[摘要] 分析了塑料模具钢的行业现状以及4Cr13耐腐蚀塑料模具钢的特点。 对不同热处理工艺的4Cr13模具钢的显微组织、硬度和成分进行了对比分析。 结果表明，压铸4Cr13钢经在线预硬和一次回火后，显微组织呈条状分布。 其原因是钢中成分偏析所致，二次回火后可减少。 此外，还对不同冶炼条件下的4Cr13模具钢的组织进行了对比分析。 结果表明，二次回火后的电渣钢组织细密均匀，可用于制造要求较高的塑料模具。

关键词：预硬化； 微观结构； 耐腐蚀塑料模具钢； 4Cr13

1 简介

模具被誉为“工业之母”，是一个国家工业发展的基础。 据统计，80%以上的工业产品需要模具成型[1]。 一般成型（成型）方法包括注射、锻造、冲压、挤压、3D打印等。注射成型与化工、塑料工业的发展密切相关。 塑料因其优良的加工性能和多样化的品种，成为社会广泛使用的四大材料（木材、水泥、钢铁、塑料）中增长最快的材料。 随着各行业对塑料及其制品需求的快速发展，塑料模具近年来已成为模具行业产量最大的品种。

注塑模具的发展直接决定了塑料模具钢的发展。 近年来，各国已形成各自的塑料模具钢品种体系。 4Cr13预硬模具钢是一种中碳、高铬耐腐蚀塑料模具钢。 适用于制造能承受高载荷、高耐磨性和腐蚀性介质的塑料模具和透明塑料制品模具。 具有硬度均匀、抛光性能好的特点。 ，其对应的德国材料等级为DIN 1.2083。 经过特定的热处理工艺后，4Cr13材料的洛氏硬度值可达50~55HRC。 在一定的抛光工艺下，模具表面可以达到很高的镜面效果[2]，并且对氯、氟等气体具有良好的耐腐蚀性。 能力、机械加工性能良好，因此受到广大模具钢用户的青睐，是应用最广泛的高级耐腐蚀塑料模具钢之一。

随着上下游模具企业对于降低模具成本的呼声越来越高，近年来，在线预硬化作为替代离线调质的热处理工艺应运而生。 在线预淬是指利用轧制余热直接对模具扁钢进行淬火的工艺过程，无需补偿加热。 由于其工艺流程短、能耗低、产品特性优良等优点，已逐渐被市场所采用。

2 试验材料和方法

本文的研究对象是某厂生产的4Cr13耐腐蚀塑料模具钢。 其组成如表1所示。

根据使用目的，4Cr13模具钢按冶炼工艺可分为压铸和电渣两种状态。 冶炼工艺为：电炉+AOD+LF精炼+模铸，电炉+AOD+LF精炼+连铸+电渣。 炉渣重熔。

为了分析模具钢在不同冶炼条件和不同热处理工艺下的组织特性，对预硬4Cr13模具钢按以下工艺进行生产试验：

1#：模具铸造→（毛坯轧制）→在线预硬→一次性回火。

2#：模具铸造→（毛坯轧制）→在线预硬→二次回火。

3#：电渣→（大方坯轧制）→离线预硬化→二次回火。

3 检查结果

(1)对1#、2#、3#工艺生产的模具钢进行100x、500x金相分析。 结构形貌如图1、图2、图3所示。

(2)为了分析金相显微镜下鉴别组织的具体成分，对图1a所示位置A、B和图1b所示位置C的成分进行了分析。 结果如图 4 所示。

(3)对图1中A、B两种结构进行显微硬度测试，结果分别为326HV、296HV。

图1 4Cr13压铸钢在线预硬一次回火后的显微组织

图2 模压4Cr13在线预硬二次回火后的显微组织形貌

图3 电渣4Cr13离线预硬二次回火后的显微组织形貌

图4 压铸4Cr13钢的扫描电镜形貌及成分分析

4 结果分析

4.1 一次回火和二次回火组织分析

图1所示为模具铸件经过一次预硬化和回火后的显微组织。 从图1可以看出，回火模具钢的显微组织具有明显的条带分布。 根据硬度测试结果，白色组织（图1）的显微硬度比黑色组织（图1A）高30HV。成分分析结果表明，白色组织的Cr含量比黑色组织高1%左右。黑色区域在高倍显微镜下可见白色组织内部仍存在呈点状分布的黑色组织，经能谱分析，其含Cr量约为20%。

钢水浇注后，随着温度降低，钢水由外向内、由下向上逐渐开始凝固。 由于选择性结晶的特性，第一凝固区以枝晶的形式生长。 随着凝固向内进行，钢水的温度梯度减小。 钢水的凝固在较长的时间范围内进行。 枝晶充分生长并在主轴之间产生大量次轴（见图5）。 为隔离提供了有利的条件。

图5 枝晶生长过程

成分分析表明，由于钢锭铸造过程中的分步结晶，图1中A、B位置的钢中存在微区成分差异。 如图6所示，由于A位置的铬含量高于B位置，因此此处的奥氏体转变曲线右移，降低了钢的冷却速度。 在相同的淬火冷却强度下，A位置奥氏体过冷程度大于B位置，因此A位置奥氏体转变为马氏体的冷却速度较快，导致该位置的硬度高于B位置。同时，由于这里的铬含量较高，因此更耐腐蚀，因此在显微镜下呈现黑色和白色。

4Cr13钢在回火条件下淬火后[3]，由于时间的延续或温度的变化，析出碳化物的类型也发生变化，即(Fe，Cr)3C→(Cr，Fe)7C3→(Cr，铁）23C6。

钢经过一次回火后，钢中的部分碳原子从碳化物中析出，但仍有部分碳原子固溶在碳化物中。 二次回火继续向这些碳原子提供能量，马氏体中的过饱和碳原子继续扩散，畸变能进一步释放。 因此，在显微镜下观察时，钢中的碳化物条带结构趋于均匀。 样品中的白色组织明显减少，如图2所示。

图6 4Cr13钢TTT曲线

4.2 在线预硬化和离线预硬化的结构分析

4Cr13钢是过共析钢。 退火组织中含有大量碳化物。 即使在1060℃～1100℃的温度下进行奥氏体化，钢中的碳化物也不能完全溶解。 但由于当淬火温度高于1100℃时，钢中残留奥氏体较多，淬火硬度下降。 因此，传统淬火温度一般选择1050℃加热[4]。

在线预硬化是指利用轧制余热直接对模具钢进行淬火，轧后不进行补偿加热的工艺过程。 由于利用轧制余热，预轧加热炉的加热温度较高，因此大部分合金元素均溶解在奥氏体中，具有一定的淬火组织条件。 同时，由于其工艺流程短、能耗低等优点，已逐渐被市场所采用。 其一般淬火温度约为830℃~850℃。

由于其工艺特点，与较传统的调质和回火仍存在差异。 图4为4Cr13经电渣重熔后离线调质及二次回火后的显微组织。 可以看出显微组织为回火马氏体和粒状碳化物，细小均匀，可用于抛光性高的应用。 具有高耐腐蚀性和高表面质量要求的模具制造，例如光学相机和太阳镜镜片等光学产品以及注射器和分析瓶等医疗器械产品。

5 结论

由于成分偏析，过冷奥氏体的连续转变曲线右移。 压铸4Cr13钢在线预硬化后，富铬区组织转变不充分。 二次回火后可减少组织差异，可用于一般要求的塑料模具钢，兼具经济性和耐腐蚀性。

如果注塑模具要求较高的抛光性、耐腐蚀性和塑件的高表面质量，可以采用电渣重熔钢，经过离线淬火和回火后效果更好。