CN117966017A - 高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及金属材料技术领域，具体涉及一种高导热率高红硬性RE‑Nb复合微合金化热作模具钢及其制备方法。该热作模具钢含有C 0.30％～0.40％、Si 0.05％～0.10％、Mn 0.65％～0.95％、Cr 0.03％～0.07％、Mo 3.0％～3.6％、V 0.30％～0.60％、Nb 0.01％～0.02％、Ce 0.02％～0.03％，余量为Fe和冶金过程中不可避免的杂质元素，不可避免的杂质元素中O≤0.002％。本申请通过成分配比和工艺优化结合，得到高导热率高红硬性的热作模具钢。
Description
技术领域
本申请涉及金属材料技术领域，具体涉及一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢及其制备方法。
背景技术
随着压铸、热锻、挤压成形等技术的不断发展，对模具性能和使用寿命提出了更高的要求。热作模具在金属热成形过程中同高温金属接触，局部温度达500～700℃，尤其是在难变形材料成形过程中，国产热作模具钢热导率和红硬性不足，导致模具不同位置温度存在差异，容易在冷热循环过程中形成较大的热应力，进而出现高温磨损与疲劳失效情况。针对以上问题，需要开发高导热率高红硬性热作模具钢，提高其冷热疲劳性能，延长热作模具的使用寿命。
目前国内常用热作模具钢为4Cr5MoSiV1(H13)钢，H13钢的化学成分组成以质量百分比表示为：C 0.32％～0.45％，Si0.80％～1.20％，Mn 0.20％～0.50％，Cr 4.75％～5.50％，Mo 1.10％～1.75％，V 0.80％～1.20％，P≤0.03％，S≤0.03％。H13钢具有较好的淬透性和良好的综合力学性能，但一旦工作温度较高，H13钢的强度和热稳定性就会明显下降，在高温条件下模具的寿命周期降低。
现有技术存在如下改进：
西班牙Rovalma公司开发了新型高导热率热作模具钢HTCS130。HTCS130钢Si元素含量为0.17％，Mn元素含量为0.16％，V元素含量<0.003％，Cr元素含量为0.08％，Mo元素含量为3.1％，W元素含量为1.85％。HTCS130钢具有高热导率，在100℃时其热导率约为54.9W/m·K，是H13钢的2.3倍，在700℃时其热导率约为32.5W/m·K，是H13的1.2倍。然而，HTCS130钢中含有1.85％的W，使得该钢的成本较高，同时会对钢韧性产生影响。
河北与上海高校联合开发了新型热作模具钢。试验钢Si元素含量为0.25％，Mn元素含量为0.24％，Cr元素含量为2.26％，V元素含量为1.0％，Mo元素含量为2.3％。该模具钢具有高热导率，在100℃时其热导率约为33.9W/m·K，是H13钢的1.4倍，在700℃时其热导率约为28.8W/m·K，是H13的1.1倍。然而，该钢中Cr和Si的含量依然较高，热导率有待进一步提高。
宝山钢铁与山海大学联合开发了马氏体时效强化热冲压模具钢SDK1钢。SDK1钢C元素含量为0.07～0.11％，Si元素含量为0.07～0.12％，Mn元素含量为1.53％，Cr元素含量为0.33％，Ni元素含量为3.4～4.5％，Mo元素含量为0.32～0.45％，Al元素含量为1.1％，Cu元素含量为1.0％。SDK1钢具有高热导率，在100℃时其热导率约为27.9W/m·K，是H13钢的1.4倍，在700℃时其热导率约为26.0W/m·K，与H13热导率接近。然而，该钢中Mn、Ni、Al和Cu的含量较高，不利于热导率的提高。
安徽哈特三维科技公司开发了一种高韧性高热导率模具钢，采用熔炼浇铸+固溶时效处理得到。该钢C元素含量为0.04～0.06％，Si元素含量为0.35～0.45％，Mn元素含量为0.65～0.75％，Ni元素含量为0.7～0.8％，Mo元素含量为2.8～3.2％，W元素含量为1.8～2.2％，Cu元素含量为1.4～1.6％。该模具钢具有高热导率，在100℃时其热导率约为33.9W/m·K，是H13钢的1.4倍，在500℃时其热导率约为36.3W/m·K，是H13钢的1.3倍。然而，该钢的Cu和Ni含量较高，同时，其制作工艺采用熔炼浇铸，不利于热导率和力学性能的提高。
提高钢的热导率是开发高导热模具钢的核心问题，同时需要兼顾成本、力学性能等总和性能。开发高导热率高红硬性热作模具钢，提高其冷热疲劳性能，延长热作模具的使用寿命是热模具钢的研发方向。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本申请的目的在于提供一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢，以提供一种高导热率、有效改善产品性能、提高热作模具服役稳定性和延长使用寿命的材料。
为了实现上述目的，本申请特采用如下技术方案。
一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢，按质量百分数计，热作模具钢含有C 0.30％～0.40％、Si 0.05％～0.10％、Mn 0.65％～0.95％、Cr 0.03％～0.07％、Mo 3.0％～3.6％、V 0.30％～0.60％、Nb 0.01％～0.02％、Ce 0.02％～0.03％，余量为Fe和冶金过程中不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素中O≤0.002％。
在一些实施方式中，所述不可避免的杂质元素中Ni0.01％～0.04％、Cu 0.03％～0.07％、Al 0.005％～0.010％、N≤0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.0015％。
在一些实施方式中，按质量百分数计，热作模具钢含有C0.31％～0.35％、Si0.069％～0.076％、Mn 0.74％～0.83％、Cr0.041％～0.051％、Mo 3.31％～3.44％、V0.44％～0.51％、Nb 0.01％～0.02％、Ce 0.02％～0.03％，余量为Fe和冶金过程中不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素中O≤0.002％。
在一些实施方式中，按质量百分数计，热作模具钢含有C0.31％、Si 0.076％、Mn0.74％、Cr 0.041％、Mo 3.44％、V 0.51％、Nb0.018％、Ce 0.024％。
在一些实施方式中，按质量百分数计，热作模具钢含有C0.35％、Si 0.069％、Mn0.83％、Cr 0.051％、Mo 3.31％、V 0.44％、Nb0.017％、Ce 0.022％。
上述热作模具钢的制备方法，包括以下工艺步骤：
S1：真空感应熔炼：根据成分配比，进行真空感应熔炼，控制合金中活泼元素的含量，如Al 0.005％～0.010％、Ti≤0.0015％，去除合金中气体及非金属夹杂物杂质，并通过双层挡渣和陶瓷过滤提高纯净度，出钢时控制P≤0.005％、Si≤0.10％、O≤0.002％、N≤0.005％，S≤0.0015％；
S2：电渣重熔：在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，减少易氧化元素的烧损，并控制O、N、H元素含量增加，并进行720℃～760℃退火，保温6～10h，退火后缓冷至400℃～500℃待下一步处理；
S3：高温均质化处理：对电渣锭进行高温均质化处理改善带状组织，保温温度1240℃～1280℃，保温时间20～30h；
S4：锻造处理：高温均质化处理后炉冷至1150℃～2000℃使用快锻机开始锻造，终锻温度850℃～900℃，锻造比>4，破碎原始粗大晶粒，获得新的细小等轴晶粒；
S5：超细化处理：锻后进行超细化处理细化晶粒，保温温度1000℃～1050℃，保温时间3～5h，出炉水冷；
S6：球化退火处理：超细化处理后进行球化退火，加热至830℃～880℃，保温15～20h，炉冷到720℃～760℃，保温30～40h，使组织中碳化物球化，炉冷至400℃～500℃出炉空冷。
上述热作模具钢在压铸、热锻或热冲压中的应用。
一种钢制品，包含上述热作模具钢。
与现有技术相比，本申请的技术效果为：
第一，高导热率高红硬性RE(稀土元素)-Nb复合微合金化热作模具钢用于模具，可以提高模具的热传导效率，模具在工作过程中需要经受反复的加热冷却，热传导效率的提高缩短了冷热循环时间，生产效率得到提高。
第二，高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢用于模具，可以减小大型复杂模具由于尺寸变化引起的不同位置的温度差异，改善产品成形过程中表面温度均匀性，提高成形产品的表面质量与精度。
第三，高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢用于模具，可以利用稀土元素的净化作用降低模具钢中硫、磷、铅、锡等低熔点元素含量，改善晶界偏聚现象，减少非金属夹杂物含量，通过细晶强化和沉淀强化等强韧化机制有机结合，提高热作模具钢的红硬性，提升热作模具的服役稳定性，延长使用寿命，降低生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢组织金相照片(200倍)；
图2是本申请实施例1中不同温度下FC-50-1模具钢和H13钢的热导率图；
图3是本申请实施例2中不同温度下FC-50-2模具钢和H13钢的热导率图。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
热导率：热导率又称导热系数，反映了物质的热传导能力。合金材料热导率计算公式为：λ＝αρCp。
其中λ为热导率，单位为W/m·K，α为热扩散系数，单位为m2/s，ρ为合金材料的密度，单位为Kg/m3，Cp为定压比热容，单位为J/Kg·K。钢的热导率与材料成分、组织、杂质和缺陷有关，热导率与晶粒尺寸呈正相关。
红硬性：红硬性是指材料在一定温度下，经过一定时间后保持其硬度的能力。代表了材料在热环境下组织与性能的稳定性。
本申请通过调整材料化学元素成分配比和工艺优化相结合，与H13相比，降低Cr、Si与V元素含量，增加Mo和Mn元素含量，提高模具钢热导率，改善模具钢工作过程中的热传导效率与温度均匀性，并引入Nb元素和稀土元素Ce，控制模具钢的氧含量，通过微合金化细化晶粒，改善析出相形貌，利用稀土元素的净化作用降低钢中低熔点杂质元素含量，改善晶界状态，减少元素偏析，提高模具钢的硬度与疲劳性能，高导热率与高红硬性使其适用于更复杂的工作环境，尤其适用于对耐磨性、红硬性和加工效率有较高要求的难变形金属锻造成形过程。对于制备工艺，采用真空感应熔炼+电渣重熔+高温均质化+多向锻造+超细化处理+球化退火的工艺流程。真空感应熔炼采用感应加热方式，避免了电弧加热的石墨电极增碳，且烟尘较少，熔池中电磁搅拌有助于提高钢水成分均匀性，真空环境防止引入空气中的杂质元素。电渣重熔有助于除硫和去除非金属夹杂，利用液态金属熔池可以填充凝固过程产生的缩孔，气体和夹杂物在重熔过程中上浮，保证钢锭组织的均匀性与致密性。采用高温均质化工艺消除钢锭中的枝晶与元素偏析。多向锻造可以有效破碎钢锭中粗大的柱状晶，促使其再结晶形成细小晶粒。采用超细化处理工艺细化晶粒，使碳化物回溶进入基体，并在球化退火过程中析出形成均匀弥散分布的碳化物，最终得到均匀化的高性能模具钢。
在模具钢中引入适量的Nb元素可细化奥氏体晶粒，降低共晶碳化物体积分数，Nb可以在不降低模具钢硬度的情况下提高其延展性和冲击韧性。稀土元素(RE)可以与氧、硫和氢等元素形成高熔点稀土化合物，从而降低钢中非金属夹杂物含量，同时稀土微合金化合物可以起到固溶强化作用。稀土元素可以控制钢中O、S夹杂物的形态，有助于提高模具钢的疲劳性能。在冶炼过程中，稀土元素形成高熔点化合物在钢液凝固前先析出，作为形核中心，降低钢液过冷度从而细化凝固组织。稀土元素的引入可以增加Nb、V等合金元素在钢中的溶解度，有助于碳化物在铁素体中的析出，提高碳化物的弥散强化效果，提高模具钢强度。硬度可以反应材料抵抗局部塑性变形的能力，热作模具钢在服役过程中的硬度水平对于模具的使用寿命十分关键。适量引入稀土元素可以起到细化晶粒与固溶强化的作用，从而提高材料的红硬性，高红硬性有助于热作模具钢在服役过程中保持较高的硬度值，提高其服役过程中性能稳定性，延长其使用寿命。
本申请一方面提供一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢，按质量百分数计，热作模具钢含有C 0.30％～0.40％、Si 0.05％～0.10％、Mn 0.65％～0.95％、Cr 0.03～0.07％、Mo 3.0～3.6％、V 0.30～0.60％、Nb 0.01～0.02％、Ce 0.02～0.03％，余量为Fe和冶金过程中不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素中O≤0.002％。
本申请通过合理的成分设计得到的热作模具钢具有较好的导热性，该高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢组织为铁素体+珠光体+贝氏体+碳化物(如图1所示)，适用于注塑、热锻和热冲压等对模具材料具有较高导热和耐磨性要求的热成形工艺。该高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢在150℃下热导率达43.7W/m·K，在400℃下热导率达36.0W/m·K，在650℃下热导率达30.8W/m·K，与H13钢相比具有较高的热导率。
碳(C)是强化基体组织，保证硬度和耐磨性等力学性能的必备元素，因此模具钢中碳含量不能太低，但是钢中碳含量过高会对导热性能不利，并且导致韧性下降，降低钢的抗冷热疲劳性能。
硅(Si)提高模具钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合力学性能，特别是弹性极限有利，但硅与铁的原子结构差异很大，会较大程度降低其导热率。
锰(Mn)在模具钢中熔于铁素体和渗碳体，使钢的强度、硬度提高。此外由于Mn和S的亲和力大于铁与硫的亲和力，那么可以夺走部分有害物质硫，形成高熔点的MnS(高于1600度)，从而减轻S对钢的有害作用。但是锰含量过高会显著降低钢的导热性能，并且会使钢的脆性增加，降低钢的抗腐蚀性能。
铬(Cr)增加模具钢、冲子料的硬度、强度(Cr是一种强碳化物形成元素)，最重要的是耐腐蚀性，但在Fe-Cr二元合金中，其导热率随Cr含量增加而逐渐降低，会影响模具钢的导热率，因此，本申请中降低了Cr含量至0.03～0.07％，利用其他合金元素碳化物来代替铬碳化物的作用，起到了良好的效果，降低了铬对热导率的影响。
钼(Mo)可以提高模具钢的淬透性，含量约0.5％时能降低或抑制其他合金元素导致的回火脆性。在较高回火温度下，形成弥散分布的特殊碳化物(Mo2C)，有二次硬化作用，提高模具钢的热强性和蠕变强度。
钒(V)增强抗磨损能力和延展性，提高工具钢的使用寿命，但会影响模具钢的导热率。V有助于提高淬透性；VC碳化物为稳定的强化相。
铌(Nb)能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度，但塑性和韧性有所下降。Nb作为微合金化元素(含量在0.001～0.1％)，由于Nb为强碳化物形成元素，与C结合形成NbC可以控制奥氏体晶粒长大起到细化晶粒作用，用微量Nb元素替代部分V元素，可以保证模具钢硬度并提高回火稳定性。
铈(Ce)为稀土元素，可以和氧、硫、氮、碳等元素生成高熔点稀土化合物，在模具钢中引入一定量的Ce，将钢中夹杂物的硫和氧元素置换出来形成稀土化合物，以起到降低硫、氧含量的作用。稀土元素可以消除电渣锭晶界处的块状液析碳化物，有助于净化晶界，可以细化夹杂物尺寸以减少裂纹源。
氧(O)会对钢的机械性能产生不良影响，在模具钢中为影响较大的杂质元素，需要严格控制。
需要说明的是，按质量百分数计，C的含量可以但不限于为0.30％、0.31％、0.32％、0.33％、0.34％、0.35％、0.36％、0.37％、0.38％、0.39％或0.40％；Si的含量可以但不限于为0.05％、0.06％、0.07％、0.08％、0.09％或0.10％；Mn的含量可以但不限于为0.65％、0.7％、0.75％、0.8％、0.85％、0.9％或0.95％；Cr的含量可以但不限于为0.03％、0.04％、0.05％、0.06％或0.07％；Mo的含量可以但不限于为3.0％、3.1％、3.2％、3.3％、3.4％、3.5％或3.6％；Ce的含量可以但不限于为0.02％、0.021％、0.022％、0.023％、0.024％、0.025％、0.026％、0.027％、0.028％、0.029％或0.03％。
在一些实施方式中，不可避免的杂质元素中Ni 0.01～0.04％、Cu 0.03～0.07％、Al 0.005～0.010％、N≤0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.0015％。
镍(Ni)具有固溶强化及提高淬透性的作用。细化铁元素体晶粒，在强度相同的条件下，提高钢的塑性和韧性，特别是低温韧性。与铬、钼等联合使用，提高钢的热强性和耐蚀性。
铜(Cu)能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆。
铝(Al)是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
氮(N)能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。
磷(P)在通常情况下，磷元素是模具钢材中的有害元素，磷(P)元素能够增加模具钢的冷脆性，使模具钢焊接性能变坏；降低模具钢的塑性，使模具钢的冷弯性能变坏。
硫(S)在一般情况下也是有害元素。硫(S)元素使模具钢产生热脆性，降低模具钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫(S)元素对模具钢的焊接性能也不利，降低其耐腐蚀性。
钛(Ti)是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。
需要说明的是，按质量百分数计，Ni的含量可以但不限于为0.01％、0.02％、0.03％或0.04％；Cu的含量可以但不限于为0.03％、0.04％、0.05％、0.06％或0.07％；Al的含量可以但不限于为0.005％、0.007％或0.010％；N的含量可以但不限于为≤0.005％、≤0.004％、≤0.003％或≤0.002％；P的含量可以但不限于为≤0.005％、≤0.004％、≤0.003％或≤0.002％；S的含量可以但不限于为≤0.0015％、≤0.0013％、≤0.001％或≤0.0005％；Ti的含量可以但不限于为≤0.0015％、≤0.0013％、≤0.001％或≤0.0005％。
在优选的实施方式中，按质量百分数计，热作模具钢含有C0.31％～0.35％、Si0.069％～0.076％、Mn 0.74％～0.83％、Cr 0.041～0.051％、Mo 3.31～3.44％、V 0.44～0.51％、Nb 0.01～0.02％、Ce 0.02～0.03％，余量为Fe和冶金过程中不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素中O≤0.002％。
在优选的实施方式中，按质量百分数计，热作模具钢含有C 0.31％、Si 0.076％、Mn 0.74％、Cr 0.041％、Mo 3.44％、V 0.51％、Nb 0.018％、Ce 0.024％、O≤0.002％、Ni0.01～0.04％、Cu 0.03～0.07％、Al 0.005～0.010％、N≤0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.0015％。
在优选的实施方式中，按质量百分数计，热作模具钢含有C 0.35％、Si 0.069％、Mn 0.83％、Cr 0.051％、Mo 3.31％、V 0.44％、Nb 0.017％、Ce 0.022％、O≤0.002％、Ni0.01～0.04％、Cu 0.03～0.07％、Al 0.005～0.010％、N≤0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.0015％。
本申请提出一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢的制造方法：
S1：真空感应熔炼：根据该热作模具钢成分配比，选材进行真空感应熔炼，控制合金中活泼元素的含量，如Al 0.005～0.010％、Ti≤0.0015％，去除合金中气体及非金属夹杂物等杂质，并通过双层挡渣和陶瓷过滤提高纯净度，出钢时控制P≤0.005％、Si≤0.10％、O≤0.002％、N≤0.005％，S≤0.0015％；
S2：电渣重熔：在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，减少易氧化元素的烧损，并控制O、N、H元素含量增加，并进行720℃～760℃退火，保温6～10h，退火后缓冷至400℃～500℃待下一步处理；
S3：高温均质化处理：对电渣锭进行高温均质化处理改善带状组织，保温温度1240℃～1280℃，保温时间20～30h；
S4：锻造处理：高温均质化处理后炉冷至1150℃～2000℃使用快锻机开始锻造，终锻温度850℃～900℃，锻造比>4，破碎原始粗大晶粒，获得新的细小等轴晶粒；
S5：超细化处理：锻后进行超细化处理细化晶粒，保温温度1000℃～1050℃，保温时间3～5h，出炉水冷；
S6：球化退火处理：超细化处理后进行球化退火，加热至830℃～880℃，保温15～20h，炉冷到720℃～760℃，保温30～40h，使组织中碳化物球化，炉冷至400℃～500℃出炉空冷。
该方法采用真空感应熔炼和电渣重熔的方式，使得模具钢偏析更少，组织均匀度(如图1)更好。
下面通过实施例对本申请作进一步说明。如无特别说明，实施例中的材料为根据现有方法制备而得，或直接从市场上购得。
实施例1
采用以下工艺制造得到一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢：
第一步：真空感应熔炼：根据该高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢成分配比，选材进行真空感应熔炼，控制合金中活泼元素的含量，如Al 0.005～0.010％、Ti≤0.0015％，去除合金中气体及非金属夹杂物等杂质，并通过双层挡渣和陶瓷过滤提高纯净度，出钢时控制P≤0.005％、Si≤0.10％、O≤0.002％、N≤0.005％，S≤0.0015％；
第二步：电渣重熔：在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，减少易氧化元素的烧损，并控制O、N、H元素含量增加，并进行760℃退火，保温6h，退火后缓冷至480℃待下一步处理；
第三步：高温均质化处理：对电渣锭进行高温均质化处理改善带状组织，保温温度1280℃，保温时间20h；
第四步：锻造处理：高温均质化处理后炉冷至1170℃使用快锻机开始锻造，终锻温度880℃，锻造比>4，破碎原始粗大晶粒，获得新的细小等轴晶粒；
第五步：超细化处理：锻后进行超细化处理细化晶粒，保温温度1050℃，保温时间3h，出炉水冷；
第六步：球化退火处理：超细化处理后进行球化退火，加热至860℃，保温16h，炉冷到760℃，保温32h，使组织中碳化物球化，炉冷至480℃出炉空冷。
得到FC-50-1高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢(组织金相照片如图1所示)，化学成分含量如表1。该钢与H13钢相比具有较低的Si、Cr、V元素含量，Si含量0.076％，Cr含量0.041％，V含量0.51％，并提高Mo元素含量至3.44％，Mn含量至0.74％。
表1 FC-50-1钢主要化学成分表(wt％)
| 钢号 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V | Ce | O |
| FC-50-1 | 0.31 | 0.076 | 0.74 | 0.041 | 3.44 | 0.51 | 0.024 | 0.0013 |
| H13 | 0.38 | 0.95 | 0.39 | 5.01 | 1.40 | 1.02 | / | 0.0016 |
对比该高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢(FC-50-1)与H13钢的杂质元素成分含量(如表2)，可以发现Ce显著降低了钢中杂质元素含量，提高了模具钢的洁净度，从而抑制杂质元素偏析，提高模具钢力学性能。回火态FC-50-1高导热稀土热作模具钢的洛氏硬度为53.5HRC，回火态硬度较高。
表2 FC-50-1钢杂质元素与微合金元素成分表(wt％)
| 钢号 | P | S | N | Nb | Cu | Ti | Ni | Al |
| FC-50-1 | 0.0022 | 0.0008 | 0.0030 | 0.018 | 0.050 | 0.0008 | 0.023 | 0.0069 |
| H13 | 0.0210 | 0.0013 | 0.0160 | 0.003 | 0.081 | 0.0031 | 0.20 | 0.0098 |
对FC-50-1钢进行热导率检测，测试结果如图2所示，并与国产H13钢热导率进行对比，在200℃时FC-50-1钢的热导率为40.6W/m·K，约为H13钢的1.6倍，在750℃时FC-50-1钢的热导率为24.5W/m·K，约为H13钢的1.4倍。
实施例2
采用以下工艺制造得到一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢：
第一步：真空感应熔炼：根据该高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢成分配比，选材进行真空感应熔炼，控制合金中活泼元素的含量，如Al 0.005～0.010％、Ti≤0.0015％，去除合金中气体及非金属夹杂物等杂质，并通过双层挡渣和陶瓷过滤提高纯净度，出钢时控制P≤0.005％、Si≤0.10％、O≤0.002％、N≤0.005％，S≤0.0015％；
第二步：电渣重熔：在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，减少易氧化元素的烧损，并控制O、N、H元素含量增加，并进行740℃退火，保温8h，退火后缓冷至450℃待下一步处理；
第三步：高温均质化处理：对电渣锭进行高温均质化处理改善带状组织，保温温度1250℃，保温时间28h；
第四步：锻造处理：高温均质化处理后炉冷至1180℃使用快锻机开始锻造，终锻温度870℃，锻造比>4，破碎原始粗大晶粒，获得新的细小等轴晶粒；
第五步：超细化处理：锻后进行超细化处理细化晶粒，保温温度1030℃，保温时间5h，出炉水冷；
第六步：球化退火处理：超细化处理后进行球化退火，加热至840℃，保温18h，炉冷到750℃，保温36h，使组织中碳化物球化，炉冷至450℃出炉空冷。
得到FC-50-2高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢，化学成分含量如表3。该钢与H13钢相比具有较低的Si、Cr、V元素含量，Si含量0.069％，Cr含量0.051％，V含量0.44％，并提高Mo元素含量至3.31％，Mn含量至0.83％。
表3 FC-50-2模具钢主要化学成分表(wt％)
| 钢号 | C | Si | Mn | Cr | Mo | V | Ce | O |
| FC-50-2 | 0.35 | 0.069 | 0.83 | 0.051 | 3.31 | 0.44 | 0.022 | 0.0015 |
| H13 | 0.38 | 0.95 | 0.39 | 5.01 | 1.40 | 1.02 | / | 0.0016 |
对比该高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢与H13钢的杂质元素成分含量(如表4)，可以发现Ce显著降低了钢中杂质元素含量，提高了模具钢的洁净度，从而抑制杂质元素偏析，提高模具钢力学性能。回火态FC-50-2高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢的洛氏硬度为54.1HRC，回火态硬度较高。
表4 FC-50-2钢杂质元素与微合金元素成分表(wt％)
| 钢号 | P | S | N | Nb | Cu | Ti | Ni | Al |
| FC-50-2 | 0.0033 | 0.0009 | 0.0035 | 0.017 | 0.048 | 0.0010 | 0.026 | 0.0074 |
| H13 | 0.0210 | 0.0013 | 0.0160 | 0.003 | 0.081 | 0.0031 | 0.20 | 0.0098 |
FC-50-2的热导率测试结果如图3所示，在200℃时FC-50-2钢的热导率为41.32W/m·K，约为H13钢的1.6倍，在750℃时FC-50-2钢的热导率为26.23W/m·K，约为H13钢的1.5倍。
注意，上述仅为本申请的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本申请不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本申请的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本申请进行了较为详细的说明，但是本申请不仅仅限于以上实施例，在不脱离本申请的技术构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，均属于本申请的保护范畴。
Claims (8)
1.一种高导热率高红硬性RE-Nb复合微合金化热作模具钢，其特征在于，按质量百分数计，热作模具钢含有C 0.30％～0.40％、Si0.05％～0.10％、Mn 0.65％～0.95％、Cr0.03％～0.07％、Mo 3.0％～3.6％、V 0.30％～0.60％、Nb 0.01％～0.02％、Ce 0.02％～0.03％，余量为Fe和冶金过程中不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素中O≤0.002％。
2.根据权利要求1所述的热作模具钢，其特征在于，所述不可避免的杂质元素中Ni0.01％～0.04％、Cu 0.03％～0.07％、Al0.005％～0.010％、N≤0.005％、P≤0.005％、S≤0.0015％、Ti≤0.0015％。
3.根据权利要求1所述的热作模具钢，其特征在于，按质量百分数计，热作模具钢含有C0.31％～0.35％、Si 0.069％～0.076％、Mn0.74％～0.83％、Cr 0.041％～0.051％、Mo3.31％～3.44％、V 0.44％～0.51％、Nb 0.01％～0.02％、Ce 0.02％～0.03％，余量为Fe和冶金过程中不可避免的杂质元素，所述不可避免的杂质元素中O≤0.002％。
4.根据权利要求1或2所述的热作模具钢，其特征在于，按质量百分数计，热作模具钢含有C 0.31％、Si 0.076％、Mn 0.74％、Cr 0.041％、Mo 3.44％、V 0.51％、Nb 0.018％、Ce0.024％。
5.根据权利要求1或2所述的热作模具钢，其特征在于，按质量百分数计，热作模具钢含有C 0.35％、Si 0.069％、Mn 0.83％、Cr 0.051％、Mo 3.31％、V 0.44％、Nb 0.017％、Ce0.022％。
6.权利要求1～5任一项所述的热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下工艺步骤：
S1：真空感应熔炼：根据成分配比，进行真空感应熔炼，控制合金中活泼元素的含量，如Al 0.005％～0.010％、Ti≤0.0015％，去除合金中气体及非金属夹杂物杂质，并通过双层挡渣和陶瓷过滤提高纯净度，出钢时控制P≤0.005％、Si≤0.10％、O≤0.002％、N≤0.005％，S≤0.0015％；
S2：电渣重熔：在保护气氛下对母电极进行电渣重熔精炼处理，得到电渣锭，减少易氧化元素的烧损，并控制O、N、H元素含量增加，并进行720℃～760℃退火，保温6～10h，退火后缓冷至400℃～500℃待下一步处理；
S3：高温均质化处理：对电渣锭进行高温均质化处理改善带状组织，保温温度1240℃～1280℃，保温时间20～30h；
S4：锻造处理：高温均质化处理后炉冷至1150℃～2000℃使用快锻机开始锻造，终锻温度850℃～900℃，锻造比>4，破碎原始粗大晶粒，获得新的细小等轴晶粒；
S5：超细化处理：锻后进行超细化处理细化晶粒，保温温度1000℃～1050℃，保温时间3～5h，出炉水冷；
S6：球化退火处理：超细化处理后进行球化退火，加热至830℃～880℃，保温15～20h，炉冷到720℃～760℃，保温30～40h，使组织中碳化物球化，炉冷至400℃～500℃出炉空冷。
7.权利要求1～5任一项所述的热作模具钢在压铸、热锻或热冲压中的应用。
8.一种钢制品，其特征在于，包含权利要求1～5任一项所述的热作模具钢。
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