曹立軍，姚宏康，張長(zhǎng)春，陳海桐，潘成明，張海英

（1.唐山志威科技有限公司，河北唐山 064200；2.河北省工模具鋼技術(shù)創(chuàng)新中心，河北唐山 064200；3.唐山市工模具鋼研究與開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，河北唐山 064200）

1 引言

ZW863ESR 為我司自主開發(fā)的一種Cr-Mo-V 系熱作模具鋼，是在GB/T 1299-2014 4Cr5MoSiV、ASTM A681-2008 H11、DIN EN ISO 4957-2001 1.2343（X37CrMoV5-1）、NADCA#207-2016 GRADE D（Type H11/2343）基礎(chǔ)上進(jìn)行成分優(yōu)化設(shè)計(jì)，材料性能及穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。該鋼種具有良好的淬透性、組織均勻性、沖擊韌性、熱疲勞性、耐磨性及優(yōu)異的鏡面拋光性能。由于其優(yōu)異的綜合性能，廣泛應(yīng)用于熱鍛模、鋁型材擠壓模、鋁鎂合金壓鑄模、車燈模具[1～2]，其中，車燈模具要求最高。

本文根據(jù)車燈模具使用要求，并結(jié)合NADCA#207-2016[3]、SEP 1614-1996 等 國 際 通 用 標(biāo) 準(zhǔn)[4]，對(duì)ZW863ESR模具材料的實(shí)物指標(biāo)進(jìn)行分析，最終對(duì)拋光性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定滿足車燈模具拋光要求與材料關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的對(duì)應(yīng)性。為超鏡面車燈模具量產(chǎn)奠定理論基礎(chǔ)。

2 車燈模具使用要求

汽車車燈作為汽車的核心部件，在汽車工業(yè)中占據(jù)著舉足輕重的地位[5]。汽車車燈外觀要求高，其重要零件都是透明件、電鍍件等，可以說汽車外觀要求最高的零件就是車燈，因而對(duì)模具材料及制造要求極高[6]。車燈模具作為汽車燈具成型的主要工具，對(duì)模具拋光性能、耐磨性能及沖擊韌性有著極高的要求，尤其是鏡面拋光性能。

車燈根據(jù)位置可分為前大燈、尾燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈等，其中，前大燈要求最高。前大燈又分為燈罩及反光鏡。燈罩為透明塑料件（外觀件），不允許有斑點(diǎn)、收縮凹陷、熔接痕、飛邊等缺陷。反光鏡為表面鍍鉻件（電鍍件），對(duì)斑點(diǎn)的要求比燈罩更為苛刻，也是車燈模具中要求最嚴(yán)苛的部件。

3 模具材料關(guān)鍵技術(shù)要求

3.1 化學(xué)成分

化學(xué)成分要求如表1 所示。主要化學(xué)成分在NADCA#207-2016 GRADE D（Type H11/2343）等標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮窄范圍，并增加殘余元素要求及添加特殊元素。

表1 化學(xué)成分要求 %

3.2 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物要求如表2所示。非金屬夾雜物在NADCA#207-2016 S級(jí)基礎(chǔ)上增加Ds要求。

表2 非金屬夾雜物要求（級(jí)）

3.3 顯微組織

（1）火組織按NADCA #207-2016標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，合格級(jí)別滿足AS1-AS6。

（2）狀偏析按SEP 1614-1996 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，合格級(jí)別滿足SA1-SA4，SB1-SB4。

3.4 口沖擊性能

無缺口沖擊性能，采用7×10×55mm試樣，沖擊平均值≥320J，單個(gè)最小值≥280J。

4 模具材料開發(fā)工藝流程

采用建龍集團(tuán)高爐+轉(zhuǎn)爐+精煉+真空脫氣+連鑄流程精煉鋼作為電極母材，經(jīng)保護(hù)氣氛電渣+高溫均質(zhì)化處理+多向鍛造成型+超細(xì)化處理，獲得高純凈度、組織均勻、高韌性車燈模具鋼材料。

4.1 坯料純凈度及電渣重熔質(zhì)量控制

從拋光性能的主要影響因素—麻點(diǎn)出發(fā)，控制原始坯料的純凈度，尤其是大顆粒球狀氧化物夾雜。坯料采用高爐鐵水≥70%的裝爐方式進(jìn)行轉(zhuǎn)爐冶煉，保證P、S 及殘余元素含量，鋼水經(jīng)精煉及真空脫氣，保證氣體含量，進(jìn)行無鈣化處理工藝[7]，在保證鋼水可澆性的條件下，并連鑄成型，獲得高純凈度電極坯料。

連鑄電極坯經(jīng)進(jìn)口恒熔速保護(hù)氣氛電渣重熔，冶煉錠型為?1,100mm，原始枝晶偏析及宏觀成分偏析得到明顯改善，獲得致密度、結(jié)晶組織、枝晶偏析及截面成分均勻性良好的電渣錠。

4.2 高溫均質(zhì)化及熱變形質(zhì)量控制

ZW863ESR為Cr-Mo-V系熱作模具鋼，鋼種主要合金元素Cr、Mo、V為強(qiáng)碳化物形成元素，在凝固過程易與碳結(jié)合形成M23C6、M6C及MC型碳化物，造成原始枝晶偏析，嚴(yán)重時(shí)將在枝晶間形成液析碳化物。根據(jù)鋼種合金含量及碳化物類型特點(diǎn)，采用鍛前1,260℃長(zhǎng)時(shí)間高溫均質(zhì)化處理，有效溶解原始MC型碳化物，并使得枝晶干與枝晶間碳及合金元素得到短程擴(kuò)散，對(duì)改善電渣錠原始枝晶偏析效果良好。

高溫均質(zhì)化的電渣錠再進(jìn)行多向鍛造成型，充分破碎未溶解、擴(kuò)散的枝晶偏析，進(jìn)一步改善偏析程度，均勻組織。

4.3 預(yù)備熱處理質(zhì)量控制

鍛后采用1,060℃高溫固溶處理，進(jìn)一步溶解高熔點(diǎn)碳化物，得到均勻的固溶體，并采用水空交替的冷卻方式，控制模塊中心冷速，避免碳化物沿晶界析出。在固溶處理后進(jìn)行等溫球化退火，改善組織均勻性的同時(shí)細(xì)化晶粒，從而達(dá)到超細(xì)化處理的目的。經(jīng)預(yù)備熱處理，獲得組織均勻、晶粒細(xì)小的球化組織，為模具最終熱處理創(chuàng)造良好的組織條件。

5 模具材料實(shí)物指標(biāo)及性能

對(duì)試制的300×1,100mm及560×1,100mm模塊，分別進(jìn)行化學(xué)成分、氣體、低倍組織、非金屬夾雜、顯微組織、晶粒度、無缺口沖擊、超聲波探傷及拋光性能檢測(cè)。

5.1 化學(xué)成分及氣體

化學(xué)成分實(shí)物指標(biāo)如表3所示。

表3 化學(xué)成分實(shí)物指標(biāo) %

氣體實(shí)物指標(biāo)如表4所示。

表4 氣體實(shí)物指標(biāo) ppm

氣體O、N、H控制良好，符合技術(shù)要求。

5.2 低倍組織

在模塊冒口端取片，經(jīng)酸浸腐蝕后，檢驗(yàn)橫截面低倍組織，無肉眼可見的白點(diǎn)、夾雜、裂紋、皮下氣泡、翻皮和分層等缺陷。中心疏松和錠型偏析按GB/T 1299 第三級(jí)別圖評(píng)定，一般疏松按GB/T 1979 評(píng)定，均符合≤1.0級(jí)要求。低倍組織實(shí)物指標(biāo)如表5所示。

表5 低倍組織實(shí)物指標(biāo)（級(jí)）

5.3 非金屬夾雜物

在冒口端低倍片上取樣，檢驗(yàn)非金屬夾雜物，按GB/T 10561-2005 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)，試驗(yàn)?zāi)K純凈度良好，無0.5級(jí)以上非金屬夾雜。

非金屬夾雜物實(shí)物指標(biāo)如表6所示。

表6 非金屬夾雜物實(shí)物指標(biāo)（級(jí)）

5.4 顯微組織

試樣分別取自300×1,100mm、560×1,100mm 模塊截面中心位置，試樣經(jīng)拋光及4%硝酸酒精腐蝕后觀察縱截面顯微組織。

在50×下觀察，無明顯帶狀及液析碳化物，按SEP 1614-1996 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，帶狀偏析達(dá)到SA1。在500×下觀察，退火組織由鐵素體基體上均勻分布的球狀碳化物組成，無鏈狀碳化物及大塊鐵素體，按NADCA#207-2016 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)定，退火組織達(dá)到AS3。具體帶狀及球化組織如圖1所示。

5.5 晶粒度

試樣經(jīng)1,000±10℃奧氏體化、保溫30min，分級(jí)淬火至700℃保溫30min，然后空冷至室溫。按GB/T 6394進(jìn)行評(píng)級(jí)，晶粒度均達(dá)到8.0級(jí)以上。

5.6 無缺口沖擊性能

試樣分別取自300×1,100mm、560×1,100mm 模塊截面中心位置，取短橫方向（ST）及縱向（L）無缺口沖擊試樣，試樣尺寸7×10×55mm，試樣經(jīng)1,000±10℃奧氏體化，保溫30min，油淬，至少回火2次，確保最終硬度44～46HRC。橫縱向無缺口沖擊及等向性如表7及圖2所示。

表7 橫縱無缺口沖擊及等向性實(shí)物指標(biāo)

5.7 拋光性能

試樣分別取自300×1,100mm、560×1,100mm 模塊冒口端截面中心位置，試樣熱處理至硬度46～48HRC，進(jìn)行拋光性能檢驗(yàn)，拋光亮度均達(dá)到12000#，無明顯麻點(diǎn)及料紋?？蓾M足高端車燈模具拋光性能要求。拋光檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

表8 拋光檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)束語

經(jīng)以上流程開發(fā)的ZW863ESR獲得高純凈度、高均勻性、高韌性車燈模具鋼材料，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)可滿足NADCA#207-2016 標(biāo) 準(zhǔn)GRADE D（Type H11/2343）相關(guān)技術(shù)要求，沖擊試樣在44～46HRC 硬度下，橫向無缺口沖擊功達(dá)到320J 以上，等向性達(dá)到0.9 以上，拋光試樣在46～48HRC 硬度下，拋光亮度達(dá)到12000#，可滿足高端車燈模具使用要求。