耐蚀塑料模具钢预硬化工艺及组织研究

王勇胜，金维松，孙盛宇，付 博，刘景欣

（1.东北特殊钢集团股份有限公司技术中心，辽宁大连 116105；2.东特股份总工办，辽宁大连 116105）

1 引言

模具被誉为“工业之母”，是一个国家工业发展的基础。据统计，超过80%的工业产品需要模具成型[1]。一般成型（形）的方式包括注射、锻造、冲压、挤压、3D打印等等，其中注射成型与化工及塑料行业的发展息息相关。由于塑料具有优异的加工性能和品种多样化的特点，目前已成为社会上广泛使用的四大材料（木材、水泥、钢铁、塑料）中发展最快的材料。随着各行业对塑料及其制品需求的迅速发展，近年来塑料模具也已经成为模具行业产量最大的品种。

注射模的发展直接决定了塑料模具钢的发展。近些年，各个国家分别形成了各自的塑料模具钢品种体系。4Cr13预硬化模具钢属于中碳高铬型耐蚀塑料模具钢，适宜制造承受高负荷、高耐磨及腐蚀介质作用下的塑料模具、透明塑料制品模具等，具有硬度均匀、抛光性能良好的特性，其相应德国材料牌号为DIN 1.2083。经过特定热处理工艺后，4Cr13 材料的洛式硬度值最高可达50～55HRC，在一定的抛光工艺下，模具表面可达高镜面效果[2]，并对氯氟等气体有很好的抗腐蚀能力，机械加工性能好，因此，深受广大模具钢用户青睐，是用量较大的高等级耐蚀塑料模具钢之一。

随着模具上下游企业对模具成本降低的呼声越来越大，近年来兴起了在线预硬化代替离线调质的热处理工艺。在线预硬化是指模具扁钢轧制后，使用轧制余热不经补偿加热直接进行淬火的工艺。由于其具有工艺流程短、能耗低、产品特性优良等优势，已逐渐被市场采纳。

2 试验材料与方法

本文研究对象为某厂生产的4Cr13 型耐蚀塑料模具钢，其成分如表1所示。

表1 耐蚀塑料模具钢4Cr13化学成分 %

按照使用用途，可将4Cr13模具钢按熔炼工艺分为模铸、电渣两种状态，其冶炼工艺分别为：电炉+AOD+LF精炼+模铸、电炉+AOD+LF精炼+连铸+电渣重熔。

为分析不同冶炼状态、不同热处理工艺下模具钢的组织特性，对预硬化4Cr13模具钢按如下工艺进行生产试验，分别为：

1#：模铸→（开坯轧制）→在线预硬→一次回火。

2#：模铸→（开坯轧制）→在线预硬→二次回火。

3#：电渣→（开坯轧制）→离线预硬→二次回火。

3 检验结果

（1）对1#、2#、3#工艺生产的模具钢进行100倍及500倍金相分析，其组织形貌如图1、图2、图3所示。

图2 模铸4Cr13在线预硬二次回火后的组织形貌

图3 电渣4Cr13离线预硬二次回火后的组织形貌

（2）为分析金相显微镜下差异组织的具体成分，对图1a 中所示A 位置及B 位置及图1b 中C 位置进行成分分析，其结果如图4所示。

图4 模铸4Cr13钢扫描电镜形貌及成分分析

（3）对图1中A、B 两项组织分别进行显微硬度测试，其结果分别为326HV、296HV。

4 结果分析

4.1 一次回火与二次回火的组织分析

图1 为模铸在线预硬一次回火后的组织形貌，从图1中可以看出，回火后的模具钢显微组织呈明显条带状分布，根据硬度检测结果，白色组织（图1中所示A 处）显微硬度较黑色组织（图1 中所示B 处）显微硬度高30HV。其成分分析结果显示，白色组织Cr 含量较黑色区域高约1%。在更高倍率显微镜下可以看出，白色组织内部仍存在点状分布的黑色组织，经能谱分析，其含Cr约20%。

在钢液浇铸后，随温度降低，钢水逐渐由外向内、由下向上开始凝固。由于选份结晶的特点，先凝固区以树枝状晶形式长大。随着凝固向内进行，钢液温度梯度减小，钢液凝固是在一个较长的时间范围内进行的，树枝晶充分长大，并在主轴间产生大量的次轴（见图5），给偏析提供了有利条件。

图5 树枝晶长大过程

成分分析显示，图1中A、B位置由于钢锭浇铸时的选份结晶，钢中存在微区成分差异。如图6 所示，由于A位置的铬含量高于B位置，使得此处的奥氏体转变曲线向右移，降低了钢的冷却速度。在同等淬火冷却强度下，A 位置的奥氏体过冷度大于B 处，因此A 位置的奥氏体转变为马氏体的冷却速度更快，导致此处的硬度高于B 位置。同时，由于此处的铬含量偏高，相比更耐腐蚀，因此在显微镜下呈现黑白两种形貌。

淬火后的4Cr13钢在回火条件下[3]，由于时间的延续或温度的变化，其析出碳化物的类型也发生变化，即（Fe、Cr）3C→（Cr、Fe）7C3→（Cr、Fe）23C6。

钢经一次回火后，钢中部分碳原子从碳化物中析出，但仍有一部分碳原子固溶在碳化物中。二次回火给这些碳原子继续提供能量，马氏体中的过饱和碳原子继续进行扩散，畸变能进一步得到释放，因此从显微镜下观察，钢中的碳化物条带状组织趋于均匀，试样中的白色组织明显减少，如图2 所示。

4.2 在线预硬与离线预硬的组织分析

4Cr13钢为过共析钢，在退火组织中，其碳化物含量较多，即使采用1,060℃～1,100℃的温度进行奥氏体化，钢中的碳化物也不能完全溶解。但是由于淬火温度高于1,100℃时，钢中存在较多的残余奥氏体，淬火硬度反而下降，因此传统的淬火温度一般选择在1,050℃进行加热[4]。

在线预硬化是指模具钢轧制后，使用轧制余热不经补偿加热直接进行淬火的工艺。由于使用轧制余热，轧前加热炉加热温度高，因此大部分合金元素在奥氏体中得到溶解，具备一定淬火的组织条件。同时由于其具有工艺流程短、能耗低等优势，已逐渐被市场采纳，其一般的淬火温度约为830℃～850℃。

由于其工艺特点，较传统的调质仍有所区别。图4 是经电渣重熔的4Cr13 离线调质、二次回火后的组织形貌，可以看出，其组织为回火马氏体和粒状碳化物，细致均匀，可用于具有高抛光性、高耐蚀、高表面质量要求的模具制造，如光照相机、太阳眼镜镜片等光学产品以及注射器和分析药瓶等医疗器械产品。

5 结论

由于成分偏析，导致过冷奥氏体连续转变曲线右移，模铸的4Cr13钢经在线预硬后，富铬区组织转变不充分。经二次回火后，可减轻组织差异，可被用于具有一般要求的塑料模具钢，兼备经济性与耐蚀性能。

如注射模要求具有更高的抛光性、耐蚀性以及高的塑件表面质量时，可选用电渣重熔钢材，并经过离线调质更佳。