CN110066904A - 一种高强度高韧性轻量化工具钢及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高强度高韧性轻量化工具钢及其制备方法，所述的工具钢具有下列质量比的化学成分C:1.80～2.00wt%；Si:0.90～1.35wt%；Mn:30.6～31.5wt%；Cr:4.80～6.2wt%；Al:9.0～11.0wt%；B：0.0020 wt%～0.0045wt%；S:≤0.008 wt%；P:≤0.015 wt%；O：≤0.0008 wt%；且C+Mn：Al=3.0～3.5；余量为不可避免的不纯物。本发明采用高C、高Mn、高Cr含量控制，并加入较高的Al含量达到降低工具钢密度的目的，从而降低了材料重量，提高使用寿命、降低能源消耗。避免了Mo、Ni、V、Nb、Ti等贵重合金的加入，降低了成本。发明提供制备所必须的冶炼、轧制、高温缓冷等系列关键技术，所制备的工具钢具有低密度、高强度、高塑性等特性，可以进一步加工成各种工具。

Description

一种高强度高韧性轻量化工具钢及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料加工技术领域，具体涉及一种高强度高韧性轻量化工具钢及其制备方法。
背景技术
钢铁是一种基础金属材料，其密度为7.8～7.9g/cm3，基本接近于纯铁。通常人们认为钢铁产品属于有一定强韧性，但重量较大的材料。随着节能减排环保意识的深入，如何在减轻钢材自身重量，保持或提高钢铁产品强韧性成为材料工作者关注的一个重点。近年来，一种提高钢铁材料性能的新思路引起钢铁结构材料研究人员的关注。它主要通过向钢中加入轻量化合金元素使合金钢的密度降低，材料不仅具有较高强度、良好塑性和一定的耐蚀性能，而所具有的低密度特征满足了钢铁材料的未来发展需求。研究表明，钢中每添加1％的Al，钢的密度下降0.101g/cm3，可减重约1.3％；每添加1％的C，钢的密度下降0.41g/cm3，可减重约5.2％；同时，钢中每添加1％的Mn含量也可使其密度下降0.0085g/cm3，取得0.1％的减重效果。
工具模具的使用是提高生产率，减少材料消耗，降低成本，提高产品质量和市场竞争力的重要手段。随着工业技术不断发展，要求工具在更苛刻、更高速的工作条件下使用，要求工具的精度越来越高，使用寿命越来越长，能耗越来越低。开发强度高，塑性好、并具有一定的耐蚀性能的新型低密度钢，可以满足工具钢发展需求。
目前已有的研究成果是主要车辆、飞机等交通工具减重、吸能的结构用材。其中，CN103820735A公布了《一种超高强度C-Al-Mn-Si系低密度钢及其制备方法》，该方法在成分设计上需要添加Cr、Ni、Mo、V、Nb和Ti中的一种或多种合金元素，提高钢的强度。该专利提供的是一种针对特定成分的方法，该低密度钢设计密度＜7.4g/cm3，按设计成分计算，其密度为7.4～7.2g/cm3，制备方法提供的主要内容为时效热处理方法。
CN104928569A公布了《一种800MPa级高延展性的低密度钢及其制造方法》，该方法成分设计上采用低碳、低锰、高铝设计，加入V、Ti、Nb、Ni、Cu、Zr等微合金元素，经热轧、酸洗、冷轧和连续退火制备出一种抗拉强度＞800MPa，延伸率＞25％的低密度冷轧钢板。
CN 106521318 公布了《一种Fe-Mn-Al-C系低密度铸钢及其制备方法》，通过添加较高含量的Si，有效降低了钢的密度并且增加了钢的硬度和强度，通过Si、Al、Mn轻量化元素的合理配合，大量加入Cr、Mo、Ni、V、Nb、Ti和Re强化元素，最终使其抗拉强度＞850MPa，密度＜7 .0g/cm3，但其合金加入种类多，合金加入操作控制难度大。所提供的制备方法为砂型铸造，冶炼采用中频炉冶炼，无精炼过程，冶炼过程成分控制难度大，特别是钢种夹杂物难以控制。
基于以上问题，有必要发明一种对C、Al、Mn、Si主要轻量化元素进行合理化设计，在保证工具钢低密度的同时又能保持高强度、高韧性，可以作为工具钢材料使用的高强度高韧性轻量化工具钢及其制备方法。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种高强度高韧性轻量化工具钢，第二目的在于提供一种高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法。
本发明的第一目的是这样实现的，所述工具钢具有下列质量比的化学成分：C1.80～2.00wt%，Si0.90～1.35wt%，Mn30.6～31.5wt%，Cr4.80～6.20wt%，Al 9.0～11.0wt%，B0.0020～0.0045wt%，S ≤0.008 wt%，P≤0.015 wt% ，O≤0.0008wt%；且C+Mn：Al=3.0～3.5；其余为Fe及不可避免的不纯物。
本发明的第二目的是这样实现的，所述制备方法包括电弧炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空精炼、钢水浇铸、电渣重熔、钢坯加热、钢坯轧制及轧后冷却步骤，具体为：
A、电弧炉冶炼：按900kg/t钢的废钢装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入优质废钢；之后按220kg/t钢的铁水装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入优质低硫铁水进行熔炼，下电极通电熔化废钢；废钢熔化后按12.0～15.0kg/t钢、8.0kg/t钢的加入量，加入石灰、轻烧白云石造渣；之后按310～325kg/t钢的量，加入电解锰；按13.0～19.5kg/t钢的量，加入硅铁；按85～105kg/t钢的量，加入高碳铬铁；按102～115kg/t钢的量，加入纯铝；下电极通电熔化电解锰、硅铁及纯铝；之后按14.0～15.5kg/t钢的量，加入增碳剂；下电极通电升温至1260～1280℃，将钢水倒入钢包；出钢完毕后，将钢水吊送至LF炉精炼工序；
B、LF炉精炼：将A步骤出钢完毕钢水吊至LF炉精炼工位接好氩气带，开启氩气采用20～25NL/min是小氩量吹氩2分钟，然后下电极采用档位6～7档化渣；通电3分钟后，抬电极观察炉内化渣情况，之后测温、取样；若渣况较稀，补加石灰3.0～4.0kg/t钢，控制渣碱度为5.5～6.5；之后适当加大氩气流量至30～40NL/min，按0.10～0.30kg/t钢的量，加入硼铁，软吹氩2分钟；之后将钢水温度加热至1310～1330℃后进行喂线处理，喂入硅钙线，喂线速度为2.7m/s，喂线量为200m；喂线结束采用流量为10～15NL/min的小氩气量对钢水进行软吹氩，软吹时间为3分钟，之后加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，然后将钢水吊至VD炉真空精炼工位；
C、VD炉真空精炼：将B步骤钢水吊至VD真空精炼炉后，接通吹氩管，开启氩气采用15～25NL/min的小氩量吹氩2分钟，之后对钢水定氧定氢，同时测温取样；取样完毕后，将真空罐盖车开至工作位，合上真空罐盖，进行抽真空，真空抽至75Pa时，开始进行保真空脱气处理，同时进行底吹氩处理，氩气流量控制为30～40NL/min，在真空度67Pa条件下钢水脱气处理时间≥20分钟；真空脱气处理完毕后关闭真空主阀，提升罐盖，对钢水取样和定氧定氢，控制钢水氧含量≤5×10-6wt%、氢含量≤1.5×10-6wt%；之后对钢水进行小氩气量软吹氩处理，氩气流量为20～30NL/min，软吹氩时间为2分钟；钢水软吹氩结束后，加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，将钢包钢水吊离VD真空精炼炉至模铸浇铸工位；
D、钢水浇铸：在中间包钢水温度为1245~1270℃，拉速为0.6~0.7m/min，结晶器冷却水流量为95~105m3/h，二冷比水量为0.7~0.8L/kg，结晶器电磁搅拌电流强度为300A、运行频率为4.0HZ的条件下，通过大型圆坯铸机将C步骤的钢水浇铸成Φ440mm×1820mm的钢坯；
E、电渣重熔：为防止D步骤钢坯冷重熔过程中出现崩裂，钢坯冷却至250-350℃范围内进行热重熔，使用20吨电渣炉，在Ar气保护状态下双联工艺冶炼，重熔电压35-50kV，重熔电流9000-11000A；自耗电极移动速度30～80mm/min，电渣熔铸温度1230～1255℃。结晶器为水冷铜结晶器，选用渣系为CaF258%，Al2O3 20%，CaO 22%；重熔过程中采用0.1MPa氩气气氛保护，自耗电极长度剩余量为400mm时降低电流，降低化料速度进行热封顶，自耗电极剩余120mm时结束冶炼，防止将假电极化掉污染钢液；将重熔钢水浇铸成规格165×165×10000mm电渣重熔钢坯；所得电渣重熔钢坯出炉后空冷24小时至280℃左右进入加热炉加热。
F、钢坯加热：将E步骤钢坯送入侧进侧出燃气蓄热式步进梁加热炉加热，加热炉气氛控制为微正压还原性气氛，要求炉膛压力5～10Pa，加热炉气体中CO≥95％，且CO2/CO比值≤0.04；加热采用分段加热，以≤80℃/h的加热速度将钢坯加热至520℃保温30min；再以≤100℃/h的加热速度将钢坯加热至860℃保温30min；最后以≤150℃/h的加热速度加热至1150～1200℃保温30～45min后出炉，出炉钢坯两端温差≤25℃；
G、钢坯轧制及轧后冷却：将F步骤加热后的钢坯送到轧制工位，轧制采用半连续式棒材轧机，连续式棒材轧机由1架Φ750/720mm二辊可逆式闭口牌坊轧机作为粗轧，高刚度短应力线轧机1架650轧机、4架450轧机，2架380轧机平立交替布置组成连轧机组；二辊可逆式轧机轧制3个道次，开轧温度控制为1100～1130℃，轧制速度为0.6～0.7m/s；连轧机组轧制5～7道次，轧制成Φ30～80mm圆钢棒材，终轧速度为0.8～5.2m/s，连轧入口温度大于1050℃，终轧温度为930～880℃；轧制的Φ30～80mm圆钢棒材在线剪切为8～12m长定尺棒，收集后吊入缓冷坑，进入缓冷坑温度720～650℃，在缓冷坑缓冷时间大于48小时，缓冷至温度小于200℃后吊出缓冷坑，经过精整成为高强度高韧性轻量化工具钢成品，交库；各道次轧制相对压下率不大于18%。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明采用高C、高Mn、高Cr含量控制，并加入较高的Al含量达到降低工具钢密度的目的，从而降低了材料重量，提高使用寿命、降低能源消耗。避免了Mo、Ni、V、Nb、Ti等贵重合金的加入，降低了成本。本发明提供制备所必须的冶炼、轧制、高温缓冷等系列关键技术，所制备有低密度、高强度、高塑性等特性，可以进一步加工成各种工具。
2、本发明制备的工具钢密度较常规高锰模具钢降低10%以上，具有较高的硬度、强度、和良好的韧性、耐磨性，可用做工具钢原料，经机械加工、热处理后制作成各种切削刀具，使用寿命提高1倍以上。
3、本发明的冶炼过程由电弧炉冶炼、LF、VD真空精炼、连铸、电渣重熔组成，从工艺技术上保证料钢中各元素成分稳定、均匀，钢中夹杂物、气体含量低，为所制备的低密度钢具有很高的强韧性；所得到的组织为奥氏体，所得热轧态轻量化工具钢棒材性能优异。
4、本发明完轧后采用高温缓冷，可以直接进行机械加工，可省去了成品加工前退火工艺，节约能源和成本，缩短生产周期，提高了生产效率。
5、本发明对C、Al、Mn、Si主要轻量化元素进行合理化设计，在保证工具钢低密度的同时又能保持高强度、高韧性，可以作为工具钢材料使用。
6、本发明C元素含量控制为1.80～2.00%，使工具钢具有较好的淬透性和耐磨性。C是奥氏体稳定化元素，可促进奥氏体形成，起到固溶强化作用。奥氏体中含碳量升高，奥氏体稳定性升高，Ms点下降，当进行快速冷却时碳可使奥氏体保持在室温呈单相的奥氏体组织。在锰含量较高的Fe-Mn合金系中，奥氏体相区的成分范围变化很大，在此区域希望碳含量尽可能高以提高力学性能。此外，C元素具有显著的轻量化作用，研究表明，钢中每添加1％的C，钢的密度下降0.41g/cm3，可减重约5.2％。
7、本发明Mn元素含量控制为29.6～31.2%，锰是奥氏体稳定化元素，Mn能显著提高强度、硬度，提高钢的耐氧化性及耐磨性。Mn元素在Fe-Mn-Al系钢主要起到以下作用：一是扩大奥氏体相区，它的加入使Ms点降低，从而降低钢淬火时的临界冷却速度，提高钢的淬透性。当钢中碳含量一定时，随着锰含量的增加，其组织逐渐由珠光体型转变为马氏体型，并进一步转变为奥氏体型，促使合金钢形成单一的奥氏体组织。二是提高合金钢的层错能。层错能较高的合金倾向于以形变孪晶的形成来取代马氏体相变。随锰含量增加，层错能提高，抑制马氏体相变，呈现出孪生诱发塑性效应(TWIP)。第三、Mn进入渗碳体中取代一部分铁原子，起固溶强化，强化基体的作用。但由于锰原子半径与铁原子半径差别不大，因此强化作用较小。
8、本发明Al元素含量控制为9.0～11.0%，Al元素可显著降低钢的密度，每添加1％的Al，钢的密度下降0.101g/cm3，可减重约1.3％，并增加耐腐蚀性能。Al元素为缩小奥氏体相区元素，它能使钢的A3温度升高。Al对奥氏体的稳定性影响具有二元性，Al增加层错能，强烈抑制奥氏体向马氏体转变，有利于形变孪晶的形成，从而提高其强度和塑性。高Mn含量和一定的铝含量可显著提高钢的热变形抗力，延迟动态再结晶，使奥氏体晶粒在动态再结晶后得到细化。但是，铝含量高对浇铸不利。本发明Al元素含量控制为10.0～11.0%。
9、本发明元素Cr提高钢的抗氧化能力，铬与铁形成连续固溶体，缩小奥氏体相区城。铬与碳能形成多种碳化物，减少奥氏体中碳的溶解度，从而减缓奥氏体的分解速度，显著提高钢的淬透性，但亦会增大钢的回火脆性倾向。铬的碳化物对钢的基体有强化作用，特别在回火的过程中析出的Cr7C3和Cr23C6碳化物弥散相，不但能够提高钢的抗回火性能，而且能够使得钢产生一定的红硬性，提高钢的热强性。
10、本发明元素Si可固溶于奥氏体中，起到固溶强化作用，有利于降低层错能，具有强化固溶体、提高屈服强度的作用。硅在高碳钢中具有封闭相区，促进石墨化倾向，当其含量大于0.6％时，一方面会导致高锰钢产生粗晶，另一方面也会使碳在奥氏体中溶解度降低，进而促使碳化物在晶界的析出，不但降低了钢的耐磨性及韧性，也增加了钢的热裂倾向。因此，本发明要求Si≤0.45。
11、本发明元素B钢中微量硼在的作用主要是提高钢的淬透性，其次可提高耐热钢的高温强度，蠕变强度，改善高速钢的红硬性和刀具的切削能力。
12、本发明元素S是非金属夹杂物形成元素，为改善消除S与Fe等其它元素形成低熔点非金属夹杂的危害，控制适量Mn与S形成MnS，但MnS在压延方向延伸分布，使压延方向的韧性降低，希望S含量越低越好；工艺上主要通过控制原料P含量及通过电弧炉冶炼，LF、VD精炼、电渣重熔工艺达到要求，本发明要求S≤0.008%。
13、本发明元素P是晶界偏聚元素，对钢的冲击韧性影响很大，P含量越低，对钢的韧性越有利，特别是0.015%以下钢的冲击值纵横异性显著减小，高合金钢冶炼时对去除很难，主要通过控制原料P含量及通过LF、VD精炼、电渣重熔工艺达到要求，结合经济性成本考虑，本发明控制P≤0.015%。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。
本发明所述的高强度高韧性轻量化工具钢，具有下列质量比的化学成分：C1.80～2.00wt%，Si0.90～1.35wt%，Mn30.6～31.5wt%，Cr4.80～6.20wt%，Al 9.0～11.0wt%，B0.0020～0.0045wt%，S ≤0.008 wt%，P≤0.015 wt% ，O≤0.0008wt%；且C+Mn：Al=3.0～3.5；其余为Fe及不可避免的不纯物。
本发明所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，所述制备方法包括电弧炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空精炼、钢水浇铸、电渣重熔、钢坯加热、钢坯轧制及轧后冷却步骤，具体为：
A、电弧炉冶炼：按900kg/t钢的废钢装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入优质废钢；之后按220kg/t钢的铁水装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入优质低硫铁水进行熔炼，下电极通电熔化废钢；废钢熔化后按12.0～15.0kg/t钢、8.0kg/t钢的加入量，加入石灰、轻烧白云石造渣；之后按310～325kg/t钢的量，加入电解锰；按13.0～19.5kg/t钢的量，加入硅铁；按85～105kg/t钢的量，加入高碳铬铁；按102～115kg/t钢的量，加入纯铝；下电极通电熔化电解锰、硅铁及纯铝；之后按14.0～15.5kg/t钢的量，加入增碳剂；下电极通电升温至1260～1280℃，将钢水倒入钢包；出钢完毕后，将钢水吊送至LF炉精炼工序；
B、LF炉精炼：将A步骤出钢完毕钢水吊至LF炉精炼工位接好氩气带，开启氩气采用20～25NL/min是小氩量吹氩2分钟，然后下电极采用档位6～7档化渣；通电3分钟后，抬电极观察炉内化渣情况，之后测温、取样；若渣况较稀，补加石灰3.0～4.0kg/t钢，控制渣碱度为5.5～6.5；之后适当加大氩气流量至30～40NL/min，按0.10～0.30kg/t钢的量，加入硼铁，软吹氩2分钟；之后将钢水温度加热至1310～1330℃后进行喂线处理，喂入硅钙线，喂线速度为2.7m/s，喂线量为200m；喂线结束采用流量为10～15NL/min的小氩气量对钢水进行软吹氩，软吹时间为3分钟，之后加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，然后将钢水吊至VD炉真空精炼工位；
C、VD炉真空精炼：将B步骤钢水吊至VD真空精炼炉后，接通吹氩管，开启氩气采用15～25NL/min的小氩量吹氩2分钟，之后对钢水定氧定氢，同时测温取样；取样完毕后，将真空罐盖车开至工作位，合上真空罐盖，进行抽真空，真空抽至75Pa时，开始进行保真空脱气处理，同时进行底吹氩处理，氩气流量控制为30～40NL/min，在真空度67Pa条件下钢水脱气处理时间≥20分钟；真空脱气处理完毕后关闭真空主阀，提升罐盖，对钢水取样和定氧定氢，控制钢水氧含量≤5×10-6wt%、氢含量≤1.5×10-6wt%；之后对钢水进行小氩气量软吹氩处理，氩气流量为20～30NL/min，软吹氩时间为2分钟；钢水软吹氩结束后，加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，将钢包钢水吊离VD真空精炼炉至模铸浇铸工位；
D、钢水浇铸：在中间包钢水温度为1245~1270℃，拉速为0.6~0.7m/min，结晶器冷却水流量为95~105m3/h，二冷比水量为0.7~0.8L/kg，结晶器电磁搅拌电流强度为300A、运行频率为4.0HZ的条件下，通过大型圆坯铸机将C步骤的钢水浇铸成Φ440mm×1820mm的钢坯；
E、电渣重熔：为防止D步骤钢坯冷重熔过程中出现崩裂，钢坯冷却至250-350℃范围内进行热重熔，使用20吨电渣炉，在Ar气保护状态下双联工艺冶炼，重熔电压35-50kV，重熔电流9000-11000A；自耗电极移动速度30～80mm/min，电渣熔铸温度1230～1255℃。结晶器为水冷铜结晶器，选用渣系为CaF258%，Al2O3 20%，CaO 22%；重熔过程中采用0.1MPa氩气气氛保护，自耗电极长度剩余量为400mm时降低电流，降低化料速度进行热封顶，自耗电极剩余120mm时结束冶炼，防止将假电极化掉污染钢液；将重熔钢水浇铸成规格165×165×10000mm电渣重熔钢坯；所得电渣重熔钢坯出炉后空冷24小时至280℃左右进入加热炉加热。
F、钢坯加热：将E步骤钢坯送入侧进侧出燃气蓄热式步进梁加热炉加热，加热炉气氛控制为微正压还原性气氛，要求炉膛压力5～10Pa，加热炉气体中CO≥95％，且CO2/CO比值≤0.04；加热采用分段加热，以≤80℃/h的加热速度将钢坯加热至520℃保温30min；再以≤100℃/h的加热速度将钢坯加热至860℃保温30min；最后以≤150℃/h的加热速度加热至1150～1200℃保温30～45min后出炉，出炉钢坯两端温差≤25℃；
G、钢坯轧制及轧后冷却：将F步骤加热后的钢坯送到轧制工位，轧制采用半连续式棒材轧机，连续式棒材轧机由1架Φ750/720mm二辊可逆式闭口牌坊轧机作为粗轧，高刚度短应力线轧机1架650轧机、4架450轧机，2架380轧机平立交替布置组成连轧机组；二辊可逆式轧机轧制3个道次，开轧温度控制为1100～1130℃，轧制速度为0.6～0.7m/s；连轧机组轧制5～7道次，轧制成Φ30～80mm圆钢棒材，终轧速度为0.8～5.2m/s，连轧入口温度大于1050℃，终轧温度为930～880℃；轧制的Φ30～80mm圆钢棒材在线剪切为8～12m长定尺棒，收集后吊入缓冷坑，进入缓冷坑温度720～650℃，在缓冷坑缓冷时间大于48小时，缓冷至温度小于200℃后吊出缓冷坑，经过精整成为高强度高韧性轻量化工具钢成品，交库；各道次轧制相对压下率不大于18%。
进一步的，步骤A中所述的优质废钢具有下列质量比的化学成分：C 0.08-0.12wt%、Si 0.08-0.15 wt%、Mn 0.30-0.40wt% 、P 0.012-0.020wt%、S 0.008-0.015wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
进一步的，步骤A中所述的优质低硫铁水具有下列质量比的化学成分：C 4.0-4.2wt%、Si 0.20-0.35wt%、Mn 0.40-0.50wt% 、P 0.060-0.075wt%、S≤0.010wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
进一步的，步骤A中所述的电解锰具有下列质量比的化学成分：Mn 99.8wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；所述的硅铁具有下列质量比的化学成分：Si 73.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；所述的高碳铬铁具有下列质量比的化学成分：Cr 57.5 wt%，C 7.6wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；所述的纯铝具有下列质量比的化学成分：Al 99.3wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
进一步的，步骤A中所述的增碳剂具有下列质量比的化学成分：C92.15wt%，S0.085wt%，灰份4.15wt%，挥发份 1.64wt%，水份 0.75wt%，其余为不可避免的不纯物。
进一步的，步骤B中所述的硼铁具有下列质量比的化学成分：B 21.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
进一步的，步骤B中所述的硅钙线具有下列质量比的化学成分：Si 56.5wt%、Ca29.5 wt%、其余为Fe及不可避免的不纯物。
进一步的，步骤E中所述的电渣重熔钢坯的S含量为8ppm以下，O含量为6ppm以下。
进一步的，步骤E中所述的高强度高韧性轻量化工具钢成品的组织为奥氏体，所述的高强度高韧性轻量化工具钢成品具有如下性能：
实施例1
1、一种轻量化工具钢棒材，由以下组分制得：C1.80wt%，Si0.90wt%， Mn30.6wt%，Cr4.80wt%，Al 9.0wt%，B0.0020wt%，S 0.004wt%，P 0.010 wt%，O0.0005wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
2、一种用于权利要求1所述高强韧性轻量化工具钢棒材的制备方法包含以下步骤：电弧炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空精炼、连铸、电渣重熔、加热轧制和轧后冷却组成，具体工艺流程为：
电弧炉→LF炉精炼→VD炉真空精炼→连铸→钢锭电渣重熔→钢坯加热→轧制成材→精整→轧后冷却→得到Φ30mm规格工具钢棒材。
A、电弧炉冶炼
按900kg/t钢的废钢装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入下列质量比优质废钢(化学成分C 0.08wt%、Si 0.08wt%、Mn 0.30wt% 、P 0.012wt%、S 0.008wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物)；之后按220kg/t钢的铁水装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入下列质量比优质低硫铁水(化学成分C 4.0wt%、Si 0.20wt%、Mn 0.40wt% 、P 0.060wt%、S0.006wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物)进行熔炼，下电极通电熔化废钢；废钢熔化后按12.0kg/t钢、8.0kg/t钢的加入量，加入石灰、轻烧白云石造渣；之后按310kg/t钢的量，加入下列质量比的电解锰：Mn 99.8wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按13.0kg/t钢的量，加入下列质量比的硅铁：Si73.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按85kg/t钢的量，加入下列质量比的高碳铬铁：Cr57.5 wt%，C 7.6 wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按102kg/t钢的量，加入下列质量比的纯铝：Al 99.3wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；下电极通电熔化电解锰、硅铁及纯铝；之后按14.0kg/t钢的量，加入下列质量比的增碳剂：C92.15wt%，S 0.085wt%，灰份4.15wt%，挥发份 1.64wt%，水份 0.75wt%，其余为不可避免的不纯物；下电极通电升温至1280℃，将钢水倒入钢包。出钢完毕后，将钢水吊送至LF炉精炼工序。
B、LF炉精炼
将A步骤出钢完毕钢水吊至LF炉精炼工位接好氩气带，开启氩气采用小氩量(20NL/min)吹氩2分钟，然后下电极采用档位6～7档化渣；通电3分钟后，抬电极观察炉内化渣情况，之后测温、取样；若渣况较稀，补加石灰3.0kg/t钢，控制渣碱度为5.5；之后适当加大氩气流量(30NL/min)，按0.10kg/t钢的量，加入下列质量比的硼铁：B 21.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物，软吹氩2分钟；之后将钢水温度加热至1330℃后进行喂线处理，喂入具有下列质量比的硅钙线：Si 56.5wt%、Ca 29.5 wt%、其余为Fe及不可避免的不纯物，喂线速度为2.7m/s，喂线量为200m；喂线结束采用流量为10NL/min的小氩气量对钢水进行软吹氩，软吹时间为3分钟，之后加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，然后将钢水吊至VD炉真空精炼工位；
C、VD炉真空精炼
将B步骤钢水吊至VD真空精炼炉后，接通吹氩管，开启氩气采用小氩量(15NL/min)吹氩2分钟，之后对钢水定氧定氢，同时测温取样；取样完毕后，将真空罐盖车开至工作位，合上真空罐盖，进行抽真空，真空抽至75Pa时，开始进行保真空脱气处理，同时进行底吹氩处理，氩气流量控制为30NL/min，在真空度67Pa条件下钢水脱气处理时间28分钟；真空脱气处理完毕后关闭真空主阀，提升罐盖，对钢水取样和定氧定氢，控制钢水氧含量2×10-6wt%、氢含量0.5×10-6wt%；之后对钢水进行小氩气量软吹氩处理，氩气流量为20NL/min，软吹氩时间为2分钟；钢水软吹氩结束后，加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，将钢包钢水吊离VD真空精炼炉至模铸浇铸工位。
D、钢水浇铸
在中间包钢水温度为1269℃，拉速为0.7m/min，结晶器冷却水流量为105m3/h，二冷比水量为0.8L/kg，结晶器电磁搅拌电流强度为300A、运行频率为4.0HZ的条件下，通过大型圆坯铸机将C步骤的钢水浇铸成Φ440mm×1820mm的钢坯。
E、电渣重熔
浇铸电极棒冷却至250℃范围内进行热重熔，使用20吨电渣炉，在Ar气保护状态下双联工艺冶炼，重熔电压35-50kV，重熔电流9200A；自耗电极移动速度35mm/min，电渣熔铸温度1254℃。选用渣系为CaF2 58%，Al2O3 20%，CaO 22%。重熔过程中采用0.1MPa氩气气氛保护，自耗电极长度剩余量为400mm时降低电流，降低化料速度进行热封顶，自耗电极剩余120mm时结束冶炼，防止将假电极化掉污染钢液。将重熔钢水经水冷铜结晶器，浇铸成规格165×165×10000mm电渣重熔钢坯，其S含量8ppm以下、O含量6ppm以下。
电渣锭出炉后空冷24小时至280℃左右后进入加热炉加热。
F、钢坯加热
将钢坯送入侧进侧出燃气蓄热式步进梁加热炉加热，加热炉气氛控制为微正压还原性气氛，要求炉膛压力5～10Pa，加热炉气体中CO≥95％，且CO2/CO比值≤0.04。加热采用分段加热，以≤80℃/h的加热速度将钢坯加热至520℃保温30min；再以≤100℃/h的加热速度将钢坯加热至860℃保温30min；最后以≤150℃/h的加热速度加热至1200℃保温30min后出炉，出炉钢坯两端温差≤25℃。
G、钢坯轧制及轧后冷却
将2.3步骤加热后钢坯送到轧制工位，轧制采用半连续式棒材轧机，半连续式棒材轧机由1架Φ750/720 mm二辊可逆式闭口牌坊轧机作为粗轧，高刚度短应力线轧机1架580轧机、4架450轧机，2架380轧机平立交替布置组成连轧机组。
二辊可逆式轧机轧制3个道次，开轧温度控制为1128℃，轧制速度为0.6m/s粗轧总变形率不小于35%；粗轧出口坯料尺寸为95×95mm。粗轧坯料送入连轧机组经1架580轧机、4架450轧机，2架380轧机进行7道次连轧，轧制成为Φ30.12mm圆钢，连轧开轧温度大于1080℃，终轧温度为882℃，终轧速度为7.6m/s。所轧制的圆钢棒材，在线剪切为8～12m长定尺棒，收集后吊入缓冷坑，进入缓冷坑温度720～620℃，在缓冷坑缓冷时间48小时，缓冷至160℃后吊出缓冷坑,经过精整成为Φ30mm轻量化工具钢棒材成品交库。
钢坯轧制各道次相对压下率不得大于18%。
3.所得到的组织为奥氏体，所得热轧态轻量化工具钢棒材具有如下性能
实施例2
1、本发明提供的一种轻量化工具钢棒材，具有下列质量比的化学成分C:1.90wt%；Si:1.10wt%；Mn:31.1wt%；Cr:5.3wt%；Al: 10.0wt%；B：0.0020wt%；S: 0.006 wt%；P: 0.012wt%; O:0.0006wt%；其余为Fe及不可避免的不纯物。
2、一种用于权利要求1所述高强韧性轻量化工具钢棒材的制备方法包含以下步骤：电弧炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空精炼、连铸、电渣重熔、加热轧制和轧后冷却组成，具体工艺流程为：
电弧炉冶炼→LF炉精炼→VD炉真空精炼→连铸→钢锭电渣重熔→钢坯加热→轧制成材→精整→轧后冷却→得到Φ60mm规格工具钢棒材。
A、电弧炉冶炼
按900kg/t钢的废钢装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入下列质量比优质废钢(化学成分C 0.10wt%、Si 0.12 wt%、Mn 0.35wt% 、P 0.016wt%、S 0.012wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物)；之后按220kg/t钢的铁水装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入下列质量比优质低硫铁水(化学成分C 4.1wt%、Si 0.28wt%、Mn0.45wt% 、P 0.068wt%、S0.008wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物)进行熔炼，下电极通电熔化废钢；废钢熔化后按13.5kg/t钢、8.0kg/t钢的加入量，加入石灰、轻烧白云石造渣；之后按318kg/t钢的量，加入下列质量比的电解锰：Mn 99.8wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按16.2kg/t钢的量，加入下列质量比的硅铁：Si73.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按95kg/t钢的量，加入下列质量比的高碳铬铁：Cr57.5 wt%，C 7.6 wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按108kg/t钢的量，加入下列质量比的纯铝：Al 99.3wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；下电极通电熔化电解锰、硅铁及纯铝；之后按14.8kg/t钢的量，加入下列质量比的增碳剂：C92.15wt%，S 0.085wt%，灰份4.15wt%，挥发份 1.64wt%，水份 0.75wt%，其余为不可避免的不纯物；下电极通电升温至1270℃，将钢水倒入钢包。出钢完毕后，将钢水吊送至LF炉精炼工序。
B、LF炉精炼
将A步骤出钢完毕钢水吊至LF炉精炼工位接好氩气带，开启氩气采用小氩量(22NL/min)吹氩2分钟，然后下电极采用档位6～7档化渣；通电3分钟后，抬电极观察炉内化渣情况，之后测温、取样；若渣况较稀，补加石灰3.5kg/t钢，控制渣碱度为6.0；之后适当加大氩气流量(35NL/min)，按0.20kg/t钢的量，加入下列质量比的硼铁：B 21.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物，软吹氩2分钟；之后将钢水温度加热至1320℃后进行喂线处理，喂入具有下列质量比的硅钙线：Si 56.5wt%、Ca 29.5 wt%、其余为Fe及不可避免的不纯物，喂线速度为2.7m/s，喂线量为200m；喂线结束采用流量为13NL/min的小氩气量对钢水进行软吹氩，软吹时间为3分钟，之后加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，然后将钢水吊至VD炉真空精炼工位；
C、VD炉真空精炼
将B步骤钢水吊至VD真空精炼炉后，接通吹氩管，开启氩气采用小氩量(20NL/min)吹氩2分钟，之后对钢水定氧定氢，同时测温取样；取样完毕后，将真空罐盖车开至工作位，合上真空罐盖，进行抽真空，真空抽至75Pa时，开始进行保真空脱气处理，同时进行底吹氩处理，氩气流量控制为35NL/min，在真空度67Pa条件下钢水脱气处理时间24分钟；真空脱气处理完毕后关闭真空主阀，提升罐盖，对钢水取样和定氧定氢，控制钢水氧含量3×10-6wt%、氢含量1.0×10-6wt%；之后对钢水进行小氩气量软吹氩处理，氩气流量为25NL/min，软吹氩时间为2分钟；钢水软吹氩结束后，加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，将钢包钢水吊离VD真空精炼炉至模铸浇铸工位。
D、钢水浇铸
在中间包钢水温度为1256℃，拉速为0.7m/min，结晶器冷却水流量为100m3/h，二冷比水量为0.8L/kg，结晶器电磁搅拌电流强度为300A、运行频率为4.0HZ的条件下，通过大型圆坯铸机将C步骤的钢水浇铸成Φ440mm×1820mm的钢坯。
E、电渣重熔
浇铸电极棒冷却至300℃时进行热重熔，使用20吨电渣炉，在Ar气保护状态下双联工艺冶炼，重熔电压42kV，重熔电流10200A；自耗电极移动速度55mm/min，电渣熔铸温度1241℃。选用渣系为CaF2 58%，Al2O3 20%，CaO 22%。重熔过程中采用0.1MPa氩气气氛保护，自耗电极长度剩余量为400mm时降低电流，降低化料速度进行热封顶，自耗电极剩余120mm时结束冶炼，防止将假电极化掉污染钢液。将重熔钢水经水冷铜结晶器浇铸成规格165×165×10000mm电渣重熔钢坯，其S含量8ppm以下、O含量6ppm以下。
电渣锭出炉后空冷24小时至280℃左右后进入加热炉加热。
F、钢坯加热
将钢坯送入侧进侧出燃气蓄热式步进梁加热炉加热，加热炉气氛控制为微正压还原性气氛，要求炉膛压力5～10Pa，加热炉气体中CO≥95％，且CO2/CO比值≤0.04。加热采用分段加热，以≤80℃/h的加热速度将钢坯加热至520℃保温30min；再以≤100℃/h的加热速度将钢坯加热至860℃保温30min；最后以≤150℃/h的加热速度加热至1170℃保温40min后出炉，出炉钢坯两端温差≤25℃。
G、钢坯轧制及轧后冷却
将2.3步骤加热后钢坯送到轧制工位，轧制采用半连续式棒材轧机，半连续式棒材轧机由1架Φ750/720 mm二辊可逆式闭口牌坊轧机作为粗轧，高刚度短应力线轧机1架580轧机、4架450轧机，2架380轧机平立交替布置组成连轧机组。
二辊可逆式轧机轧制3个道次，开轧温度控制为1115℃，轧制速度为0.4～0.6m/s粗轧总变形率不小于35%；粗轧出口坯料尺寸为99×99mm。粗轧坯料经连轧机组（1架580轧机、4架450轧机，1架380轧机）轧制6道次，轧制Φ60.2mm圆钢，终轧速度为1.86m/s，终轧温度为900℃。完轧Φ60mm圆钢棒材成品精整、收集后吊入缓冷坑，进入缓冷坑温度690℃，在缓冷坑缓冷时间50小时，缓冷至180℃后吊出缓冷坑,经过精整成为Φ60mm轻量化工具钢棒材成品交库。
钢坯轧制各道次压下率不得大于18%。
3.所得到的组织为奥氏体，所得热轧态轻量化工具钢棒材具有如下性能
实施例3
1、本发明提供的一种轻量化工具钢棒材，具有下列质量比的化学成分C:2.00wt%；Si:1.35wt%；Mn:31.5wt%；Cr:6.2wt%；Al:11.0wt%；B：0.0045wt%；S: 0.008 wt%；P: 0.015 wt%O:0.0006wt%；其余为Fe及不可避免的不纯物。
2、一种用于权利要求1所述高强韧性轻量化工具钢棒材的制备方法包含以下步骤：电弧炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空精炼、连铸、电渣重熔、加热轧制和轧后冷却组成，具体工艺流程为：
电弧炉冶炼→LF炉精炼→VD炉真空精炼→连铸→钢锭电渣重熔→钢坯加热→轧制成材→精整→轧后冷却→得到Φ80mm规格工具钢棒材。
A、电弧炉冶炼
按900kg/t钢的废钢装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入下列质量比优质废钢(化学成分C 0.12wt%、Si 0.15 wt%、Mn 0.40wt% 、P 0.020wt%、S 0.015wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物)；之后按220kg/t钢的铁水装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入下列质量比优质低硫铁水(化学成分C 4.2wt%、Si 0.35wt%、Mn 0.50wt% 、P 0.075wt%、S0.010wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物)进行熔炼，下电极通电熔化废钢；废钢熔化后按15.0kg/t钢、8.0kg/t钢的加入量，加入石灰、轻烧白云石造渣；之后按325kg/t钢的量，加入下列质量比的电解锰：Mn 99.8wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按19.5kg/t钢的量，加入下列质量比的硅铁：Si 73.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按105kg/t钢的量，加入下列质量比的高碳铬铁：Cr 57.5 wt%，C 7.6 wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；按115kg/t钢的量，加入下列质量比的纯铝：Al 99.3wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；下电极通电熔化电解锰、硅铁及纯铝；之后按15.5kg/t钢的量，加入下列质量比的增碳剂：C92.15wt%，S 0.085wt%，灰份4.15wt%，挥发份 1.64wt%，水份 0.75wt%，其余为不可避免的不纯物；下电极通电升温至1260℃，将钢水倒入钢包。出钢完毕后，将钢水吊送至LF炉精炼工序。
B、LF炉精炼
将A步骤出钢完毕钢水吊至LF炉精炼工位接好氩气带，开启氩气采用小氩量(25NL/min)吹氩2分钟，然后下电极采用档位6～7档化渣；通电3分钟后，抬电极观察炉内化渣情况，之后测温、取样；若渣况较稀，补加石灰4.0kg/t钢，控制渣碱度为6.5；之后适当加大氩气流量(40NL/min)，按0.30kg/t钢的量，加入下列质量比的硼铁：B 21.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物，软吹氩2分钟；之后将钢水温度加热至1310℃后进行喂线处理，喂入具有下列质量比的硅钙线：Si 56.5wt%、Ca 29.5 wt%、其余为Fe及不可避免的不纯物，喂线速度为2.7m/s，喂线量为200m；喂线结束采用流量为15NL/min的小氩气量对钢水进行软吹氩，软吹时间为3分钟，之后加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，然后将钢水吊至VD炉真空精炼工位；
C、VD炉真空精炼
将B步骤钢水吊至VD真空精炼炉后，接通吹氩管，开启氩气采用小氩量(25NL/min)吹氩2分钟，之后对钢水定氧定氢，同时测温取样；取样完毕后，将真空罐盖车开至工作位，合上真空罐盖，进行抽真空，真空抽至75Pa时，开始进行保真空脱气处理，同时进行底吹氩处理，氩气流量控制为40NL/min，在真空度67Pa条件下钢水脱气处理时间20分钟；真空脱气处理完毕后关闭真空主阀，提升罐盖，对钢水取样和定氧定氢，控制钢水氧含量5×10-6wt%、氢含量1.5×10-6wt%；之后对钢水进行小氩气量软吹氩处理，氩气流量为20～30NL/min，软吹氩时间为2分钟；钢水软吹氩结束后，加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，将钢包钢水吊离VD真空精炼炉至模铸浇铸工位。
D、钢水浇铸
在中间包钢水温度为1245℃，拉速为0.6m/min，结晶器冷却水流量为95m3/h，二冷比水量为0.7L/kg，结晶器电磁搅拌电流强度为300A、运行频率为4.0HZ的条件下，通过大型圆坯铸机将C步骤的钢水浇铸成Φ440mm×1820mm的钢坯。
E、电渣重熔
浇铸电极棒冷却至345℃时进行热重熔，使用20吨电渣炉，在Ar气保护状态下双联工艺冶炼，重熔电压50kV，重熔电流11000A；自耗电极移动速度75mm/min，电渣熔铸温度1230℃。选用渣系为CaF2 58%，Al2O3 20%，CaO 22%。重熔过程中采用0.1MPa氩气气氛保护，自耗电极长度剩余量为400mm时降低电流，降低化料速度进行热封顶，自耗电极剩余120mm时结束冶炼，防止将假电极化掉污染钢液。将重熔钢水经水冷铜结晶器浇铸成规格165×165×10000mm电渣重熔钢坯，其S含量8ppm以下、O含量6ppm以下。
电渣锭出炉后空冷24小时至280℃左右后进入加热炉加热。
F、钢坯加热
将钢坯送入侧进侧出燃气蓄热式步进梁加热炉加热，加热炉气氛控制为微正压还原性气氛，要求炉膛压力5～10Pa，加热炉气体中CO≥95％，且CO2/CO比值≤0.04。加热采用分段加热，以≤80℃/h的加热速度将钢坯加热至520℃保温30min；再以≤100℃/h的加热速度将钢坯加热至860℃保温30min；最后以≤150℃/h的加热速度加热至1150℃，保温32min后出炉，出炉钢坯两端温差≤25℃。
G、钢坯轧制及轧后冷却
将2.3步骤加热后钢坯送到轧制工位，轧制采用半连续式棒材轧机，半连续式棒材轧机由1架Φ750/720mm二辊可逆式闭口牌坊轧机作为粗轧，高刚度短应力线轧机1架580轧机、4架450轧机，2架380轧机平立交替布置组成连轧机组。
二辊可逆式轧机轧制3个道次，开轧温度控制为1103℃，轧制速度为0.4m/s粗轧总变形率不小于35%；粗轧出口坯料尺寸为106×106mm。粗轧坯料经连轧机组机（1架580轧机、3架450轧机、1架380轧机）轧制5道次，轧制成Φ80.2mm圆钢棒材，终轧速度为1.34m/s，终轧温度为925℃。完轧Φ80mm圆钢棒材成品精整、收集后吊入缓冷坑，进入缓冷坑温度720℃，在缓冷坑缓冷时间58小时，缓冷至温度200℃后吊出缓冷坑,经过精整成为Φ80mm轻量化工具钢棒材成品交库。
钢坯轧制各道次压下率不得大于18%。
3.所得到的组织为奥氏体，所得热轧态轻量化工具钢棒材具有如下性能

Claims (10)

1.一种高强度高韧性轻量化工具钢，其特征在于所述工具钢具有下列质量比的化学成分：C1.80～2.00wt%，Si0.90～1.35wt%，Mn30.6～31.5wt%，Cr4.80～6.20wt%，Al 9.0～11.0wt%，B0.0020～0.0045wt%，S ≤0.008 wt%，P≤0.015 wt% ，O≤0.0008wt%；且C+Mn：Al=3.0～3.5；其余为Fe及不可避免的不纯物。
2.一种根据权利要求1所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于所述制备方法包括电弧炉冶炼、LF炉精炼、VD炉真空精炼、钢水浇铸、电渣重熔、钢坯加热、钢坯轧制及轧后冷却步骤，具体为：
A、电弧炉冶炼：按900kg/t钢的废钢装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入优质废钢；之后按220kg/t钢的铁水装入配比，在50吨超高功率电弧炉加入优质低硫铁水进行熔炼，下电极通电熔化废钢；废钢熔化后按12.0～15.0kg/t钢、8.0kg/t钢的加入量，加入石灰、轻烧白云石造渣；之后按310～325kg/t钢的量，加入电解锰；按13.0～19.5kg/t钢的量，加入硅铁；按85～105kg/t钢的量，加入高碳铬铁；按102～115kg/t钢的量，加入纯铝；下电极通电熔化电解锰、硅铁及纯铝；之后按14.0～15.5kg/t钢的量，加入增碳剂；下电极通电升温至1260～1280℃，将钢水倒入钢包；出钢完毕后，将钢水吊送至LF炉精炼工序；
B、LF炉精炼：将A步骤出钢完毕钢水吊至LF炉精炼工位接好氩气带，开启氩气采用20～25NL/min是小氩量吹氩2分钟，然后下电极采用档位6～7档化渣；通电3分钟后，抬电极观察炉内化渣情况，之后测温、取样；若渣况较稀，补加石灰3.0～4.0kg/t钢，控制渣碱度为5.5～6.5；之后适当加大氩气流量至30～40NL/min，按0.10～0.30kg/t钢的量，加入硼铁，软吹氩2分钟；之后将钢水温度加热至1310～1330℃后进行喂线处理，喂入硅钙线，喂线速度为2.7m/s，喂线量为200m；喂线结束采用流量为10～15NL/min的小氩气量对钢水进行软吹氩，软吹时间为3分钟，之后加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，然后将钢水吊至VD炉真空精炼工位；
C、VD炉真空精炼：将B步骤钢水吊至VD真空精炼炉后，接通吹氩管，开启氩气采用15～25NL/min的小氩量吹氩2分钟，之后对钢水定氧定氢，同时测温取样；取样完毕后，将真空罐盖车开至工作位，合上真空罐盖，进行抽真空，真空抽至75Pa时，开始进行保真空脱气处理，同时进行底吹氩处理，氩气流量控制为30～40NL/min，在真空度67Pa条件下钢水脱气处理时间≥20分钟；真空脱气处理完毕后关闭真空主阀，提升罐盖，对钢水取样和定氧定氢，控制钢水氧含量≤5×10-6wt%、氢含量≤1.5×10-6wt%；之后对钢水进行小氩气量软吹氩处理，氩气流量为20～30NL/min，软吹氩时间为2分钟；钢水软吹氩结束后，加入钢水覆盖剂，加入量控制为1.0 kg/t钢，将钢包钢水吊离VD真空精炼炉至模铸浇铸工位；
D、钢水浇铸：在中间包钢水温度为1245~1270℃，拉速为0.6~0.7m/min，结晶器冷却水流量为95~105m3/h，二冷比水量为0.7~0.8L/kg，结晶器电磁搅拌电流强度为300A、运行频率为4.0HZ的条件下，通过大型圆坯铸机将C步骤的钢水浇铸成Φ440mm×1820mm的钢坯；
E、电渣重熔：为防止D步骤钢坯冷重熔过程中出现崩裂，钢坯冷却至250-350℃范围内进行热重熔，使用20吨电渣炉，在Ar气保护状态下双联工艺冶炼，重熔电压35-50kV，重熔电流9000-11000A；自耗电极移动速度30～80mm/min，电渣熔铸温度1230～1255℃；结晶器为水冷铜结晶器，选用渣系为CaF258%，Al2O3 20%，CaO 22%；重熔过程中采用0.1MPa氩气气氛保护，自耗电极长度剩余量为400mm时降低电流，降低化料速度进行热封顶，自耗电极剩余120mm时结束冶炼，防止将假电极化掉污染钢液；将重熔钢水浇铸成规格165×165×10000mm电渣重熔钢坯；所得电渣重熔钢坯出炉后空冷24小时至280℃左右进入加热炉加热；
F、钢坯加热：将E步骤钢坯送入侧进侧出燃气蓄热式步进梁加热炉加热，加热炉气氛控制为微正压还原性气氛，要求炉膛压力5～10Pa，加热炉气体中CO≥95％，且CO2/CO比值≤0.04；加热采用分段加热，以≤80℃/h的加热速度将钢坯加热至520℃保温30min；再以≤100℃/h的加热速度将钢坯加热至860℃保温30min；最后以≤150℃/h的加热速度加热至1150～1200℃保温30～45min后出炉，出炉钢坯两端温差≤25℃；
G、钢坯轧制及轧后冷却：将F步骤加热后的钢坯送到轧制工位，轧制采用半连续式棒材轧机，连续式棒材轧机由1架Φ750/720mm二辊可逆式闭口牌坊轧机作为粗轧，高刚度短应力线轧机1架650轧机、4架450轧机，2架380轧机平立交替布置组成连轧机组；二辊可逆式轧机轧制3个道次，开轧温度控制为1100～1130℃，轧制速度为0.6～0.7m/s；连轧机组轧制5～7道次，轧制成Φ30～80mm圆钢棒材，终轧速度为0.8～5.2m/s，连轧入口温度大于1050℃，终轧温度为930～880℃；轧制的Φ30～80mm圆钢棒材在线剪切为8～12m长定尺棒，收集后吊入缓冷坑，进入缓冷坑温度720～650℃，在缓冷坑缓冷时间大于48小时，缓冷至温度小于200℃后吊出缓冷坑，经过精整成为高强度高韧性轻量化工具钢成品，交库；各道次轧制相对压下率不大于18%。
3.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤A中所述的优质废钢具有下列质量比的化学成分：C 0.08-0.12wt%、Si 0.08-0.15 wt%、Mn0.30-0.40wt% 、P 0.012-0.020wt%、S 0.008-0.015wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
4.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤A中所述的优质低硫铁水具有下列质量比的化学成分：C 4.0-4.2wt%、Si 0.20-0.35wt%、Mn0.40-0.50wt% 、P 0.060-0.075wt%、S≤0.010wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
5.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤A中所述的电解锰具有下列质量比的化学成分：Mn 99.8wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；所述的硅铁具有下列质量比的化学成分：Si 73.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；所述的高碳铬铁具有下列质量比的化学成分：Cr 57.5 wt%，C 7.6 wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物；所述的纯铝具有下列质量比的化学成分：Al 99.3wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
6.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤A中所述的增碳剂具有下列质量比的化学成分：C92.15wt%，S 0.085wt%，灰份4.15wt%，挥发份1.64wt%，水份 0.75wt%，其余为不可避免的不纯物。
7.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤B中所述的硼铁具有下列质量比的化学成分：B 21.5wt%，其余为Fe及不可避免的不纯物。
8.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤B中所述的硅钙线具有下列质量比的化学成分：Si 56.5wt%、Ca 29.5 wt%、其余为Fe及不可避免的不纯物。
9.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤E中所述的电渣重熔钢坯的S含量为8ppm以下，O含量为6ppm以下。
10.根据权利要求2所述的高强度高韧性轻量化工具钢的制备方法，其特征在于步骤E中所述的高强度高韧性轻量化工具钢成品的组织为奥氏体，所述的高强度高韧性轻量化工具钢成品具有如下性能：
。
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