塑料模具鋼是非金屬成形模中用量最大的一種模具，除要求有一定強度、韌性、硬度外，還對鋼的冷加工性能、熱處理工藝性能、鏡面性能、光潔度、蝕刻性能、耐磨性能、抗磨損性能等有特殊的要求。

一、試驗材料

4Cr13屬于馬氏體類型不銹鋼，經(jīng)熱處理后，具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、拋光性能、較高的強度和耐磨性，適宜制造承受高負(fù)荷、高耐磨及在腐蝕介質(zhì)作用下的塑料模具、透明塑料制品模具。

4Cr13塑料模具鋼的化學(xué)成分如表1所示。

實際生產(chǎn)中要盡可能降低P、S含量，降低鋼中H、O、N含量，一般要求H含量≤2ppm。要采用有效的工藝措施，提高鋼水純凈度和表面質(zhì)量，減少鋼錠的偏析、縮孔和疏松。

二、技術(shù)要求

（1）非金屬夾雜物合格級別見表2，檢驗標(biāo)準(zhǔn)按GB/T10561—2005執(zhí)行。

（2）鍛件表面質(zhì)量及超聲檢測要求：

（a）不允許有目視可見的裂紋、縮孔、折疊等缺陷；

（b）單個φ2mm~φ3mm缺陷的個數(shù)不得超過3個，φ3mm~φ4mm缺陷的個數(shù)不得超過1個；

（c）長條或密集形點狀不連續(xù)的當(dāng)量平底孔直徑≤φ2mm。 

三、工藝流程

4Cr13模塊的規(guī)格范圍為：寬度:800mm~1000mm，厚度:160mm~500mm，采用5t~11t鎮(zhèn)靜鋼錠制造。

工藝流程：鋼錠熱送—入爐加熱—鍛造—熱處理一鍛件檢驗—入庫。

3.1鍛造加熱

鍛造加熱過程的主要參數(shù)是加熱溫度和保溫時間。鋼錠的加熱溫度和保溫時間是根據(jù)鋼錠的材質(zhì)和斷面尺寸等因素進(jìn)行選取的。

為了防止因低溫性能差而出現(xiàn)過大的組織應(yīng)力，要求在低溫下緩慢加熱。

因此，鋼錠加熱時采用650~700℃保溫，然后緩慢升溫到800~850℃，升溫速度≤50℃/h。由于850℃以上鋼錠的導(dǎo)熱性能很好，為了防止晶粒過分長大,影響鍛造性能,所以在850℃以后快速加熱到始鍛溫度。

鍛造加熱曲線如圖1所示。

對首次生產(chǎn)的4Cr13塑料模具鋼模塊進(jìn)行超聲檢測，在整個工件中心部位均發(fā)現(xiàn)φ2mm以上的密集型缺陷,進(jìn)而對缺陷部位進(jìn)行高倍檢查,發(fā)現(xiàn)顆粒狀碳化物條帶。

由于4Cr13塑料模具鋼在生產(chǎn)過程中屬于高碳鋼,而且合金含量比較高,極易出現(xiàn)微觀偏析的現(xiàn)象,在鋼錠加熱過程中通過提高始鍛溫度和增加保溫時間,進(jìn)行高溫擴散,可有效降低偏析程度,實現(xiàn)化學(xué)成分均勻化，保證鍛件的內(nèi)部質(zhì)量。

改進(jìn)的加熱工藝如圖2所示。

3.2鍛造工藝

根據(jù)公司設(shè)備及工裝輔具情況,鍛造過程采用兩墩兩拔，并對墩粗過程進(jìn)行數(shù)值模擬,以確定最優(yōu)墩粗高度。

墩粗采用上墩粗板和下漏盤，采用模擬軟件deform-3d對墩粗過程進(jìn)行模擬。模擬墩粗工藝建立的幾何模型如圖3所示。

不同壓下量情況下鍛件的等效應(yīng)變情況如圖4所示。

鋼錠在凝固過程中不可避免地存在疏松、縮孔、非金屬夾雜物等冶金缺陷。

為了破碎鋼錠的鑄態(tài)組織,鍛合鋼錠內(nèi)部的疏松、孔洞等缺陷，應(yīng)有足夠的變形量，缺陷周圍為負(fù)的靜水壓力，合適的鍛造溫度和保溫時間;孔隙表面未被氧化,不存在非金屬夾雜物。圖4中給出了不同壓下量的情況下坯料等效應(yīng)變的分布情況。

從圖4可以看出,在墩粗過程中,除與上墩粗板和下漏盤接觸處外，坯料心部先開始變形;并且隨著壓下量的不斷增大,心部等效應(yīng)變逐漸增大,而且最大等效應(yīng)變發(fā)生在坯料心部，等效應(yīng)變最小區(qū)域發(fā)生在上下接觸面部分。

當(dāng)坯料壓下量在50%時，坯料大部分區(qū)域等效應(yīng)變達(dá)到0.625以上，心部等效應(yīng)變達(dá)到1，而上下與工輔具接觸處等效應(yīng)變小于0.25，可以通過后續(xù)拔長過程進(jìn)行進(jìn)一步壓實，以保證心部質(zhì)量。

大鋼錠中心部位雜質(zhì)較多,疏松、殘余縮孔較嚴(yán)重,不易完全被鍛合,主要是由于鍛不透所致。因此,在拔長過程中,必須保證足夠的壓下量和合理的砧寬等因素,使鍛件端部呈現(xiàn)凸出的現(xiàn)象,在鍛件心部產(chǎn)生足夠的變形,鍛合心部缺陷。

四、理化檢驗結(jié)果

非金屬夾雜物檢驗結(jié)果如表4所示。鍛件表面及超聲檢測結(jié)果滿足技術(shù)要求。

五、結(jié)論

(1)從理化檢驗結(jié)果可知，所選用的鍛造工藝是合理可行的。

(2)在設(shè)計4Cr13塑料模具鋼鍛造工藝時，應(yīng)根據(jù)工廠設(shè)備情況考慮采用高溫擴散和兩墩兩拔工藝,這對于解決鋼錠偏析問題和孔隙鍛合問題有一定的作用。