的mo，0.170wt％的cu，0.488wt％的v，fe余量。
113.实施例5
114.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(2)中，碳源的用量为0.1
×
0.432wt％
×
(40.1/12)
×
240kg＝0.348kg；
115.得到热作模具钢s5。
116.采用光谱仪检测热作模具钢s5的化学成分组成，具体检测结果如下：
117.热作模具钢s5中含有0.543wt％的c，0.552wt％的si，0.340wt％的mn，0.015wt％的p，0.0005wt％的s，5.01wt％的cr，0.095wt％的ni，2.10wt％的mo，0.161wt％的cu，0.462wt％的v，fe余量。
118.实施例6
119.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(2)中，锰源的用量为0.25
×
0.398wt％
×
240kg＝0.239kg；
120.得到热作模具钢s6。
121.采用光谱仪检测热作模具钢s6的化学成分组成，具体检测结果如下：
122.热作模具钢s6中含有0.361wt％的c，0.514wt％的si，0.513wt％的mn，0.011wt％的p，0.0005wt％的s，5.09wt％的cr，0.131wt％的ni，2.30wt％的mo，0.174wt％的cu，0.397wt％的v，fe余量。
123.对比例1
124.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(3)中，采用真空感应熔炼气雾化，得到颗粒平均粒径为150μm的粉料；
125.真空感应熔炼气雾化的条件为：真空度为24pa，压升率为10pa/h，电极感应熔炼功率为25kw，雾化压力为4.5mpa。
126.得到热作模具钢ds1。
127.采用光谱仪检测热作模具钢ds1的化学成分组成，具体检测结果如下：
128.热作模具钢ds1中含有0.409wt％的c，0.405wt％的si，0.361wt％的mn，0.008wt％的p，0.0005wt％的s，5.14wt％的cr，0.138wt％的ni，2.55wt％的mo，0.219wt％的cu，fe余量。
129.对比例2
130.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(2)中，采用电渣重熔，将熔炼浇注后的钢锭切除钢锭冒口，清除其表面氧化皮后放到电渣重熔装置中，钢锭自下而上逐步结晶，完成电渣重熔；
131.电渣重熔的条件为：重熔电流设为2000a，熔化速度控制在70-80kg/h,以恒熔速控制为原则，渣料使用前先在600℃下烘烤4h以去除水分。
132.得到热作模具钢ds2。
133.采用光谱仪检测热作模具钢ds2的化学成分组成，具体检测结果如下：
134.热作模具钢ds2中含有0.411wt％的c，0.436wt％的si，0.392wt％的mn，0.025wt％的p，0.003wt％的s，5.02wt％的cr，0.143wt％的ni，2.54wt％的mo，0.147wt％的cu，0.548wt％的v，fe余量。
135.对比例3
136.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，采用包括以下步骤的方法进行：
137.(1)同实施例1中的步骤(1)；
138.(2)将所述废旧模具钢i-1、碳源、硅源和锰源置于熔炼能力为250kg的真空感应炉中进行真空感应熔炼，待熔炼物料都熔化后再保持熔炼均化15min，倾炉浇铸，得到直径为80mm且长度为2000mm的棒状铸锭i，然后将所述棒状铸锭i切除钢锭冒口，清除其表面氧化皮后放到电渣重熔装置中，钢锭自下而上逐步结晶，完成电渣重熔；
139.(3)高温均质化热处理：均质化温度为1250℃，时间t1均质化时间为10h；
140.(4)锻造：将经过高温均质化处理的钢锭降温至1100℃温度范围内进行锻造加工，终锻温度880℃，锻造时的镦粗比为2.3，拔长比为4.2；
141.(5)固溶处理：固溶温度为1090℃，固溶时间t2为2h；然后快冷至模块表面温度最高点250℃以下，得到热作模具钢ds3。
142.采用光谱仪检测热作模具钢ds3的化学成分组成，具体检测结果如下：
143.热作模具钢ds3中含有0.418wt％的c，0.489wt％的si，0.344wt％的mn，0.029wt％的p，0.007wt％的s，5.11wt％的cr，0.192wt％的ni，2.35wt％的mo，0.155wt％的cu，0.454wt％的v，fe余量。
144.对比例4
145.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(2)中，碳源的用量为0.03
×
0.432wt％
×
240kg＝0.031kg；
146.得到热作模具钢ds4。
147.采用光谱仪检测热作模具钢ds4的化学成分组成，具体检测结果如下：
148.热作模具钢ds4中含有0.291wt％的c，0.301wt％的si，0.385wt％的mn，0.010wt％的p，0.0005wt％的s，5.18wt％的cr，0.146wt％的ni，2.40wt％的mo，0.186wt％的cu，0.415wt％的v，fe余量。
149.对比例5
150.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(2)中，硅源的用量为0.40
×
0.410wt％
×
240kg＝0.394kg；
151.得到热作模具钢ds5。
152.采用光谱仪检测热作模具钢ds5的化学成分组成，具体检测结果如下：
153.热作模具钢ds5中含有0.385wt％的c，0.687wt％的si，0.331wt％的mn，0.009wt％的p，0.0005wt％的s，5.19wt％的cr，0.143wt％的ni，2.31wt％的mo，0.182wt％的cu，0.479wt％的v，fe余量。
154.对比例6
155.按照实施例1的方法利用废旧模具钢制备热作模具钢，所不同的是，在步骤(2)中，锰源的用量为0.1
×
0.398wt％
×
240kg＝0.096kg；
156.得到热作模具钢ds6。
157.采用光谱仪检测热作模具钢ds6的化学成分组成，具体检测结果如下：
158.热作模具钢ds6中含有0.366wt％的c，0.474wt％的si，0.133wt％的mn，0.015wt％的p，0.0005wt％的s，5.01wt％的cr，0.137wt％的ni，2.35wt％的mo，0.178wt％的cu，0.436wt％的v，fe余量。
159.测试例1
160.将实施例和对比例制备得到的热作模具钢依次经过锻造、退火、淬火和回火，并将最终得到的钢锭进行性能测试，具体的测试结果见表1。
161.其中，锻造工艺条件为：始锻温度1060℃、终锻温度970℃、锻造比为4。
162.退火的工艺条件为：第一段等温温度为850℃保温1h，以10℃/h的速度冷却至600℃后出炉空冷；第二段等温温度为650℃保温2h，缓冷至500℃后出炉空冷；
163.淬火及回火热处理的工艺条件为：淬火温度为1030℃，时间2h，回火采用560℃回火，回火3次，每次回火时间为3h。
164.洛氏硬度的测试方法为：采用洛氏硬度计测量试验钢的硬度，每个试样取5点，第1点不计，后4点取平均值；
165.冲击功的测试方法为：按照gb/t 229—2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，采用金属摆锤冲击试验机测量试验钢的冲击功，冲击样品规格采用无缺口设计，每个试样取3支，所得的冲击功取平均值；
166.室温拉伸试验的测试方法为：在cmt5350型万能试验机上进行，拉伸试棒直径为ф10mm。
167.表1
[0168][0169]
通过上表结果可以看出，采用本发明方法制备得到的热作模具钢具有成分等同原牌号钢、材料组织均匀的特点；特别地，采用本发明方法制备得到的热作模具钢还具有优异的韧性和硬度。
[0170]
测试例2
[0171]
将实施例1、对比例1-对比例3的步骤(2)中制备得到的棒状铸锭按照gb/t 10561-2005中规定的方法进行各类非金属夹杂物评级，具体结果见表2。
[0172]
表2
[0173]
实施例a类/级b类/级c类/级d类/级ds类/级实施例100.5000对比例100.50.50.50对比例20.510.50.50对比例30.51110.5
[0174]
通过上表的结果可以看出，采用本发明方法制备得到的热作模具钢还具有夹杂物含量低的特点，各类非金属夹杂物含量较低且满足标准要求。
[0175]
本发明示例性地提供了实施例1制备得到的热作模具钢的金相扫描电子显微镜图，见图1。
[0176]
从图1中可以看出，采用本发明方法制备得到的热作模具钢材料组织均匀，晶粒细化效果良好。
[0177]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种利用废旧模具钢制备热作模具钢的方法，其特征在于，该方法包括：(1)将废旧模具钢进行前处理，得到废旧模具钢i，测试所述废旧模具钢i中碳元素、硅元素和锰元素的质量百分含量分别记为p
c
、p
si
和p
mn
；所述废旧模具钢为dievar废旧模具钢；(2)将所述废旧模具钢i、碳源、硅源和锰源进行真空感应熔炼，得到铸锭i，并将所述铸锭i进行真空电渣重熔，得到铸锭ii；(3)采用电极感应熔炼气雾化法将所述铸锭ii进行熔炼i，得到颗粒平均粒径为50-150μm的粉料，将所述粉料进行热等静压处理；其中，在步骤(2)中，所述废旧模具钢i、以碳元素计的所述碳源、以硅元素计的所述硅源和以锰元素计的所述锰源的用量质量比为1：(0.05-0.1)p
c
：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.25)p
mn
；在步骤(3)中，所述熔炼i的条件至少包括：真空度不大于0.1pa，压升率为5-10pa/h，电极感应熔炼功率为20-30kw，雾化压力为6-10mpa。2.根据权利要求1所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述废旧模具钢i、以碳元素计的所述碳源、以硅元素计的所述硅源和以锰元素计的所述锰源的用量质量比为1：(0.05-0.08)p
c
：(0.25-0.35)p
si
：(0.15-0.20)p
mn
。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述dievar废旧模具钢中含有0.37-0.45wt％的c，0.3-0.6wt％的si，0.3-0.85wt％的mn，0-0.033wt％的p，0-0.0005wt％的s，4.8-5.1wt％的cr，0-0.17wt％的ni，2.2-2.8wt％的mo，0-0.11wt％的cu，0.5-0.75wt％的v，90-91.5wt％的fe。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述前处理包括将所述废旧模具钢依次进行切割处理、退火处理和打磨处理；和/或在步骤(1)中，所述退火处理的条件至少包括：真空度不大于1pa，退火温度为400-500℃，升温速率为2-10℃/min，保温时间为2-3h。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其中，在步骤(1)中，所述真空感应熔炼的条件包括：真空度不大于6.67
×
10-2
pa，温度为1500-1600℃，时间为30-60min。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，所述真空电渣重熔的条件至少包括：真空度不大于3mpa，电压为20-30v，电流为1500-2000a。7.根据权利要求1-6中任意一项所述的方法，其中，在步骤(2)中，该方法还包括：在将所述铸锭ii进行熔炼i之前，先将所述铸锭ii进行加工处理，得到电极棒；和/或在步骤(2)中，控制所述加工处理的条件，以得到直径为80-100mm且长度为500-600mm的所述电极棒。8.根据权利要求1-7中任意一项所述的方法，其中，在步骤(3)中，所述热等静压处理的条件至少包括：温度为1000-2000℃，压力为100-200mpa，时间为3-4h。9.由权利要求1-8中任意一项所述的方法制备得到的热作模具钢。10.权利要求9所述的热作模具钢在机械制造、无线电仪表、电极、电器中的应用。

技术总结
本发明涉及合金钢制造工艺技术领域，公开了一种热作模具钢及其制备方法和应用。该方法包括：(1)将废旧模具钢进行前处理，得到废旧模具钢I，获得废旧模具钢I中碳元素、硅元素和锰元素的质量百分含量P


技术研发人员：李明菲 于军 郝国建
受保护的技术使用者：江苏中钻新材料有限公司
技术研发日：2023.07.12
技术公布日：2023/9/9