【摘要】分析了塑膠模具鋼的行業(yè)現(xiàn)狀及4Cr13型耐蝕塑料模具鋼的特性，對(duì)不同熱處理工藝的4Cr13模具鋼的顯微組織、硬度及成分進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果顯示，模鑄的4Cr13鋼經(jīng)在線(xiàn)預(yù)硬、一次回火后，顯微組織呈條帶狀分布，其原因?yàn)殇撝谐煞制鰧?dǎo)致，經(jīng)二次回火后可減輕。另外，對(duì)不同冶煉狀態(tài)下的4Cr13模具鋼組織進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果顯示，電渣鋼經(jīng)二次回火后，組織細(xì)致均勻，可用于具有高要求的塑料模具制造。
關(guān)鍵詞：預(yù)硬化；顯微組織；耐蝕塑料模具鋼；4Cr13
1 引言
模具被譽(yù)為“工業(yè)之母”，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過(guò)80%的工業(yè)產(chǎn)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(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。由于塑料具有優(yōu)異的加工性能和品種多樣化的特點(diǎn)，目前已成為社會(huì)上廣泛使用的四大材料（木材、水泥、鋼鐵、塑料）中發(fā)展最快的材料。隨著各行業(yè)對(duì)塑料及其制品需求的迅速發(fā)展，近年來(lái)塑料模具也已經(jīng)成為模具行業(yè)產(chǎn)量最大的品種。注射模的發(fā)展直接決定了塑料模具鋼的發(fā)展。近些年，各個(gè)國(guó)家分別形成了各自的塑料模具鋼品種體系。4Cr13預(yù)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(fù)荷、高耐磨及腐蝕介質(zhì)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(yīng)德國(guó)材料牌號(hào)為DIN 1.2083。經(jīng)過(guò)特定熱處理工藝后，4Cr13 材料的洛式硬度值最高可達(dá)50～55HRC，在一定的拋光工藝下，模具表面可達(dá)高鏡面效果[2]，并對(duì)氯氟等氣體有很好的抗腐蝕能力，機(jī)械加工性能好，因此，深受廣大模具鋼用戶(hù)青睞，是用量較大的高等級(jí)耐蝕塑料模具鋼之一。隨著模具上下游企業(yè)對(duì)模具成本降低的呼聲越來(lái)越大，近年來(lái)興起了在線(xiàn)預(yù)硬化代替離線(xiàn)調(diào)質(zhì)的熱處理工藝。在線(xiàn)預(yù)硬化是指模具扁鋼軋制后，使用軋制余熱不經(jīng)補(bǔ)償加熱直接進(jìn)行淬火的工藝。由于其具有工藝流程短、能耗低、產(chǎn)品特性?xún)?yōu)良等優(yōu)勢(shì)，已逐漸被市場(chǎng)采納。2 試驗(yàn)材料與方法本文研究對(duì)象為某廠(chǎng)生產(chǎn)的 4Cr13 型耐蝕塑料模具鋼，其成分如表1所示。
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(tài)，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(tài)、不同熱處理工藝下模具鋼的組織特性，對(duì)預(yù)硬化4Cr13模具鋼按如下工藝進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，分別為： 1#：模鑄→（開(kāi)坯軋制）→在線(xiàn)預(yù)硬→一次回火。 2#：模鑄→（開(kāi)坯軋制）→在線(xiàn)預(yù)硬→二次回火。 3#：電渣→（開(kāi)坯軋制）→離線(xiàn)預(yù)硬→二次回火。3 檢驗(yàn)結(jié)果（1）對(duì)1#、2#、3#工藝生產(chǎn)的模具鋼進(jìn)行100倍及500倍金相分析，其組織形貌如圖1、圖2、圖3所示。
（2）為分析金相顯微鏡下差異組織的具體成分，對(duì)圖1a中所示A位置及B位置及圖1b中C位置進(jìn)行成分分析，其結(jié)果如圖4所示。
（3）對(duì)圖1中A、B兩項(xiàng)組織分別進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，其結(jié)果分別為326HV、296HV。
圖1 模鑄4Cr13鋼在線(xiàn)預(yù)硬一次回火后的組織形貌
圖2 模鑄4Cr13在線(xiàn)預(yù)硬二次回火后的組織形貌
圖3 電渣4Cr13離線(xiàn)預(yù)硬二次回火后的組織形貌
圖4 模鑄4Cr13鋼掃描電鏡形貌及成分分析
4 結(jié)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(xiàn)預(yù)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(jù)硬度檢測(cè)結(jié)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(jié)果顯示，白色組織Cr含量較黑色區(qū)域高約 1%。在更高倍率顯微鏡下可以看出，白色組織內(nèi)部仍存在點(diǎn)狀分布的黑色組織，經(jīng)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(nèi)、由下向上開(kāi)始凝固。由于選份結(jié)晶的特點(diǎn)，先凝固區(qū)以樹(shù)枝狀晶形式長(zhǎng)大。隨著凝固向內(nèi)進(jìn)行，鋼液溫度梯度減小，鋼液凝固是在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行的，樹(shù)枝晶充分長(zhǎng)大，并在主軸間產(chǎn)生大量的次軸（見(jiàn)圖5），給偏析提供了有利條件。
圖5 樹(shù)枝晶長(zhǎng)大過(guò)程
成分分析顯示，圖1中A、B位置由于鋼錠澆鑄時(shí)的選份結(jié)晶，鋼中存在微區(qū)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(zhuǎn)變曲線(xiàn)向右移，降低了鋼的冷卻速度。在同等淬火冷卻強(qiáng)度下，A 位置的奧氏體過(guò)冷度大于 B 處，因 此 A 位置的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的冷卻速度更快，導(dǎo)致此處的硬度高于 B 位置。同時(shí)，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(xiàn)黑白兩種形貌。淬火后的4Cr13鋼在回火條件下[3]，由于時(shí)間的延續(xù)或溫度的變化，其析出碳化物的類(lèi)型也發(fā)生變化， 即（Fe、Cr）3C→（Cr、Fe）7C3→（Cr、Fe）23C6。鋼經(jīng)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(xù)提供能量，馬氏體中的過(guò)飽和碳原子繼續(xù)進(jìn)行擴(kuò)散，畸變能進(jìn)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。圖6 4Cr13鋼TTT曲線(xiàn)
4.2 在線(xiàn)預(yù)硬與離線(xiàn)預(yù)硬的組織分析4Cr13鋼為過(guò)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(jìn)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(shí)，鋼中存在較多的殘余奧氏體，淬火硬度反而下降，因此傳統(tǒng)的淬火溫度一般選擇在1,050℃進(jìn)行加熱[4]。
在線(xiàn)預(yù)硬化是指模具鋼軋制后，使用軋制余熱不經(jīng)補(bǔ)償加熱直接進(jìn)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(shí)由于其具有工藝流程短、能耗低等優(yōu)勢(shì)，已逐漸被市場(chǎng)采納，其一般的淬火溫度約為830℃~850℃。
由于其工藝特點(diǎn)，較傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)仍有所區(qū)別。圖4是經(jīng)電渣重熔的4Cr13離線(xiàn)調(diào)質(zhì)、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(xì)致均勻，可用于具有高拋光性、高耐蝕、高表面質(zhì)量要求的模具制造，如光照相機(jī)、太陽(yáng)眼鏡鏡片等光學(xué)產(chǎn)品以及注射器和分析藥瓶等醫(yī)療器械產(chǎn)品。
5 結(jié)論
由于成分偏析，導(dǎo)致過(guò)冷奧氏體連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線(xiàn)右移，模鑄的4Cr13鋼經(jīng)在線(xiàn)預(yù)硬后，富鉻區(qū)組織轉(zhuǎn)變不充分。經(jīng)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?zhèn)浣?jīng)濟(jì)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(zhì)量時(shí)，可選用電渣重熔鋼材，并經(jīng)過(guò)離線(xiàn)調(diào)質(zhì)更佳。
—The End—《模具制造》月刊
《模具制造》月刊是由模具制造雜志社出版發(fā)行的大型科技期刊，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)刊號(hào)ISSN 1671-3508，國(guó)內(nèi)統(tǒng)一刊號(hào)CN 44-1542/TH。本刊以服務(wù)模具制造企業(yè)為辦刊宗旨，面向模具界科研部門(mén)、工廠(chǎng)、企事業(yè)單位以及所有與模具制造相關(guān)的人士發(fā)行，為模具制造企業(yè)提供設(shè)計(jì)技術(shù)、制造工藝、市場(chǎng)動(dòng)態(tài)和行業(yè)信息等多方面的幫助。在行業(yè)內(nèi)具有較大的影響力，是您提高模具設(shè)計(jì)、制造水平的好幫手，也是您展示技術(shù)、產(chǎn)品、企業(yè)形象的最佳舞臺(tái)。
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