FS815預(yù)硬化塑料模具鋼大型模塊的研發(fā)

韓 斌，遲宏宵，汝亞彬，溫 鶴，曹麗紅，劉 宇

（1.撫順特殊鋼股份，遼寧撫順113001；2.鋼鐵研究總院特殊鋼研究所，北京100081）

1 引言

撫順特殊鋼股份有限公司多年來十分重視模具鋼的生產(chǎn)及研發(fā)，是我國(guó)模具鋼較大的生產(chǎn)基地，部分產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到國(guó)外先進(jìn)模具鋼的實(shí)物質(zhì)量水平，并實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，受到了國(guó)內(nèi)外用戶的一致好評(píng)，形成了品牌優(yōu)勢(shì)，奠定了撫順特鋼模具鋼中國(guó)領(lǐng)頭羊的位置。隨著模具技術(shù)高速發(fā)展，對(duì)模具鋼提出了更高的要求。預(yù)硬化塑料模具鋼是用量最大的模具鋼，普通的預(yù)硬化塑料模具鋼供過于求，但對(duì)于高硬度1.2738類預(yù)硬化模塊目前國(guó)內(nèi)質(zhì)量性能存在很大問題。1.2738類預(yù)硬化模塊普通硬度要求在29～36HRC范圍，而現(xiàn)在，有部分模具鋼使用客戶要求預(yù)硬化模塊硬度達(dá)到37～41HRC，這種高硬度要求材料目前的預(yù)硬化回火工藝溫度在410℃～450℃，回火最多達(dá)到3次，但材料在用戶使用過程中仍存在硬度不均、鋸切開裂、加工后材料容易變形等缺陷，導(dǎo)致模具鋼用戶大量使用進(jìn)口模具鋼。為了占領(lǐng)預(yù)硬化塑料模具鋼市場(chǎng)，經(jīng)雙方友好協(xié)商，撫順特鋼與鋼鐵研究總院合作，研發(fā)出牌號(hào)為FS815的一種高硬度1.2738類預(yù)硬化模塊材料，替代進(jìn)口。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 化學(xué)成分設(shè)計(jì)

目前，國(guó)內(nèi)普遍生產(chǎn)的1.2738類預(yù)硬化模塊，其硬度由32～36HRC調(diào)整到40HRC時(shí)，存在的技術(shù)難點(diǎn)是：若要提高1.2738鋼預(yù)硬化模塊硬度則需要降低回火溫度，即回火溫度由原來的580℃以上降低到450℃左右，如圖1、圖2所示，而在450℃左右回火正是該材料脆性最大的溫度，不能夠完全消除組織應(yīng)力，因此模塊加工后常出現(xiàn)炸裂、變形等現(xiàn)象，導(dǎo)致模具無法使用。成分設(shè)計(jì)的方向要向著易實(shí)現(xiàn)更高回火硬度，同時(shí)還具有較高的淬透性。

圖1 1.2738鋼回火硬度曲線

圖2 1.2738鋼沖擊韌性曲線

借鑒國(guó)外預(yù)硬型塑料模具鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)，均表明為了滿足大截面尺寸塑料的使用需要，在原來P20鋼的基礎(chǔ)上降低含碳量，提高Ni、Mn、Mo的含量，從而提高預(yù)硬型塑料模具鋼的綜合性能和淬透性等性能。

為此，F(xiàn)S815鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)的總體思路是：

（1）降低C含量，嘗試不同碳含量和合金元素組合?？傮w上采用低C含量，降低C強(qiáng)化引起的組織內(nèi)應(yīng)力大的問題，提高材料的沖擊韌性，降低偏析程度，改善大顆粒碳化物析出。C是鋼中最有效的固溶強(qiáng)化元素之一，也是與Cr、Mn、Mo、V化合形成碳化物的元素。C含量越高，固溶強(qiáng)化效果越顯著但會(huì)損失沖擊韌性，通過將C提高沖擊韌性。C易偏析，同時(shí)過高的C易與碳化物形成元素化合形成大顆粒碳化物析出，影響沖擊韌性，通過降低C含量，降低偏析程度、改善碳化物析出尺寸，提高沖擊韌性，進(jìn)而獲得低組織內(nèi)應(yīng)力的成分體系。

（2）通過析出強(qiáng)化，彌補(bǔ)降C引起的強(qiáng)度損失，實(shí)現(xiàn)高硬度要求。通過Mo2C、VC等析出強(qiáng)化相在高溫回火時(shí)的析出強(qiáng)化作用，彌補(bǔ)降C引起的硬度、強(qiáng)度損失，同時(shí)使材料具有更優(yōu)異的抗回火軟化性能，可以實(shí)現(xiàn)更高溫度回火，降低大型預(yù)硬化模塊的組織應(yīng)力。

（3）推遲CCT曲線珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間，通過Mn、Mo、Cr、Ni匹配作用獲得更高淬透性。根據(jù)不同合金元素對(duì)貝氏體、珠光體轉(zhuǎn)變曲線推出的疊加或相乘作用關(guān)系，進(jìn)行合金元素匹配，盡可能推遲珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變時(shí)間，易于大型模塊心部組織的一致性。

（4）成分體系利于組織均勻、焊接性能優(yōu)異。通過采用低碳的設(shè)計(jì)，減輕組織偏析，同時(shí)獲得更優(yōu)異的焊接性能。

通過熱力學(xué)計(jì)算和相組成的預(yù)測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)采用Mo-V-Ni合金化、Mn-Mo-V-Ni合金化，能夠明顯增加高溫析出相含量，如圖3所示，進(jìn)而提高保持高溫區(qū)回火硬度（抗回火軟化性能），從而可以獲得更高的回火溫度，獲得更好的韌性。

圖3 成分設(shè)計(jì)不同體系材料的熱力學(xué)計(jì)算相組成分析

通過淬透性預(yù)測(cè)計(jì)算表明：采用Mo-V-Ni合金化、Mn-Mo-V-Ni合金化，能夠明顯提高淬火臨界直徑尺寸，提高淬透性，如表1所示。

表1 成分設(shè)計(jì)不同體系材料的淬透性臨界直徑預(yù)測(cè)計(jì)算

綜合文獻(xiàn)資料，借鑒國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品、熱力學(xué)計(jì)算、相組成的預(yù)測(cè)、淬透性預(yù)測(cè)，最終設(shè)計(jì)開發(fā)出了牌號(hào)為FS815的高硬度預(yù)硬化模塊品種，化學(xué)成分如表2所示。

表2 FS815成分 %

2.2 生產(chǎn)工藝流程

電爐+LF+VD→模鑄27t12角錠→高溫?cái)U(kuò)散處理→鍛造3，500t快鍛三鐓三拔成材→去氫退火→水-空交替冷卻淬火→兩次高溫回火→成品檢驗(yàn)→入庫。FS815成品模塊照片如圖4所示。

圖4 FS815成品模塊照片

3 結(jié)果及討論

3.1 低倍

在鋼材的橫截面上都會(huì)存在通常由液態(tài)凝固時(shí)產(chǎn)生的疏松和偏析，因而降低了鋼的強(qiáng)度和韌性，也嚴(yán)重的影響了加工后的表面粗糙度[1]。而大型模塊由于橫截面尺寸大，鑄錠澆鑄一般采用模鑄，在鑄錠內(nèi)部，鋼液以柱狀晶或等軸晶進(jìn)行凝固，更易形成枝晶組織，合金元素在枝晶間的微觀偏析更為嚴(yán)重[2]。FS815與1.2738相比，通過優(yōu)化成分設(shè)計(jì)，生產(chǎn)時(shí)采用低溫澆注，高溫?cái)U(kuò)散及多次鐓拔等工藝措施，使得FS815的低倍質(zhì)量相比于1.2738有較大幅度的改善，具體低倍質(zhì)量對(duì)比如圖5及表3所示。

圖5 低倍質(zhì)量對(duì)比

表3 低倍質(zhì)量對(duì)比

3.2 非金屬夾雜物

鋼種非金屬夾雜物在某種意義上可以看成是一定尺寸的裂紋，它破壞了金屬的連續(xù)性，引起應(yīng)力集中，在外界應(yīng)力的作用下，裂紋延伸很容易發(fā)展擴(kuò)大而導(dǎo)致模具失效。塑性夾雜物的存在，隨著鍛軋過程延伸變形，致使鋼材產(chǎn)生各向異性。同時(shí)夾雜物在拋光過程中的剝落，降低了模具的表面粗糙度[1]。為保證FS815鋼純凈度，電爐前期加強(qiáng)供氧，使熔池強(qiáng)烈沸騰；精煉期制定合理的脫氧制度，造高堿度渣冶煉生產(chǎn)，白渣保持時(shí)間≥30min，保證良好的脫氧、脫硫效果，VD過程采用真空氬氣攪拌，并加強(qiáng)軟吹，F(xiàn)S815鋼夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果如表 所示。

表4 非金屬夾雜物

3.3 模塊預(yù)硬化后硬度及顯微組織

FS815預(yù)硬化模塊采用水—空交替控時(shí)淬火冷卻技術(shù)進(jìn)行預(yù)硬化淬火冷卻，合理分配水淬和空淬的時(shí)間，確保模塊在不淬火開裂的情況下淬火后心部硬度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，F(xiàn)S815模塊現(xiàn)場(chǎng)淬火冷卻照片如圖6所示。

圖6 FS815預(yù)硬化淬火冷卻照片

（1）檢驗(yàn)結(jié)果取樣位置。

FS815成品預(yù)硬化模塊截面尺寸為600×1，200mm，模塊沿長(zhǎng)度方向在其頭部（相當(dāng)于鋼錠的冒口端）取30mm長(zhǎng)試片，并將試片沿模塊的厚度和寬度方向每隔300mm切取300×300mm方形試片8塊，其中3、4為本次檢驗(yàn)分析用試片，具體如圖7所示。

圖7 FS815

（2）硬度檢測(cè)結(jié)果.

硬度檢驗(yàn)結(jié)果范圍為38.3～40.1HRC，截面硬度差＜2HRC，具體如圖8所示。

圖8 FS815截面硬度檢測(cè)結(jié)果

（3）顯微組織檢測(cè)結(jié)果。

由左至右，由上至下對(duì)應(yīng)編號(hào)1#～28#，不同位置組織較均勻差異不大，為回火貝氏體和少量的下貝氏體組織，金相顯微組織如圖9所示、掃描電鏡組織如圖10所示。

圖9 FS815模塊橫截面不同位置金相顯微組織

圖10 FS815模塊橫截面不同位置掃描電鏡組織

3.4 拋光性能

FS815由于純凈度高，偏析輕，預(yù)硬化高后硬度高，因此其拋光可達(dá)到#5000以上鏡面效果，接近于10Ni3MnCuAl拋光性能，具體如圖11所示。其拋光過程：油石粗磨（由粗→細(xì):220#、320#、400#）→砂紙精磨（220#、280#、320#、400#、600#、800#、1000#、1200#。1500#）→鉆石膏（μm、9m6m3。

圖11 FS815拋光級(jí)別示意圖

3.5 蝕紋性能

蝕紋性能采用溶液FeCl3化學(xué)蝕紋，由于材料偏析輕、組織均勻，可以滿足汽車內(nèi)飾件高端的立體蝕紋要求，F(xiàn)S815蝕紋效果如圖12所示。

圖12 FS815蝕紋效果照片

4 結(jié)論

（1）撫順特鋼與鋼鐵研究總院合作研發(fā)的FS815預(yù)硬化模塊為1.2738類預(yù)硬化模塊的升級(jí)品種，通過化學(xué)成分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，F(xiàn)S815模塊預(yù)硬化后硬度可滿足用戶37～41HRC高硬度需求。

（2）通過對(duì)尺寸為600×1，200mm的FS815預(yù)硬化模塊取片分析，其純凈度高、低倍組織優(yōu)良、偏析輕、模塊整體顯微組織均勻、截面硬度偏差＜2HRC，可滿足用戶的高拋光和蝕紋需求，為國(guó)產(chǎn)化材料替代進(jìn)口提供了一種新型預(yù)硬化塑料模具鋼材料。