本發(fā)明涉及特種合金材料，具體說是一種低成本減量化稀土微合金鋼的制備方法。

背景技術(shù)：

1、crnimov鋼屬于空冷淬硬鋼，其具有優(yōu)良的強(qiáng)熱性、耐磨性、較高的淬透性和強(qiáng)韌性，是使用最廣泛和最具代表性的熱作模具鋼種，通常用于制造鋁鑄件用的壓鑄模、熱擠壓模、穿孔用的工具、芯棒、壓機(jī)鍛模、塑料模等，還廣泛應(yīng)用于鋁、銅及其合金的壓鑄模具。

2、模具鋼由于其工況條件的苛刻性，對材料本身的力學(xué)性能要求很高，故基體中加入了大量貴合金元素，導(dǎo)致其成本較高，模具鋼價格普遍較貴。此外，模具鋼由于碳元素以及cr、mo、v等碳化物形成元素含量較高，易在凝固形成大塊或網(wǎng)狀的碳化物，導(dǎo)致其在熱加工過程中容易氧化或者軋制開裂，降低材料的成材率，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。

3、基于模具鋼本身特殊的力學(xué)性能，為了節(jié)約生產(chǎn)成本，以及在金屬材料回收利用時，很多應(yīng)用模具鋼的模具采用堆焊復(fù)合制造方法，芯部采用成本低廉的普通鋼，外部工作層采用模具鋼焊絲堆焊，實現(xiàn)模具材料的減量化使用，降低生產(chǎn)成本。此外，鋼廠中一些軋輥在使用一段時間后，由于接觸磨損導(dǎo)致軋輥破損，影響軋板表面質(zhì)量，需更換軋輥。整體更換軋輥的成本較高，外部工作層可以采用堆焊的形式進(jìn)行表面修復(fù)，降低軋輥修復(fù)的成本。

4、模具鋼中含有中含量的碳元素以及較高的碳化物形成元素，且基體組織含有大量塊狀碳化物或者網(wǎng)狀碳化物，在熱軋過程中容易開裂，導(dǎo)致熱加工成材率較低；同時由于大量碳化物存在也導(dǎo)致其硬度普遍偏高，塑性和韌性較差，導(dǎo)致冷拔性能較差，難以制成實芯焊絲。目前市場上所用的焊絲基本為crnimov藥芯焊絲。

5、藥芯焊絲還存在以下主要問題，首先其制作方法決定了在后續(xù)的堆焊過程中容易造成成分的不均勻性，進(jìn)而導(dǎo)致性能的不均勻性，其次藥芯焊絲的熔覆效率低，藥芯焊絲因為在焊接后產(chǎn)生大量的焊渣，最后藥芯焊絲因為焊絲里要裹進(jìn)藥粉所以焊接時煙霧粉塵大。因此，一些對堆焊性能要求較高的材料，必須使用實心焊絲。且在很多高性能的場合，往往由于上述藥芯焊絲的缺點，難以滿足使用要求而不得不放棄復(fù)合制造或者堆焊修復(fù)的方案，轉(zhuǎn)而采用整體模具鋼制作，增加了生產(chǎn)成本。

6、目前，關(guān)于crnimov鋼的報道中，基本都是關(guān)于crnimov模具鋼的生產(chǎn)制備方法以及熱處理工藝研究，很少有關(guān)注到crnimov鋼冷拔拉絲的問題研究。模具鋼中較高的碳含量和合金含量，以及由此產(chǎn)生的粗大的碳化物組織及基體較高硬度和較低韌性，是模具鋼難以制備冷拔實心焊絲的關(guān)鍵所在。

7、為解決此問題，國內(nèi)外曾探索模具鋼在冷拔過程中實施多道次回火的方式消除拉拔應(yīng)力，雖然可以一定程度上改善冷拔力學(xué)性能，但是不能從根本上改善模具鋼的塑性和韌性，斷絲率依然較高。專利cn?116021191?a公開了一種陶瓷相改性的crnimov實心焊絲低成本制備方法，此方法通過將氧化物納米粉與鐵粉機(jī)械研磨和球磨獲得陶瓷相增韌劑，加入crnimov鋼液中，利用氧化物納米粉作為鋼基體的異質(zhì)形核核心，起到細(xì)晶強(qiáng)化的效果、作為細(xì)小第二相起到彌散強(qiáng)化的效果，從而提高了材料韌性和延展性，來制備crnimov實芯焊絲。但是氧化物中間合金的制備工藝繁瑣、成本較高和加入量較大，導(dǎo)致此方法制備實心焊絲的流程較長和生產(chǎn)成本較高，不容易大規(guī)模推廣。此外，雖然氧化物陶瓷相借助中間合金的形式加入熔體，但是其依舊存在浸潤性差，容易團(tuán)聚的問題，導(dǎo)致crnimov鋼的成分和組織不均勻。

8、本發(fā)明在精煉環(huán)節(jié)，通過調(diào)控硫和氧含量，以此向crnimov鋼液中引入適量的稀土元素、熱加工和冷加工手段，以此來提高crnimov鋼的熱加工性能和冷加工性能，從而提升材料的成材率，并解決crnimov鋼拉拔斷絲的問題，最后使用回收利用的金屬材料低成本制備crnimov合金實心焊絲。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種低成本減量化稀土微合金鋼的制備方法。

2、本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：一種低成本減量化稀土微合金鋼的制備方法，包括以下步驟：

3、熔煉：將原料fe、c、si、mn、cr、mo、v、ni按比例加入熔煉爐，升溫至1550-1600℃熔煉，獲得合金鋼液；

4、精煉：向鋼液中加入石灰和鋁粉，進(jìn)行造渣、脫氧和脫硫處理，控制鋼液中s≤0.01%、p≤0.015%、o≤0.008%；隨后加入稀土元素re（re為ce、la中的任意一種），控制re含量為0.01%-0.1%（質(zhì)量百分比），且滿足1≤re/s≤10；

5、熱軋：將鋼液澆鑄成鋼錠，在保護(hù)氣氛或空氣中，于低于150℃時入爐，緩慢升溫至1000-1100℃，保溫0.5h后熱軋為φ6mm的盤條；

6、冷拔：盤條經(jīng)退火、酸洗和表面處理后，進(jìn)行多道次冷拔，每次減徑量10%-30%，最終制成目標(biāo)規(guī)格的合金鋼。

7、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述原料中各元素的質(zhì)量百分比為：0.23%≤c≤0.57%，0.30%≤si≤1.50%，0.20%≤mn≤0.50%，3.5%≤cr≤6.50%，0.60%≤mo≤3.5%，0.30%≤v≤1.80%，0.1%≤ni≤5%，余量為fe及不可避免的雜質(zhì)。

8、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述精煉步驟中，稀土元素加入后攪拌并精煉5min，隨后將鋼液溫度降至1520-1530℃后澆鑄。

9、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述熱軋后的盤條需進(jìn)行去應(yīng)力退火：加熱至800-850℃，保溫3-5h，低于200℃出爐。

10、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述冷拔過程無需中間退火，最終制成直徑1.5-3.5mm的合金鋼。

11、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述熔煉爐為中頻爐或電弧爐。

12、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述稀土元素的加入量根據(jù)鋼液硫含量及目標(biāo)re/s比例（1≤re/s≤10）確定。

13、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述熱軋過程中，鋼錠升溫速率為緩慢升溫，避免熱應(yīng)力開裂；

14、升溫速率≤5℃/min。

15、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述冷拔道次根據(jù)目標(biāo)直徑確定，單次減徑量優(yōu)選15%-25%。

16、作為進(jìn)一步的技術(shù)方案，所述稀土元素與鋼液中的s、o反應(yīng)生成稀土氧硫化物或稀土氧化物，作為非均質(zhì)形核核心細(xì)化基體組織，并抑制碳化物團(tuán)聚。

17、本發(fā)明通過向crnimov鋼中加入微量稀土元素，利用稀土的凈化鋼液、變質(zhì)夾雜、細(xì)化組織以及微合金化作用，并配合包含去應(yīng)力退火的特定熱處理制備工藝，來改善合金鋼的熱加工性能和冷加工性能，從而提升材料的成材率以及解決鋼冷拔斷絲的問題，從而制備crnimov合金實心焊絲。

18、本發(fā)明所涉及的添加稀土元素的作用及主要加工、制備的工藝的作用如下。

19、（1）通過引入稀土添加劑的方式解決crnimov鋼的成材率和冷拔斷絲問題，可以大幅降低crnimov鋼實心焊絲的生產(chǎn)成本。

20、（2）稀土的加入工藝

21、稀土是活性元素，在鋼液中具有強(qiáng)烈的脫氧和脫硫作用，加入前必須控制鋼液的雜質(zhì)元素含量，以保證稀土的收得量并形成合適稀土夾雜物。因此，加入稀土前，必須首先完成精煉環(huán)節(jié)，控制鋼液中s≤0.01%，p≤0.015%，o≤0.008%，以保證稀土收得率的穩(wěn)定。

22、（3）稀土夾雜物作用

23、鋼中的s含量和o含量及稀土含量的比例不同，會導(dǎo)致形成的稀土夾雜物的種類不同。不同的稀土夾雜物所具有的非均質(zhì)形核效果不同。在上述雜質(zhì)含量控制水平下，加入0.01%≤re≤0.1%含量，且1≤re/s≤10，可以保證實現(xiàn)常規(guī)脫氧產(chǎn)物al2o3等實現(xiàn)完全改性，并形成稀土氧硫化物或稀土氧化物，此類氧化物可以作為crnimov鋼凝固過程的非均質(zhì)形核核心，實現(xiàn)組織的細(xì)化。

24、傳統(tǒng)al2o3夾雜物的形狀為不規(guī)則狀或者團(tuán)簇集聚成大顆粒夾雜物，在隨后的熱加工、冷加工等工藝環(huán)節(jié)，夾雜物的尖角處容易使夾雜物周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，且此類夾雜物與鋼基體之間熱膨脹性能和硬度均存在差異，成為裂紋源，導(dǎo)致熱軋開裂或者冷拔斷絲。稀土氧硫化物或稀土氧化物是小尺寸的球狀夾雜物，在軋制過程中不易發(fā)生變形，且夾雜物的類球狀形貌不會由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生微裂紋，不易導(dǎo)致熱軋開裂或者冷拔斷絲，提高了成材率同時保證冷拔性能，降低了生產(chǎn)成本。

25、（4）稀土的微合金化作用

26、稀土的原子半徑較大，極其容易偏聚在晶界上。在本發(fā)明的稀土含量0.01%≤re≤0.1%下，會有一部分的re元素偏聚在晶界上，抑制s等雜質(zhì)元素在晶界處偏析以及與低熔點有害元素聚集，并阻礙晶間裂紋的擴(kuò)展，起到強(qiáng)化晶界的作用，以改善塑性和高溫、低溫性能，從而在后期拉拔的過程中，晶界強(qiáng)度較大，不易發(fā)生斷絲。

27、（5）稀土細(xì)化組織作用

28、在本發(fā)明成分要求范圍內(nèi)，可以形成合適的稀土夾雜物，作為凝固組織細(xì)化的非均質(zhì)形核核心，細(xì)化基體的組織；此外，添加稀土還減小大塊狀碳化物以及打碎碳化物的網(wǎng)狀分布形式，可以讓碳化物彌散分布且析出均勻，起到細(xì)化碳化物的作用。

29、（6）冶煉及澆鑄溫度：熔煉溫度為1550-1600℃，溫度太高，合金元素?zé)龘p較多，致使原材料中添加元素的收得率不高；溫度太低，熔體較粘，合金成分不夠均勻；澆鑄溫度為1520-1530℃，溫度＞1530℃，過熱度較高，鑄錠凝固組織細(xì)化的效果較差，不利于發(fā)揮稀土的細(xì)化組織作用，溫度＜1520℃，過熱度較低，不利于合金澆鑄過程的順利進(jìn)行。

30、（7）熱處理制度：熱軋后的盤條需進(jìn)行去應(yīng)力退火，具體為加熱至800-850℃，連續(xù)保溫3-5h，隨后在低于200℃條件下出爐，以消除熱軋過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，降低盤條硬度（從hrc38-42降至hrc28-32），顯著提升冷拔塑性。該退火工藝與稀土的晶界強(qiáng)化作用協(xié)同，使鋼材在冷拔過程中可承受更大塑性變形，避免斷絲。

31、本發(fā)明的有益效果：

32、1、本發(fā)明提供的一種低成本減量化稀土微合金鋼的制備方法解決了crnimov鋼熱軋開裂的問題，有效減少了crnimov鋼在鍛造或者軋制過程中開裂的問題，提高了成才率，從而顯著降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。

33、2、本發(fā)明提供的一種低成本減量化稀土微合金鋼的制備方法解決了crnimov鋼冷拔拉拔斷絲的問題，可以實現(xiàn)低成本制備crnimov合金實心焊絲。本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)大規(guī)模生產(chǎn)，可擴(kuò)大高品質(zhì)特種合金的生產(chǎn)品種、并彌補(bǔ)我國高性能特種合金材料生產(chǎn)的不足。