拋光模具鋼的夾雜物研究與控制

楊 威 王 昂 高 鑫 黨坤會

(1．中鋼集團邢臺機械軋輥有限公司，河北054000；2．軋輥材料國家重點實驗室，河北054000)

熱作模具鋼H13良好的性價比及工藝性能廣受市場青睞。該材質具有較高的熱強度與硬度，尤其在中溫(600℃)，還具有較高的耐磨性、韌性和較好的熱疲勞性能，已在錘鍛模、擠壓模、壓鑄模、模鍛模等模具領域中得到廣泛應用。

我公司模具鋼產(chǎn)品生產(chǎn)流程為電爐→精煉→電極澆注→電極退火→電渣重熔→熱送鍛造。模具鋼在經(jīng)過拋光處理，應用塑料模具生產(chǎn)時，夾雜物對拋光鏡面的質量影響顯得至關重要，即便按GB/T 10561—2005進行評級，仍會出現(xiàn)“麻點”、“針孔”類缺陷。為此，需研究夾雜物尺寸分布對拋光性能的影響，以及精煉及澆注、電渣過程中夾雜物的變化規(guī)律。

1 試驗方法

采用金相法對試樣中夾雜物進行檢測統(tǒng)計，按照GB/T 10561—2005對非金屬夾雜物進行分類和評級，并在試樣上隨機選擇30個視場，將夾雜物尺寸分為三個等級：3～10 μm、10～20 μm、20 μm以上，分別統(tǒng)計各類尺寸夾雜物的數(shù)量，并采用化學分析法對鋼中氫、氧、氮等成分進行分析。

2 試驗結果分析

2.1 拋光試樣對比分析

采用8000目砂紙拋光后，挑選3個試樣進行對比，結果見表1。

表1 拋光試樣對比Table 1 Comparison of polished samples

對以上試樣的夾雜物進行檢測，結果見表2。

表2 夾雜物檢測結果Table 2 Inclusion detection results

對比分析可以發(fā)現(xiàn)：

(1)試樣3中夾雜物尺寸20 μm以上的占比約15%，存在較大尺寸的夾雜物；而試樣1、2中并沒有此類尺寸的夾雜物，模具鋼的夾雜物約70%集中在3～10 μm。

(2)按照夾雜物的等級區(qū)分，試樣3夾雜物主要為C、D類，且等級≤1級，雖夾雜物的等級與試樣1相同，但卻影響了模具鋼的拋光性能。

2.2 各階段夾雜物控制分析

2.2.1 精煉各階段夾雜物分析

選取實際生產(chǎn)中的三個階段，對LF精煉后、VD軟吹前、VD軟吹后鋼水取樣，分析不同階段夾雜物變化情況，見表3。

表3 精煉階段夾雜物分析Table 3 Inclusion analysis in refining stage

對比分析，VD軟吹后，10～20 μm夾雜物的比例出現(xiàn)明顯增加，但20 μm以上的夾雜物數(shù)量及占比有一定的下降，主要原因為軟吹過程通過形成彌散的氣泡，可以將鋼水中的夾雜物吸附在氣泡表面，夾雜物上浮至渣層時會被吸附，因此大型夾雜物出現(xiàn)下降趨勢。

為降低C、D類夾雜物的數(shù)量，精煉過程需采用復合脫氧劑，終脫氧采用變質處理等措施，精煉過程中及時觀察白渣狀態(tài)，分批次加入擴散脫氧劑，避免使用沉淀脫氧的方式，杜絕B類夾雜物的產(chǎn)生。

2.2.2 澆注氣體控制

澆注氣體控制水平見表4。

表4 澆注氣體控制Table 4 Control of pouring gas

從表4中對比發(fā)現(xiàn)，氣體中O、N的提高非常明顯，與澆注過程中的保護澆注有直接關系。在氬氣澆注保護不到位時，鋼水與空氣接觸造成鋼水的二次氧化問題，鋼水中的O、N增加，易導致鋼水夾雜物的產(chǎn)生。

澆注過程采用氬氣保護澆注要落實到位，同時對于夾雜物要求比較高的鋼種，必要時需增加型腔充氬，強化鋼水的保護澆注。

2.2.3 電渣重熔階段分析

查詢相關資料，發(fā)現(xiàn)鋼水夾雜物主要是由冶煉過程中的鋼水在后續(xù)脫氧處理時所致，控制冶煉過程中鋼水的O、N，成為夾雜物控制的重中之重。

此次，電渣過程采用氣體保護及重熔加鋁的方式。對比分析加鋁、氣體保護對于鋼水中夾雜物的影響差異，并在模具鋼鍛坯兩端(寬度的1/4位置，厚度1/2位置)取樣進行夾雜物、氣體及光譜檢測。

(1)鋁豆加入，對[O]的變化情況見表5。

表5 加鋁對鋼水中[O]的影響Table 5 Effect of aluminum addition on oxygen content in molten steel

檢測表明，重熔前雖然加入鋁豆，但啟動端位置取樣檢測的[O]并沒有明顯變化，試驗的兩件產(chǎn)品中平均[O]相差僅0.9×10-6。

(2)夾雜物檢測

夾雜物檢測結果見表6。

表6 夾雜物檢測結果Table 6 Inclusion detection results

檢測結果表明，樣品2的夾雜物水平優(yōu)于樣品1。樣品2共檢測6塊試樣，僅在1個試樣中，發(fā)現(xiàn)2個>20 μm夾雜物，較前期模具鋼的夾雜物有明顯的改善。

(3)未進行氣體保護的重熔模具鋼夾雜物

挑選前期未進行氣體保護的電渣重熔生產(chǎn)的模具鋼產(chǎn)品，切取試樣后進行金相檢測，結果見表7。

表7 未進行氣體保護的重熔模具鋼夾雜物Table 7 Remelting die steel inclusionswithout gas protection

對比結果發(fā)現(xiàn)，氣體保護電渣重熔的模具鋼產(chǎn)品，其20 μm以上尺寸的夾雜物占比明顯下降，主要夾雜物的尺寸保持在10 μm以下的水平。

試驗對比表明，拋光類模具鋼重熔過程需重點控制吸氣，包括澆注過程、電渣重熔階段，該階段的控制對鋼水中夾雜物水平的去除有非常明顯的作用，而重熔過程中加鋁抑制[O]的效果并不明顯。

3 結語

(1)針對拋光類模具鋼，對夾雜物的檢測評價的標準，不能僅僅參考國標要求，需要從夾雜物的大小及分布上摸索規(guī)律性，并制定針對性的內控標準。

(2)自耗電極澆注及電渣重熔過程對于鋼水夾雜物的影響至關重要，必須要做好澆注的氬氣保護及重熔密封性氣氛的控制。試驗表明，該階段產(chǎn)生的夾雜物在電渣過程中去除的效果并不理想。