ESR 1.2343模具鋼夾雜物成分及形成原因分析

付韶華， 趙慶晨， 盧偉鋒， 楊永芳

（1.珠海格力電器股份有限公司， 廣東 珠海 519070；2.空調設備及系統運行節能國家重點實驗室， 廣東 珠海 519070；3.珠海格力精密模具有限公司， 廣東 珠海 519070）

0 引 言

隨著家電行業的飛速發展，塑件的使用率也在逐年增加[1]，注塑模具鋼作為一種特種鋼材已被廣泛用于注射模，對其在高硬度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫、可加工性能以及長期可靠性等方面均提出了較高的要求。在模具鋼的制備過程中，需要對元素配比、冶煉工藝、熱處理工藝等多方面進行優化及控制[2,3]，其中，精確控制鋼夾雜物的成分、形貌和力學性能尤為重要。注塑模具鋼表面出現不良夾雜物會導致成型塑件表面出現麻點等異常問題，嚴重影響其外觀及成型質量[4-8]。此類問題多發生于家電行業及汽車工業生產的塑件中[9]，而模具零件需要通過材料再處理、機加工及拋光等工藝，導致塑件生產延遲，造成經濟損失。因此，現選定某存在表面質量問題的ESR（電渣重熔）1.2343模具鋼（國標4Cr5MoVSi）作為研究對象，采用掃描電鏡形貌表征和化學成分分析等研究方式，對其表面質量進行了分析和失效原因探尋，為模具鋼生產企業在質量控制方面提供了參考方案，也從模具鋼使用方如家電行業的角度，對注塑模具鋼精細化的檢驗方法提供思路。通過上述方式，可以使塑件易于脫模且有效避免表面質量問題，同時使注塑模具鋼耐腐蝕性與耐磨性得到改善，延長模具的使用壽命[8]，保證了塑件的質量及生產效率。

1 試驗方法

試驗材料為ESR 1.2343注塑模具鋼，試樣尺寸為40 mm×26 mm×10 mm，所有試樣均使用400目、600目、800目、1200目、2000目砂紙逐級打磨，然后采用金剛石研磨膏和二氧化硅拋光膏進行拋光，隨后用乙醇清洗除油并經20 min超聲波清洗。在Keyence光學顯微鏡觀察了模具鋼表面夾雜物尺寸及分布情況。采用TESCAN SEM（掃描電子顯微鏡）觀察夾雜物形貌特征，并利用EDS（能量色散譜）對模具鋼中基材及夾雜物的元素成分及分布進行了分析。

2 主要結果及討論

2.1 夾雜物尺寸分布及形貌分析

首先對拋光后ESR 1.2343注塑模具鋼的表面情況進行分析，通過光學顯微鏡采集模具鋼宏觀形貌，如圖1（a）所示。為與國標夾雜物分布圖進行匹配，采用Image J軟件的粒子分析功能對夾雜物分布進行分析，如圖1（b）所示，樣品中存在大量夾雜物，分散范圍廣，且尺寸不一、大小形狀各異，局部區域出現聚集的現象

圖1 ESR 1.2343模具鋼宏觀形貌與夾雜物分布

為進一步探究ESR1.2343模具鋼夾雜物的形貌，對其進行掃描電鏡下的微觀表征。圖2所示為樣品中不同夾雜物的掃描電鏡圖，夾雜物直徑均在10～30 μm，且存在尖晶石包裹于近圓球形析出物的現象，其與文獻中此類模具鋼的典型非金屬夾雜物形貌基本一致[10-12]。根據國標GB∕T 10561-2005并結合圖1、圖2分析，夾雜物分布較密集，初步判斷為粗系D類2.5級夾雜物[13]。

圖2 ESR 1.2343模具鋼典型夾雜物形貌

部分非金屬夾雜物位置出現如逗號形狀的尾部，推測是由于硬度大于基材的小顆粒在拋光過程中發生脆性斷裂經擠壓飛出后產生。另外，由于拋光方向不同尾部朝向也不一致。

2.2 基材成分分析

模具鋼基體元素圖譜如圖3所示，其元素成分與企業提供的基本一致。具體元素含量對比如表1所示，除Si、Cr含量存在差異外，其它元素均在建議范圍內，由于EDS（能量色散譜）測試原理及元素標定問題，結果可能存在一定誤差，尤其是C等輕質元素參考意義不大，因此C含量未給出具體數值。

表1 ESR 1.2343模具鋼元素成分對比表 質量分數

圖3 ESR 1.2343模具鋼基體元素圖譜

2.3 夾雜物成分分析

采用EDS對非金屬夾雜物位置進行能譜分析，如圖4所示，非金屬夾雜物中存在不屬于原材料的元素成分，其中Mg、Al、Ca、O峰值突出，且與參考文獻[5]中A類由Mg、Al、Ca組成的圓形氧化物分布較為一致，推測為Mg、Al、Ca氧化物構成的非金屬夾雜物。

圖4 非金屬夾雜物元素圖譜

對不同形狀的非金屬夾雜物在掃描電鏡下進行不同元素分布分析，圖5和圖6進一步表明夾雜物是由O、Mg、Al為主組成的非金屬夾雜物包裹于Ca內構成，但不規則形狀內由O、Mg、Al組成的非金屬夾雜物（見圖6）的棱角較近球形內夾雜物（見圖5）更加模糊，尤其是Mg和Al。通過與參考文獻[4,11]中對類似鋼材非金屬夾雜物的分析與該結果比對，確定非金屬夾雜物主要成分應為MgO-Al2O3或MgAl2O4尖晶石。值得注意的是夾雜物內或周邊還存在Si、Mo及F元素，Si可能以CaO-SiO2的方式存在于硅酸鹽系中；Mo在非金屬夾雜物中被發現意味著存在不完全氧化膜，在含硫含氯的腐蝕環境下更易導致此處發生點蝕[10]；在夾雜物邊緣發現的大量F元素推測為熔渣CaF2的殘留[11]。綜合相關研究[2-4,10-12,13,14]及上述結果，發現非金屬夾雜物缺陷主要是由于鋼的冶煉工藝導致，具體可能是在模具鋼電渣重熔生產的鈣處理精煉過程中產生。在鈣處理過程中，夾雜物的轉變一般遵從MgO-Al2O3系向CaO-MgO-Al2O3系再向CaO-Al2O3系夾雜物轉換的順序[14]。因此，MgO-Al2O3尖晶石的大量存在說明鈣處理過程不完全，Ca梯度濃度的保持時間不夠久，導致CaO無法向內部擴散難以置換Mg和Al，不規則形狀非金屬夾雜物元素分布（見圖6）展示的Mg和Al邊緣的模糊狀指出擴散及置換的過程仍在發生就被迫停止，殘留在夾雜物邊緣的F元素也證實了該問題的存在。由于從CaO-MgO-Al2O3系向CaOAl2O3系夾雜物轉換的過程受到了阻礙[14]，導致此類由Ca包裹在內的MgO-Al2O3尖晶石構成近球形析出物的產生。由于此類非金屬夾雜物不僅會對塑件表面造成麻點，而且其較低表面電位差還會引起點蝕[10]，在實際應用中應避免產生。

圖5 近球形非金屬夾雜物元素分布

圖6 不規則形狀非金屬夾雜物元素分布

針對此類問題，結合目前國內外研究理論給出了解決方案。從企業原材料制備的角度，需要減少此類非金屬夾雜物的數量及面積：參考文獻[3]建議更改消耗電極成分；參考文獻[4]提出了控制溫度、冷卻速率以及氧含量的方法；參考文獻[9,11]提出了減小充液率及增加保護氣體的方式；參考文獻[13]提出了使用電磁攪拌使有害夾雜物分散分布的方式，以上方案可以作為模具生產企業后續改善注塑模具鋼表面質量的參考。通過該研究結果可以看出，注塑模具鋼表面出現超出一定尺寸的非金屬夾雜物會對塑件造成表面質量問題，而尺寸的臨界值可通過試驗測得，同時結合國家標準GB∕T 10561-2005可以對夾雜物等級進行分類。因此，從模具鋼用戶的角度提出了一種基于視覺分析的自動檢驗方案，如圖7所示。首先，對模具鋼拋光后表面進行多位置的光學顯微照片提取，然后通過二次開發軟件自動對夾雜物分布及尺寸進行分析，與標準數據庫進行比對后對夾雜物等級進行分類，并同步判斷夾雜物尺寸是否會影響塑件成型質量；最終，形成完整的夾雜物等級與質量判斷報告。采用此方法可實現注塑模具鋼的自動化檢驗，為保證塑件成型質量提供了快速有效的保障。

圖7 非金屬夾雜物自動分析流程

3 結束語

選定ESR 1.2343注塑模具鋼作為研究對象，通過掃描電鏡形貌表征、能量色散譜、元素圖譜及元素分布等對其表面質量進行了檢驗分析，結果指出該模具鋼表面具有大量夾雜物，判斷為粗系D類2.5級環狀氧化物，即由Ca包裹在內的MgO-Al2O3尖晶石構成的近球形析出物。結合相關文獻判斷，此類非金屬夾雜物為模具鋼電渣重熔生產的鈣處理精煉過程控制不足所導致。由于此類非金屬夾雜物不僅會對成型塑件表面造成麻點，而且其較低表面電位差還會引起點蝕。從煉鋼企業的角度出發，應減少此類非金屬夾雜物的產生，給出了解決方案供企業參考。從客戶的角度出發，通過二次開發結合視覺識別的方式，提出了精細化的模具鋼表面質量自動化檢驗方式，能夠在生產前期規避由于模具鋼表面異常而導致的質量問題。