井ノ口貴之

于 紅（譯）

（東北特殊鋼集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116105）

1 引言

大部分塑件依靠模具射出成型，塑件從日用透明塑件到各種產(chǎn)業(yè)機(jī)械成型零部件，遍及各個(gè)領(lǐng)域，塑料成型塑件的需求量也日益增長(zhǎng)。為了獲得優(yōu)良透明的塑件，成型模具需要進(jìn)行研磨和鏡面加工，特別是對(duì)于射出成型光學(xué)透鏡、DVD 等塑件，優(yōu)良的鏡面加工性能是塑料模具的重要性能之一。

鏡面研磨時(shí)大多采用機(jī)械拋光，所謂機(jī)械拋光加工，就是依靠切削或使材料表面發(fā)生塑性變形而去掉工件表面凸起部分得到光滑面的加工方法。使用氧化鋁砂紙、油石等，壓在工件被加工表面，作旋轉(zhuǎn)循環(huán)運(yùn)動(dòng)的拋光方法。

鏡面拋光中出現(xiàn)的典型缺陷是針孔、橘皮紋、起伏、暗紋等問(wèn)題，其中局部出現(xiàn)的微小孔洞狀缺陷稱(chēng)之為針孔，占較大比例。主要表現(xiàn)為模具拋光表面呈現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)微小凹坑，最嚴(yán)重的時(shí)候會(huì)造成整個(gè)模具報(bào)廢。

鏡面加工性最便捷的檢驗(yàn)方法常常采用目測(cè)等人工感知的方法進(jìn)行檢驗(yàn)，定量評(píng)價(jià)采用粗糙度儀[1]，近期試行采用反射率評(píng)價(jià)鏡面加工性[2～4]。

研磨方法、碳化物及非金屬夾雜物等因素造成的拋光過(guò)程出現(xiàn)的針孔問(wèn)題有過(guò)相關(guān)文獻(xiàn)介紹[5]。主要的非金屬夾雜物，如硫化物、氧化物、氮化物及其復(fù)合夾雜物。清水崇行等進(jìn)行了非金屬夾雜物與反射率間關(guān)系研究[2]，明確隨著非金屬夾雜物的增加針孔數(shù)量隨之增加。然而，針孔缺陷的產(chǎn)生與非金屬夾雜物種類(lèi)的關(guān)系及具體實(shí)例未曾有過(guò)具體實(shí)例說(shuō)明，同時(shí)研磨過(guò)程中針孔動(dòng)態(tài)產(chǎn)生過(guò)程尚未有系統(tǒng)相關(guān)論述。

以抑制和減少拋光過(guò)程中針孔的產(chǎn)生為宗旨，采用不同非金屬夾雜物類(lèi)型、不同組成、含量、尺寸的碳化物的試料進(jìn)行試驗(yàn)研究，經(jīng)粗磨至拋光的過(guò)程中，對(duì)各個(gè)研磨階段的表面進(jìn)行觀(guān)察，闡述了非金屬夾雜物及碳化物對(duì)針孔產(chǎn)生的影響。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料的選取

在廣泛應(yīng)用的塑料成型模具中，按照成分和冶煉方法選取具有代表性的6個(gè)鋼種，各鋼種的具體情況如表1所示。

表1 試料特性

（1）PX5。PX5 鋼，作為淬回火硬度30HRC 級(jí)的廣泛應(yīng)用的P20 系列塑料模具鋼，添加S 元素形成MnS 改善切削加工性能，采用真空脫氣冶煉，易形成氧化物夾雜。

（2）NAK55。NAK55 鋼，作 為 析 出 硬 化 硬 度40HRC 級(jí)的廣泛應(yīng)用易切削的P21 系列預(yù)硬化塑料模具鋼，含有MnS改善切削加工性。采用電渣重熔冶煉可以有效減少非金屬夾雜，Al 元素添加鋼，易形成以AlN為形核的MnS夾雜。

（3）NAK80。NAK80 鋼，作 為 析 出 硬 化 硬 度40HRC 級(jí)的廣泛應(yīng)用的高級(jí)鏡面析出硬化鋼，和NAK55一樣采用電渣重熔冶煉，具有良好的切削加工性能，要求具有優(yōu)良的鏡面加工性，純凈度要求非常高。然而，由于添加Al元素，也易形成AlN夾雜。

（4）PD613。PD613 鋼，作為淬回火硬度60HRC的冷作模具鋼，適用于各種射出成型塑料模具、工程樹(shù)脂模具，要求具有良好的耐磨性，其組織中不可避免的含有細(xì)微碳化物。

（5）D-STAR。D-STAR 鋼，作 為 淬 回 火硬 度50HRC級(jí)的不銹鋼系列超高級(jí)鏡面塑料模具鋼，適用于光學(xué)儀器的透明塑件等，特別是高級(jí)鏡面模具。沿用SUS420J2系列成分，采用電渣重熔冶煉，最大限度降低非金屬夾雜物，具有非常高的純凈度。

（6）SUS630。SUS630鋼，作為40HRC硬度級(jí)的不銹鋼系列高級(jí)耐蝕模具鋼。較SUS420J2鋼具有很高的耐蝕性、熱處理變形小的特點(diǎn)。經(jīng)真空精煉冶煉存在微量氧化物夾雜。

2.2 試驗(yàn)材料的取樣方法

選用的試料，全部采用厚、寬度方向的中心位置切取試樣，試料尺寸：長(zhǎng)度、寬度各50mm，厚度約10～15mm，對(duì)應(yīng)其長(zhǎng)及寬度方向的面（50×50mm）進(jìn)行研磨、觀(guān)察。

2.3 研磨及觀(guān)察方法

試料經(jīng)機(jī)械加工后進(jìn)行研磨。研磨方法：磨石600#，砂紙400#～1500#，鉆石研磨膏9μm（1800#），6 μm（3000#），3μm（8000#）依次進(jìn)行，從砂紙1500#開(kāi)始到研磨膏的3個(gè)階段合計(jì)共4個(gè)階段進(jìn)行觀(guān)察。在光學(xué)顯微鏡下觀(guān)察非金屬夾雜物及碳化物的分布情況。

非金屬夾雜物的類(lèi)型及組成采用掃描電鏡分析，研磨表面采用キ-エンス制造的微分干涉儀VHX-500進(jìn)行觀(guān)察。此外，進(jìn)一步測(cè)定采用原子間力顯微鏡和激光顯微鏡，詳細(xì)觀(guān)察非金屬夾雜物的脫落和表面缺陷的形成過(guò)程以及缺陷的形貌。

3 6種鋼的試驗(yàn)結(jié)果

（1）PX5。

PX5 的顯微組織如圖1 所示，MnS 為主體非金屬夾雜，與部分氧化物并存，經(jīng)不同階段研磨后微分干涉圖像如圖2所示。經(jīng)1500#砂紙研磨后可以清晰的觀(guān)察到非金屬夾雜物的形貌。而針孔的形貌要經(jīng)1800#以上砂紙研磨后方可觀(guān)察到。

圖1 PX5的顯微組織

圖2 PX5逐步精細(xì)拋光的微分干涉儀研究

如圖3所示，以MnS為主體的非金屬夾雜物內(nèi)部硬質(zhì)夾雜物脫落后針孔形貌。軟質(zhì)的硫化物與硬質(zhì)氧化物共存，氧化物夾雜逐漸顯現(xiàn)的形態(tài)。

圖3 PX5上的針孔顯微鏡觀(guān)察

（2）NAK55。

NAK55 的顯微組織如圖4 所示。非金屬夾雜物以MnS 為主體，圖5 所示為與硬質(zhì)夾雜物共存的狀態(tài)。經(jīng)過(guò)不同階段研磨后試片的微分干涉計(jì)下形貌如圖6 所示。與PX55 一樣經(jīng)1500#研磨后可見(jiàn)明顯的非金屬夾雜，更清晰的形態(tài)要在經(jīng)3000#以上的研磨后才能觀(guān)察到。圖7所示為在8000#研磨后激光顯微鏡觀(guān)察到的MnS 形態(tài)，MnS 寬約5μm，長(zhǎng)約50μm，對(duì)應(yīng)深約1μm左右，夾雜物斷面形狀寬深比為5。

圖4 NAK55的顯微組織

圖5 含硬質(zhì)夾雜物的MnS

圖6 NAK55逐步精細(xì)拋光的微分干涉儀研究

圖7 NAK55上針孔的激光顯微鏡觀(guān)察

圖8所示為MnS內(nèi)部針孔EDX分析結(jié)果，經(jīng)確認(rèn)為AlN，推斷由于MnS優(yōu)先被研磨掉、消失，AlN殘留。

圖8 NAK55上針孔的激光顯微鏡觀(guān)察

（3）NAK80。

NAK80顯微組織如圖9所示，有少量非金屬夾雜物存在，不同階段研磨后數(shù)字顯微鏡觀(guān)察如圖10 所示。經(jīng)過(guò)1800#研磨表面未見(jiàn)針孔存在，經(jīng)3000#以上研磨后可見(jiàn)明顯針孔。針孔及周?chē)鶶EM-EDX分析如圖11 所示。與NAK55 一樣，有AlN 夾雜存在。圖12所示為針孔斷面激光顯微鏡觀(guān)察，外觀(guān)寬度約5～10 μm，對(duì)應(yīng)深度約1.5～2μm，斷面形態(tài)比大約不大于2～7。

圖9 NAK80的顯微組織

圖10 NAK80逐步精細(xì)拋光的微分干涉儀研究

圖11 NAK80上針孔的激光顯微鏡觀(guān)察

圖12 NAK80上針孔的激光顯微鏡觀(guān)察

（4）PD613。

PD613 顯微組織如圖13 所示，存在共晶碳化物，不同階段研磨后顯微鏡下觀(guān)察如圖14所示。

圖13 PD613的顯微組織

圖14 PD613逐步精細(xì)拋光的微分干涉儀研究

經(jīng)1500#砂紙研磨后可見(jiàn)針孔，1800#以后呈現(xiàn)多發(fā)針孔，顯微組織可以觀(guān)察到碳化物彌散分布，碳化物作為模具材料中硬質(zhì)點(diǎn)相，硬度高，研磨難度較大。然而，隨著拋光研磨磨料粒度變小，凹狀的針孔數(shù)量隨之增加。碳化物的尺寸大部分在10μm 左右，對(duì)應(yīng)出現(xiàn)針孔的磨料粒度尺寸約9μm。圖15所示為原子間力顯微鏡觀(guān)察的針孔形貌，可見(jiàn)明顯角狀邊界存在。

圖15 PD613上針孔原子力顯微觀(guān)察

（5）D-SRAR。

D-STAR的顯微組織如圖16所示，未觀(guān)察到明顯的非金屬夾雜物。不同階段研磨后微分干涉儀觀(guān)察形貌如圖17 所示。經(jīng)8000#研磨拋光后也未觀(guān)察到針孔。此鋼具有良好的鏡面加工性性，經(jīng)確認(rèn)可以具備經(jīng)14000#以上打磨的鏡面要求。

圖16 D-STAR的顯微組織

圖17 D-STAR逐步精細(xì)拋光的微分干涉儀研究

（6）SUS630。

如圖18 所示，SUS630 的顯微組織。各階段研磨時(shí)數(shù)字顯微鏡組織如圖19所示，針孔缺陷非常少，可以觀(guān)察到直徑?1μm左右的凸?fàn)钗⒘?。拋光后?jīng)細(xì)致觀(guān)察存在尺寸接近的凹坑，凹坑部分原子間力顯微鏡觀(guān)察如圖20所示，此針孔外形尺寸，經(jīng)精確觀(guān)察針孔直徑約2μm，深約50nm（0.05μm）。

圖18 SUS630的顯微組織

圖19 SUS630逐步精細(xì)拋光的微分干涉儀研究

圖20 SUS630上針孔原子力顯微觀(guān)察

4 結(jié)果分析

模具材料中碳化物、硫化物、氮化物、氧化物等各種夾雜物經(jīng)不同階段研磨后，碳化物及各種非金屬夾雜物對(duì)針孔的影響有明顯的差異。

（1）軟質(zhì)粒子（硫化物）。

對(duì)于PX5和NAK55含有硫化物的模具材料，硫化物尺寸比氮化物、氧化物類(lèi)非金屬夾雜物外形尺寸大，大約10～100 倍。模具材料中的軟質(zhì)塑性?shī)A雜物被優(yōu)先磨平，來(lái)自研磨初期對(duì)拋光表面的不同色差，影響程度可以肉眼識(shí)別。一般情況下，從色差和反射率方面影響鏡面加工效果。

例如，采用1500#研磨，對(duì)應(yīng)材料中寬只有10μm的非金屬夾雜物，研磨劑粒度大時(shí)非金屬夾雜物內(nèi)部無(wú)法被優(yōu)先研磨。因此，使用不同粒度的磨料，對(duì)于不同尺寸的非金屬夾雜物進(jìn)行研磨拋光時(shí)，鏡面加工性就會(huì)表現(xiàn)不同的級(jí)別。普遍認(rèn)為，硫化物尺寸細(xì)小可以使鏡面加工性明顯提高。

（2）硬質(zhì)粒子（碳化物、氧化物、氮化物）。

碳化物、氧化物、氮化物在模具鋼材料中硬度高，屬于相對(duì)難研磨的相。所以粗磨時(shí)呈凸?fàn)钗⒘Ｗ?，?dāng)拋光磨料粒度大小接近硬質(zhì)粒子尺寸時(shí)更容易脫落而形成針孔。

觀(guān)察PD613的碳化物尺寸10μm，則在1800#磨料粒度9μm 研磨下開(kāi)始脫落。觀(guān)察NAK80 中AlN 夾雜約5μm，磨料粒度6μm 時(shí)脫落。觀(guān)察SUS630 氧化物約1～3μm左右，經(jīng)磨料粒度3μm開(kāi)始脫落僅少數(shù)保留下來(lái)。以上事例說(shuō)明，拋光過(guò)程中針孔的形成，與磨料粒度尺寸、硬質(zhì)非金屬夾雜物粒子的大小近似程度相關(guān)。

（3）軟質(zhì)粒子+硬質(zhì)粒子。

以硫化物為主體的軟質(zhì)非金屬夾雜物，部分是和硬質(zhì)夾雜粒子共存的，打磨過(guò)程中硬質(zhì)粒子表現(xiàn)為更加容易脫落。也就是，硬質(zhì)粒子周?chē)能涃|(zhì)夾雜優(yōu)先被研磨時(shí)，硬質(zhì)粒子保持力在研磨過(guò)程中變?nèi)酢?/p>

5 結(jié)論

關(guān)于模具材料鏡面加工性針孔缺陷的產(chǎn)生：碳化物、硫化物、氮化物、氧化物的影響分析如下：

（1）軟質(zhì)塑性非金屬夾雜物（硫化物）通過(guò)優(yōu)先被研磨后形成針孔，而硬質(zhì)脆性的非金屬夾雜物（氮化物、氧化物）和其他碳化物，通過(guò)剝落形成針孔。

（2）針孔的形態(tài)取決于非金屬夾雜物的類(lèi)型。對(duì)于軟質(zhì)的塑性非金屬夾雜物來(lái)說(shuō)具有淺而寬的形貌，而對(duì)于脆性硬質(zhì)的非金屬夾雜物呈深而窄的形貌。

（3）拋光時(shí)磨料粒度大的情況下，無(wú)論是被優(yōu)先研磨還是剝落，出現(xiàn)針孔的情況較少。然而，粒度小會(huì)增加針孔的數(shù)量。

（4）當(dāng)磨料粒度與硬質(zhì)夾雜顆粒粒度尺寸接近時(shí)，硬質(zhì)夾雜物和碳化物更容易脫落。

（5）當(dāng)硬質(zhì)脆性?shī)A雜物與軟質(zhì)塑性?shī)A雜物混合分布時(shí)，打磨過(guò)程中比其單獨(dú)分布更容易脫落。

綜上，鏡面加工過(guò)程中抑制針孔的產(chǎn)生，在拋光方面應(yīng)該注意：①磨料粒度細(xì)小，非金屬夾雜物容易引起針孔發(fā)生，接近拋光完成時(shí)有必要保留最一定的研磨余量；②硬質(zhì)夾雜物脫落時(shí)產(chǎn)生針孔較深，同樣粒度下繼續(xù)研磨，針孔難以去除，宜采用從較粗的研磨開(kāi)始重新研磨拋光去除。