FS815預硬化塑料模具鋼大型模塊的研發

韓 斌，遲宏宵，汝亞彬，溫 鶴，曹麗紅，劉 宇

（1.撫順特殊鋼股份，遼寧撫順113001；2.鋼鐵研究總院特殊鋼研究所，北京100081）

1 引言

撫順特殊鋼股份有限公司多年來十分重視模具鋼的生產及研發，是我國模具鋼較大的生產基地，部分產品已經達到國外先進模具鋼的實物質量水平，并實現了產業化，受到了國內外用戶的一致好評，形成了品牌優勢，奠定了撫順特鋼模具鋼中國領頭羊的位置。隨著模具技術高速發展，對模具鋼提出了更高的要求。預硬化塑料模具鋼是用量最大的模具鋼，普通的預硬化塑料模具鋼供過于求，但對于高硬度1.2738類預硬化模塊目前國內質量性能存在很大問題。1.2738類預硬化模塊普通硬度要求在29～36HRC范圍，而現在，有部分模具鋼使用客戶要求預硬化模塊硬度達到37～41HRC，這種高硬度要求材料目前的預硬化回火工藝溫度在410℃～450℃，回火最多達到3次，但材料在用戶使用過程中仍存在硬度不均、鋸切開裂、加工后材料容易變形等缺陷，導致模具鋼用戶大量使用進口模具鋼。為了占領預硬化塑料模具鋼市場，經雙方友好協商，撫順特鋼與鋼鐵研究總院合作，研發出牌號為FS815的一種高硬度1.2738類預硬化模塊材料，替代進口。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 化學成分設計

目前，國內普遍生產的1.2738類預硬化模塊，其硬度由32～36HRC調整到40HRC時，存在的技術難點是：若要提高1.2738鋼預硬化模塊硬度則需要降低回火溫度，即回火溫度由原來的580℃以上降低到450℃左右，如圖1、圖2所示，而在450℃左右回火正是該材料脆性最大的溫度，不能夠完全消除組織應力，因此模塊加工后常出現炸裂、變形等現象，導致模具無法使用。成分設計的方向要向著易實現更高回火硬度，同時還具有較高的淬透性。

圖1 1.2738鋼回火硬度曲線

圖2 1.2738鋼沖擊韌性曲線

借鑒國外預硬型塑料模具鋼化學成分設計的發展趨勢，均表明為了滿足大截面尺寸塑料的使用需要，在原來P20鋼的基礎上降低含碳量，提高Ni、Mn、Mo的含量，從而提高預硬型塑料模具鋼的綜合性能和淬透性等性能。

為此，FS815鋼化學成分設計的總體思路是：

（1）降低C含量，嘗試不同碳含量和合金元素組合。總體上采用低C含量，降低C強化引起的組織內應力大的問題，提高材料的沖擊韌性，降低偏析程度，改善大顆粒碳化物析出。C是鋼中最有效的固溶強化元素之一，也是與Cr、Mn、Mo、V化合形成碳化物的元素。C含量越高，固溶強化效果越顯著但會損失沖擊韌性，通過將C提高沖擊韌性。C易偏析，同時過高的C易與碳化物形成元素化合形成大顆粒碳化物析出，影響沖擊韌性，通過降低C含量，降低偏析程度、改善碳化物析出尺寸，提高沖擊韌性，進而獲得低組織內應力的成分體系。

（2）通過析出強化，彌補降C引起的強度損失，實現高硬度要求。通過Mo2C、VC等析出強化相在高溫回火時的析出強化作用，彌補降C引起的硬度、強度損失，同時使材料具有更優異的抗回火軟化性能，可以實現更高溫度回火，降低大型預硬化模塊的組織應力。

（3）推遲CCT曲線珠光體、貝氏體轉變時間，通過Mn、Mo、Cr、Ni匹配作用獲得更高淬透性。根據不同合金元素對貝氏體、珠光體轉變曲線推出的疊加或相乘作用關系，進行合金元素匹配，盡可能推遲珠光體、貝氏體轉變時間，易于大型模塊心部組織的一致性。

（4）成分體系利于組織均勻、焊接性能優異。通過采用低碳的設計，減輕組織偏析，同時獲得更優異的焊接性能。

通過熱力學計算和相組成的預測，可以發現采用Mo-V-Ni合金化、Mn-Mo-V-Ni合金化，能夠明顯增加高溫析出相含量，如圖3所示，進而提高保持高溫區回火硬度（抗回火軟化性能），從而可以獲得更高的回火溫度，獲得更好的韌性。

圖3 成分設計不同體系材料的熱力學計算相組成分析

通過淬透性預測計算表明：采用Mo-V-Ni合金化、Mn-Mo-V-Ni合金化，能夠明顯提高淬火臨界直徑尺寸，提高淬透性，如表1所示。

表1 成分設計不同體系材料的淬透性臨界直徑預測計算

綜合文獻資料，借鑒國外先進產品、熱力學計算、相組成的預測、淬透性預測，最終設計開發出了牌號為FS815的高硬度預硬化模塊品種，化學成分如表2所示。

表2 FS815成分 %

2.2 生產工藝流程

電爐+LF+VD→模鑄27t12角錠→高溫擴散處理→鍛造3，500t快鍛三鐓三拔成材→去氫退火→水-空交替冷卻淬火→兩次高溫回火→成品檢驗→入庫。FS815成品模塊照片如圖4所示。

圖4 FS815成品模塊照片

3 結果及討論

3.1 低倍

在鋼材的橫截面上都會存在通常由液態凝固時產生的疏松和偏析，因而降低了鋼的強度和韌性，也嚴重的影響了加工后的表面粗糙度[1]。而大型模塊由于橫截面尺寸大，鑄錠澆鑄一般采用模鑄，在鑄錠內部，鋼液以柱狀晶或等軸晶進行凝固，更易形成枝晶組織，合金元素在枝晶間的微觀偏析更為嚴重[2]。FS815與1.2738相比，通過優化成分設計，生產時采用低溫澆注，高溫擴散及多次鐓拔等工藝措施，使得FS815的低倍質量相比于1.2738有較大幅度的改善，具體低倍質量對比如圖5及表3所示。

圖5 低倍質量對比

表3 低倍質量對比

3.2 非金屬夾雜物

鋼種非金屬夾雜物在某種意義上可以看成是一定尺寸的裂紋，它破壞了金屬的連續性，引起應力集中，在外界應力的作用下，裂紋延伸很容易發展擴大而導致模具失效。塑性夾雜物的存在，隨著鍛軋過程延伸變形，致使鋼材產生各向異性。同時夾雜物在拋光過程中的剝落，降低了模具的表面粗糙度[1]。為保證FS815鋼純凈度，電爐前期加強供氧，使熔池強烈沸騰；精煉期制定合理的脫氧制度，造高堿度渣冶煉生產，白渣保持時間≥30min，保證良好的脫氧、脫硫效果，VD過程采用真空氬氣攪拌，并加強軟吹，FS815鋼夾雜物檢驗結果如表 所示。

表4 非金屬夾雜物

3.3 模塊預硬化后硬度及顯微組織

FS815預硬化模塊采用水—空交替控時淬火冷卻技術進行預硬化淬火冷卻，合理分配水淬和空淬的時間，確保模塊在不淬火開裂的情況下淬火后心部硬度達到標準要求，FS815模塊現場淬火冷卻照片如圖6所示。

圖6 FS815預硬化淬火冷卻照片

（1）檢驗結果取樣位置。

FS815成品預硬化模塊截面尺寸為600×1，200mm，模塊沿長度方向在其頭部（相當于鋼錠的冒口端）取30mm長試片，并將試片沿模塊的厚度和寬度方向每隔300mm切取300×300mm方形試片8塊，其中3、4為本次檢驗分析用試片，具體如圖7所示。

圖7 FS815

（2）硬度檢測結果.

硬度檢驗結果范圍為38.3～40.1HRC，截面硬度差＜2HRC，具體如圖8所示。

圖8 FS815截面硬度檢測結果

（3）顯微組織檢測結果。

由左至右，由上至下對應編號1#～28#，不同位置組織較均勻差異不大，為回火貝氏體和少量的下貝氏體組織，金相顯微組織如圖9所示、掃描電鏡組織如圖10所示。

圖9 FS815模塊橫截面不同位置金相顯微組織

圖10 FS815模塊橫截面不同位置掃描電鏡組織

3.4 拋光性能

FS815由于純凈度高，偏析輕，預硬化高后硬度高，因此其拋光可達到#5000以上鏡面效果，接近于10Ni3MnCuAl拋光性能，具體如圖11所示。其拋光過程：油石粗磨（由粗→細:220#、320#、400#）→砂紙精磨（220#、280#、320#、400#、600#、800#、1000#、1200#。1500#）→鉆石膏（μm、9m6m3。

圖11 FS815拋光級別示意圖

3.5 蝕紋性能

蝕紋性能采用溶液FeCl3化學蝕紋，由于材料偏析輕、組織均勻，可以滿足汽車內飾件高端的立體蝕紋要求，FS815蝕紋效果如圖12所示。

圖12 FS815蝕紋效果照片

4 結論

（1）撫順特鋼與鋼鐵研究總院合作研發的FS815預硬化模塊為1.2738類預硬化模塊的升級品種，通過化學成分的優化設計，FS815模塊預硬化后硬度可滿足用戶37～41HRC高硬度需求。

（2）通過對尺寸為600×1，200mm的FS815預硬化模塊取片分析，其純凈度高、低倍組織優良、偏析輕、模塊整體顯微組織均勻、截面硬度偏差＜2HRC，可滿足用戶的高拋光和蝕紋需求，為國產化材料替代進口提供了一種新型預硬化塑料模具鋼材料。