本发明涉及冶钢，尤其是涉及一种耐高温高韧性的热作模具钢及其制备方法。
背景技术：
1、热作模具钢是模具钢中的重要分支，主要用来制造金属热加工成型的模具，基于热作模具钢形成的精密热模锻成形技术可以生产接近最终形状的产品。在航空、轨道交通、汽车等领域中大部分金属零部件的生产中均需使用热作模具，如航空发动机叶片、高铁轨道扣件和金属垫板、汽车用轴类件及汽车差速器齿轮等关键部件等制备。
2、由于热作模具在较高温度下工作，热疲劳失效是热作模具钢最常见的失效形式。工作时，高温冲入的金属溶液和开模时的喷雾冷却产生极大温度梯度，冷热循环产生交变热应力，在模腔表面产生热应力集中，在热应力或热应力和外加机械应力共同作用下，应力集中处易生成热裂纹，裂纹形貌常为放射状或网状，随着不断的冷热循环，裂纹会逐步发展成微裂纹，微裂纹会进一步扩展，最终导致模具失效。
3、传统的热作模具钢主要分为高合金热作模具钢，中合金热作模具钢和低合金热作模具钢三大类；其中，高合金热作模具钢3cr2w8v在700℃具有415mpa的高温抗拉强度；中合金热作模具钢h13在700℃具有292mpa的高温抗拉强度；低合金热作模具钢5crmnmosiv，在700℃的高温抗拉强度为137mpa，因此，现有的热作模具钢不能满足高温高强度的要求。
4、故而，需要一种耐高温高韧性的热作模具钢，以满足更大的市场需求。
技术实现思路
1、为了解决现有的热作模具钢在高温下无法保持良好的力学性能的问题，本发明提供一种耐高温高韧性的热作模具钢及其制备方法。
2、第一方面，本发明提供的一种耐高温高韧性的热作模具钢，采用如下的技术方案：
3、一种耐高温高韧性的热作模具钢，由以下质量百分比的组分组成：c：0.14-0.16％，si：0.40-0.90％，mn：0.20-0.80％，mo：1.50-3.00％，ni：4.20-4.50％，cr：0.60-1.60％，v：0.10-0.40％，ce：0.20-0.90％，la：0.021-0.075％，y：0.002-0.005％，p：≤0.012％，s：≤0.018％，余量为fe和杂质。
4、优选的，所述耐高温高韧性的热作模具钢，由以下质量百分比的组分组成：c：0.15-0.16％，si：0.55-0.80％，mn：0.43-0.75％，mo：2.00-2.50％，ni：4.25-4.40％，cr：1.10-1.55％，v：0.15-0.30％，ce：0.40-0.80％，la：0.03-0.06％，y：0.003-0.004％，p：≤0.010％，s：≤0.015％，余量为fe和杂质。
5、优选的，所述热作模具钢中，ce+la+y为0.25-0.60％。
6、优选的，所述热作模具钢中，mo/cr为2。
7、第二方面，本发明提供的一种耐高温高韧性的热作模具钢的制备方法，采用如下的技术方案：
8、一种耐高温高韧性的热作模具钢的制备方法，包括以下步骤：
9、s1、按耐高温高韧性的热作模具钢的配方取原料，将原料经熔炼与精炼，得到钢水，将钢水进行浇注，得到铸件；
10、s2、将铸件均质化处理后，进行多向锻造，得到锻件模块；
11、s3、将锻件模块依次进行退火、淬火、回火处理，得到热作模具钢。
12、优选的，所述s1中熔炼与精炼为：先将工业纯铁、mn、cr、ni、mo加入熔炼炉中，开真空泵抽真空，真空度为6-8pa；炉料开始熔化后通入氩气至炉内总压力为30000-35000pa，炉料全部熔化后加入石墨再次抽真空至12-18pa，保温20min进行真空精炼，精炼温度为1580-1600℃；真空精炼结束后依次加入v、ce、si、la、y继续熔炼至炉料充分熔化，熔炼温度为1580-1600℃，得到钢水。
13、优选的，所述步骤s2中均质化处理为：将铸件以升温速率为4-6℃/min加热至1200-1240℃，保温15-25h，随后以降温速率为4-6℃/min冷却至700-750℃，保温2-3h后，取出，空气冷却至室温。
14、优选的，所述步骤s2中多向锻造为：对均质化处理后的铸件进行x、y、z三个方向的镦粗、拔长，最终沿z向拔长至成品，其中x、y为相互垂直的两个直径方向，z为原始电渣锭轴向，开锻温度为1050-1140℃，终锻温度900-1000℃。
15、优选的，所述步骤s3中的退火、淬火、回火为：将锻件模块以升温速率为1.5-2.5℃/min加热到850-870℃，保温6-8h后，在炉中冷却到400-500℃后，取出，空气冷却至室温；再将锻件模块以升温速率为1.5-2.5℃/min加热至920-980℃，保温1-6h后，用水将锻件模块冷却至50-150℃；随后立即回火1-2次，回火温度为550-580℃，保温4-10h。
16、综上所述，本发明具有以下有益效果：
17、1、cr是中等碳化物形成元素，碳化铬是各种碳化物中最小的碳化物，能均匀地分布在钢基体中，具有高强度，高硬度，高屈服点和高耐磨性；mo具有良好的晶粒细化效果，可在不降低塑性的情况下提高钢的强度，改善钢的冲击韧性，与cr结合可显著改善钢的淬透性；本发明采用高mo低cr的设计思想，严格控制mo与cr的质量分数比例，使得热作模具钢具有优异的硬度和冲击韧性。
18、2、本发明添加稀土金属元素ce、la与y，且控制三者的质量分数之和，ce、la与y共同作用，会与氧、硫等元素形成稀土化合物，具有变质夹杂、净化钢液和细化显微组织的作用；还会固溶到基体中，起到固溶强化的作用，在钢中形成的稀土夹杂物，具有形貌规则、尺寸较小、分布均匀以及高熔点的特点，能够起到改善材料的微观组织的作用；另外还具有破碎共晶碳化物的效果，提高共晶碳化物的各向同性，减小共晶碳化物的尺寸，降低共晶碳化物的百分比；多方面综合作用，使本发明的模具钢具有稳定且均匀的组织，在高温下仍具有优异的强度和韧性。
19、3、本发明的热作模具钢的制备方法，步骤简单，经熔炼、精炼、浇注、高温均质化处理、多向锻造、退火、淬火、回火等工艺，其中多向锻造能够大幅细化晶粒、提高模具钢强度并且能减少各向异性，解决了现有技术中存在的热作模具钢无法在高温下保持优异的韧性的难题。
1.一种耐高温高韧性的热作模具钢，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：c：0.14-0.16％，si：0.40-0.90％，mn：0.20-0.80％，mo：1.50-3.00％，ni：4.20-4.50％，cr：0.60-1.60％，v：0.10-0.40％，ce：0.20-0.90％，la：0.021-0.075％，y：0.002-0.005％，p：≤0.012％，s：≤0.018％，余量为fe和杂质。
2.根据权利要求1所述的耐高温高韧性的热作模具钢，其特征在于，由以下质量百分比的组分组成：c：0.15-0.16％，si：0.55-0.80％，mn：0.43-0.75％，mo：2.00-2.50％，ni：4.25-4.40％，cr：1.10-1.55％，v：0.15-0.30％，ce：0.40-0.80％，la：0.03-0.06％，y：0.003-0.004％，p：≤0.010％，s：≤0.015％，余量为fe和杂质。
3.根据权利要求1所述的耐高温高韧性的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢中，ce+la+y为0.25-0.60％。
4.根据权利要求1所述的耐高温高韧性的热作模具钢，其特征在于，所述热作模具钢中，mo/cr为2。
5.一种如权利要求1-4任一所述的耐高温高韧性的热作模具钢的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.根据权利要求5所述的耐高温高韧性的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述s1中熔炼与精炼为：先将工业纯铁、mn、cr、ni、mo加入熔炼炉中，开真空泵抽真空，真空度为6-8pa；炉料开始熔化后通入氩气至炉内总压力为30000-35000pa，炉料全部熔化后加入石墨再次抽真空至12-18pa，保温20min进行真空精炼，精炼温度为1580-1600℃；真空精炼结束后依次加入v、ce、si、la、y继续熔炼至炉料充分熔化，熔炼温度为1580-1600℃，得到钢水。
7.根据权利要求5所述的耐高温高韧性的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中均质化处理为：将铸件以升温速率为4-6℃/min加热至1200-1240℃，保温15-25h，随后以降温速率为4-6℃/min冷却至700-750℃，保温2-3h后，取出，空气冷却至室温。
8.根据权利要求5所述的耐高温高韧性的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中多向锻造为：对均质化处理后的铸件进行x、y、z三个方向的镦粗、拔长，最终沿z向拔长至成品，其中x、y为相互垂直的两个直径方向，z为原始电渣锭轴向，开锻温度为1050-1140℃，终锻温度900-1000℃。
9.根据权利要求5所述的耐高温高韧性的热作模具钢的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中的退火、淬火、回火为：将锻件模块以升温速率为1.5-2.5℃/min加热到850-870℃，保温6-8h后，在炉中冷却到400-500℃后，取出，空气冷却至室温；再将锻件模块以升温速率为1.5-2.5℃/min加热至920-980℃，保温1-6h后，用水将锻件模块冷却至50-150℃；随后立即回火1-2次，回火温度为550-580℃，保温4-10h。
