耐蝕塑料模具鋼預硬化工藝及組織研究

王勇勝，金維松，孫盛宇，付 博，劉景欣

（1.東北特殊鋼集團股份有限公司技術中心，遼寧大連 116105；2.東特股份總工辦，遼寧大連 116105）

1 引言

模具被譽為“工業之母”，是一個國家工業發展的基礎。據統計，超過80%的工業產品需要模具成型[1]。一般成型（形）的方式包括注射、鍛造、沖壓、擠壓、3D打印等等，其中注射成型與化工及塑料行業的發展息息相關。由于塑料具有優異的加工性能和品種多樣化的特點，目前已成為社會上廣泛使用的四大材料（木材、水泥、鋼鐵、塑料）中發展最快的材料。隨著各行業對塑料及其制品需求的迅速發展，近年來塑料模具也已經成為模具行業產量最大的品種。

注射模的發展直接決定了塑料模具鋼的發展。近些年，各個國家分別形成了各自的塑料模具鋼品種體系。4Cr13預硬化模具鋼屬于中碳高鉻型耐蝕塑料模具鋼，適宜制造承受高負荷、高耐磨及腐蝕介質作用下的塑料模具、透明塑料制品模具等，具有硬度均勻、拋光性能良好的特性，其相應德國材料牌號為DIN 1.2083。經過特定熱處理工藝后，4Cr13 材料的洛式硬度值最高可達50～55HRC，在一定的拋光工藝下，模具表面可達高鏡面效果[2]，并對氯氟等氣體有很好的抗腐蝕能力，機械加工性能好，因此，深受廣大模具鋼用戶青睞，是用量較大的高等級耐蝕塑料模具鋼之一。

隨著模具上下游企業對模具成本降低的呼聲越來越大，近年來興起了在線預硬化代替離線調質的熱處理工藝。在線預硬化是指模具扁鋼軋制后，使用軋制余熱不經補償加熱直接進行淬火的工藝。由于其具有工藝流程短、能耗低、產品特性優良等優勢，已逐漸被市場采納。

2 試驗材料與方法

本文研究對象為某廠生產的4Cr13 型耐蝕塑料模具鋼，其成分如表1所示。

表1 耐蝕塑料模具鋼4Cr13化學成分 %

按照使用用途，可將4Cr13模具鋼按熔煉工藝分為模鑄、電渣兩種狀態，其冶煉工藝分別為：電爐+AOD+LF精煉+模鑄、電爐+AOD+LF精煉+連鑄+電渣重熔。

為分析不同冶煉狀態、不同熱處理工藝下模具鋼的組織特性，對預硬化4Cr13模具鋼按如下工藝進行生產試驗，分別為：

1#：模鑄→（開坯軋制）→在線預硬→一次回火。

2#：模鑄→（開坯軋制）→在線預硬→二次回火。

3#：電渣→（開坯軋制）→離線預硬→二次回火。

3 檢驗結果

（1）對1#、2#、3#工藝生產的模具鋼進行100倍及500倍金相分析，其組織形貌如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 模鑄4Cr13在線預硬二次回火后的組織形貌

圖3 電渣4Cr13離線預硬二次回火后的組織形貌

（2）為分析金相顯微鏡下差異組織的具體成分，對圖1a 中所示A 位置及B 位置及圖1b 中C 位置進行成分分析，其結果如圖4所示。

圖4 模鑄4Cr13鋼掃描電鏡形貌及成分分析

（3）對圖1中A、B 兩項組織分別進行顯微硬度測試，其結果分別為326HV、296HV。

4 結果分析

4.1 一次回火與二次回火的組織分析

圖1 為模鑄在線預硬一次回火后的組織形貌，從圖1中可以看出，回火后的模具鋼顯微組織呈明顯條帶狀分布，根據硬度檢測結果，白色組織（圖1中所示A 處）顯微硬度較黑色組織（圖1 中所示B 處）顯微硬度高30HV。其成分分析結果顯示，白色組織Cr 含量較黑色區域高約1%。在更高倍率顯微鏡下可以看出，白色組織內部仍存在點狀分布的黑色組織，經能譜分析，其含Cr約20%。

在鋼液澆鑄后，隨溫度降低，鋼水逐漸由外向內、由下向上開始凝固。由于選份結晶的特點，先凝固區以樹枝狀晶形式長大。隨著凝固向內進行，鋼液溫度梯度減小，鋼液凝固是在一個較長的時間范圍內進行的，樹枝晶充分長大，并在主軸間產生大量的次軸（見圖5），給偏析提供了有利條件。

圖5 樹枝晶長大過程

成分分析顯示，圖1中A、B位置由于鋼錠澆鑄時的選份結晶，鋼中存在微區成分差異。如圖6 所示，由于A位置的鉻含量高于B位置，使得此處的奧氏體轉變曲線向右移，降低了鋼的冷卻速度。在同等淬火冷卻強度下，A 位置的奧氏體過冷度大于B 處，因此A 位置的奧氏體轉變為馬氏體的冷卻速度更快，導致此處的硬度高于B 位置。同時，由于此處的鉻含量偏高，相比更耐腐蝕，因此在顯微鏡下呈現黑白兩種形貌。

淬火后的4Cr13鋼在回火條件下[3]，由于時間的延續或溫度的變化，其析出碳化物的類型也發生變化，即（Fe、Cr）3C→（Cr、Fe）7C3→（Cr、Fe）23C6。

鋼經一次回火后，鋼中部分碳原子從碳化物中析出，但仍有一部分碳原子固溶在碳化物中。二次回火給這些碳原子繼續提供能量，馬氏體中的過飽和碳原子繼續進行擴散，畸變能進一步得到釋放，因此從顯微鏡下觀察，鋼中的碳化物條帶狀組織趨于均勻，試樣中的白色組織明顯減少，如圖2 所示。

4.2 在線預硬與離線預硬的組織分析

4Cr13鋼為過共析鋼，在退火組織中，其碳化物含量較多，即使采用1,060℃～1,100℃的溫度進行奧氏體化，鋼中的碳化物也不能完全溶解。但是由于淬火溫度高于1,100℃時，鋼中存在較多的殘余奧氏體，淬火硬度反而下降，因此傳統的淬火溫度一般選擇在1,050℃進行加熱[4]。

在線預硬化是指模具鋼軋制后，使用軋制余熱不經補償加熱直接進行淬火的工藝。由于使用軋制余熱，軋前加熱爐加熱溫度高，因此大部分合金元素在奧氏體中得到溶解，具備一定淬火的組織條件。同時由于其具有工藝流程短、能耗低等優勢，已逐漸被市場采納，其一般的淬火溫度約為830℃～850℃。

由于其工藝特點，較傳統的調質仍有所區別。圖4 是經電渣重熔的4Cr13 離線調質、二次回火后的組織形貌，可以看出，其組織為回火馬氏體和粒狀碳化物，細致均勻，可用于具有高拋光性、高耐蝕、高表面質量要求的模具制造，如光照相機、太陽眼鏡鏡片等光學產品以及注射器和分析藥瓶等醫療器械產品。

5 結論

由于成分偏析，導致過冷奧氏體連續轉變曲線右移，模鑄的4Cr13鋼經在線預硬后，富鉻區組織轉變不充分。經二次回火后，可減輕組織差異，可被用于具有一般要求的塑料模具鋼，兼備經濟性與耐蝕性能。

如注射模要求具有更高的拋光性、耐蝕性以及高的塑件表面質量時，可選用電渣重熔鋼材，并經過離線調質更佳。