（东北特钢集团北满特殊钢有限责任公司 黑龙江省齐齐哈尔市 161041）
摘要：目前，我国模具工业体系已基本完善，产品结构日趋合理。“十二五”期间，我国模具制造业致力于转型升级，而模具钢作为模具制造的基础，其研发速度只有超前于下游企业的需求，才能保证我国模具制造业竞争力大幅提高。本文分析了低碳模具钢的轧制与热处理工艺。
关键词：低碳模具钢；轧制；热处理工艺；
中国模具工业协会在制定的《模具行业“十二五”发展规划产品发展重点》中指出，要大力发展高性能模具材料，如大型预硬化塑料模具钢模块、新型耐蚀塑料模具钢、低成本高寿命热作模具钢、抗拉强度大于800MPa的高强度钢板冲模钢等。
一、概述
我国模具工业发展迅速，塑料制品被广泛用于农业、机械、化工、建筑、玩具、日用品、汽车、灯具、家用电器等领域，需求量大，质量要求高。在模具总量中占比最高、支撑塑料制品业的塑料模具市场，“十二五”期间也将会以较高的增长速度发展。模具钢需求量的急速增加，对其使用性能、工艺性能提出了更高要求。然而，目前我国对塑料模具选材比较混乱，影响了模具使用寿命，也影响了塑料制品质量和市场竞争力，亟须通过研制、引进、补充完善钢种，建立适合我国发展要求的模具钢系列，使模具钢冶炼、质量控制、供货、选材、加工和使用水平再上一个新的台阶。先进的控锻、控冷工艺是非调质强韧化工艺中重点研究的技术，对加热温度、始锻温度、终锻温度、锻造比、冷却速度等工艺参数的选择是控锻、控冷工艺的关键。深入研究非调质强韧化工艺，掌握工艺参数对非调质钢组织和力学性能的影响，是保证钢种性能的基础环节。通过不同热处理工艺处理得到相应的组织形态，而后通过对刀具磨损情况、切削力、车削表面粗糙度的测试，讨论组织形态对模具钢切削加工性能的影响。结果表明，不同微观组织对应的硬度不均匀性显著影响钢的表面加工质量。
二、低碳模具钢的轧制与热处理工艺
1.试验材料与方法。对试验钢在未变形和变形条件下的连续冷却转变曲线进行了测试，在准450mm 热轧机组上对模具钢进行了不同轧制工艺的轧制试验，轧制道次为13 次，其中粗轧5次，精轧8 次，轧制变形量约为88%，终轧厚度为20mm。A、B、C 和D 四种工艺下的轧制冷却速度为0.03～0.1、0.3～1.0、5～10、5～10℃/s。其中，A、B 和C 组试样的差别在于冷却方式，C 和D 组试样的差别在于轧制方式不同。不同状态的试样在HV-1000 型维氏硬度计上测试不同区域的硬度，加载200 g，持续30 s；金相试样经过打磨抛光后在OLYMPUS 型金相显微镜下观察，腐蚀试剂为4%硝酸酒精。
2.结果与分析
（1）轧制工艺。经过4 种轧制工艺处理后的模具钢试样， 经过加工成拉伸试样后进行力学性能测试。可以看出，在轧制工艺A～C 下，随着冷却速度的增加，模具用钢的屈服强度逐渐增加，而抗拉强度略有增加，伸长率降低。冷却速度对屈服强度的影响较为明显。在工艺C 和D 下，采用两段式轧制(工艺C) 模具钢的抗拉强度和屈服强度都比工艺D 的模具钢高， 但是伸长率略低。这是因为在奥氏体再结晶区和未再结晶区进行轧制都是以细化铁素体晶粒大小为目的，而在奥氏体未结晶区轧制收的拉长变形的晶粒再两段轧制时能够进一步细化， 从而获得更高的强度。从4 种轧制工艺下模具钢的力学性能测试结果中还可以看出，在工艺A 和D 下试样的强度较低，这是因为工艺A 轧制下的冷却速度较低，铁素体组织容易粗化，而在工艺D 轧制下由于采用奥氏体再结晶区一段轧制， 细化晶粒的效果不是非常明显，因此强度会偏低。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆以每一个区域3 点的硬度的平均值作为测试结果； 冲击功试样的截取为截取横向冲击试样3 个，测量其室温冲击功的平均值作为测试结果。随着冷却速度的增加，模具钢的上表面硬度、中心硬度和下表面硬度都逐渐增加， 且上下表面的硬度都略高于中心硬度，但是误差都在20HV 以内，满足了硬度均匀性分布的要求； 中心硬度要低于表面硬度是由于心部的冷却速度低于表面，从而使得心部的碳扩散更加充分，晶格畸变少而强大更低，在宏观上表现为硬度降低。从室温冲击功的测试结果来看，4 种轧制工艺下的模具钢的冲击功都满足塑料模具钢冲击功≥45J 的要求。其中，工艺A 与B 试样的冲击功接近约为110J， 工艺C 与D 试样的冲击功接近，但是工艺C 和D 试样的冲击功都明显高于工艺A 和B 试样的冲击功；随着冷却速度的增加，模具钢的冲击功逐渐增加；在同一冷却速度下，一段式轧制的冲击功略高于两段式轧制试样。整体而言，模具用钢的冲击功受冷却速度的影响较为显著，这是因为模具钢的强韧性主要由晶粒大小决定，而在较低的冷却速度下可以获得更细的铁素体晶粒，同时生成的细小贝氏体含量也在增加，模具用钢的冲击功得到提高。
（2）轧后热处理。在轧制工艺的研究中，工艺A 和D 试样的力学性能较低，因此对工艺A 和D 轧制试样进行进一步的轧后调质热处理。试验模具钢的Ac3 温度为921℃，因此选定淬火温度为Ac3+50℃=970℃，作为试验用模具钢的淬火温度，保温时间为15 min，冷却方式为油冷，随着回火温度的升高，工艺A 和D 模具钢的硬度逐渐降低， 且两组试样钢的硬度在同一回火温度下基本相同。由此可见，经过回火调质处理后，模具用钢轧制态的硬度差异得到消除。经过淬火处理后模具钢的组织主要为淬火马氏体或者马氏体+ 残余奥氏体组织，而这两种组织都处于亚稳定状态，都有向铁素体+ 渗碳体转化的趋势，但是这种转化需要一定的温度和时间才能达到，因此为了获得稳定的组织和性能， 需要对模具钢进行回火处理。经过淬火处理后，工艺A 与D 试样的组织都是马氏体+贝氏体组织，同时可以清楚地看到奥氏体晶界，说明经过970℃的淬火处理后试样得到了充分的奥氏体化。经过560℃回火处理后，组织中出现了具有马氏体位向的回火托氏体组织， 也可以明显地观察到奥氏体晶界相以针状形态存在， 工艺A 和D 试样的回火态组织较为相似。在这个过程中，由于马氏体完全分解、碳化物转变成细粒状的渗碳体并发生聚集球化，使得组织中的晶格畸变程度降低，内应力得到消除。随着回火温度的升高，奥氏体晶界将逐渐消失，碳化物不断聚集长大，内应力得到消除，模具钢的硬度降低，而室温冲击功增加。
三、发展预测
今后，我国对降低模具制造成本和缩短模具制造周期的要求将日益提高。
1.在降低模具制造成本方面，宜采用比现行模具钢低一个等级的模具钢进行替代，这就需要对较低等级的钢种充分发掘潜力，在不增加或少增加制造成本的基础上提高质量。相应的研究工作包括优化合金设计，提高冶炼质量，更精确地控制相变组织等。
2.在缩短模具制造周期方面，预硬化钢的应用将会不断扩大。随着树脂成型材料的高强度化，高强度塑料模具钢的需求将会不断增长。预硬化钢虽然在缩短模具制造周期方面具有优势，但对配套切削加工技术提出很高要求。为了能够更好的使用40HRC以上的预硬化钢，需要大幅提高包括切削刀具在内的切削技术。可以预见，随着切削技术的进步，在不久的将来，高硬度预硬化塑料模具钢会得到广泛应用。
随着冷却速度的增加，模具钢的屈服强度逐渐增加，而抗拉强度略有增加，伸长率降低，模具钢生产技术水平这种实力成为决定产品质量和利润的关键。本文分析了低碳模具钢的轧制与热处理工艺，以供参考。
参考文献：
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[2]“十二五”大力发展国产优质模具钢[J].模具工业,2015,37(4):77.
[3]李保健,钟利萍.国内模具材料发展及其应用[J].新技术新工艺,2015(4):67-70.
论文作者:郭孝凯
论文发表刊物:《电力设备》2017年第27期
论文发表时间:2018/1/26
标签：试样论文; 模具钢论文; 工艺论文; 硬度论文; 奥氏体论文; 组织论文; 模具论文; 《电力设备》2017年第27期论文;