【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，對不同熱處理工藝的4Cr13模具鋼的顯微組織、硬度及成分進行了對比分析。結果顯示，模鑄的4Cr13鋼經在線預硬、一次回火后，顯微組織呈條帶狀分布，其原因為鋼中成分偏析導致，經二次回火后可減輕。另外，對不同冶煉狀態(tài)下的4Cr13模具鋼組織進行了對比分析，結果顯示，電渣鋼經二次回火后，組織細致均勻，可用于具有高要求的塑料模具制造。
關鍵詞：預硬化；顯微組織；耐蝕塑料模具鋼；4Cr13
1 引言
模具被譽為“工業(yè)之母”，是一個國家工業(yè)發(fā)展的基礎。據(jù)統(tǒng)計，超過80%的工業(yè)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(yè)的發(fā)展息息相關。由于塑料具有優(yōu)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(fā)展最快的材料。隨著各行業(yè)對塑料及其制品需求的迅速發(fā)展，近年來塑料模具也已經成為模具行業(yè)產量最大的品種。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(yè)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(yōu)良等優(yōu)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。
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。
（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。
（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。
圖1 模鑄4Cr13鋼在線預硬一次回火后的組織形貌
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
圖4 模鑄4Cr13鋼掃描電鏡形貌及成分分析
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(jù)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(qū)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(qū)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(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?yōu)轳R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(xiàn)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(xù)或溫度的變化，其析出碳化物的類型也發(fā)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(xù)提供能量，馬氏體中的過飽和碳原子繼續(xù)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。圖6 4Cr13鋼TTT曲線
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(tǒng)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(yōu)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(tǒng)的調質仍有所區(qū)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(yī)療器械產品。
5 結論
由于成分偏析，導致過冷奧氏體連續(xù)轉變曲線右移，模鑄的4Cr13鋼經在線預硬后，富鉻區(qū)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?zhèn)浣洕耘c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。
—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，國際標準刊號ISSN 1671-3508，國內統(tǒng)一刊號CN 44-1542/TH。本刊以服務模具制造企業(yè)為辦刊宗旨，面向模具界科研部門、工廠、企事業(yè)單位以及所有與模具制造相關的人士發(fā)行，為模具制造企業(yè)提供設計技術、制造工藝、市場動態(tài)和行業(yè)信息等多方面的幫助。在行業(yè)內具有較大的影響力，是您提高模具設計、制造水平的好幫手，也是您展示技術、產品、企業(yè)形象的最佳舞臺。
所設主要欄目：
模具CAD/CAM、沖模技術、型腔模(塑料模、鑄造模、鍛模等)技術、模具制造技術、模具材料及熱處理技術、企業(yè)管理、設計與制造小經驗、設計與制造論壇、行業(yè)動態(tài)、市場信息(產品供求、技術需求與轉讓、人才市場、招生與培訓、工程招標等)、讀者之音、企業(yè)專訪和新產品新技術推介等。
想了解更多關注--