高精度模具扁钢的生产工艺及质量概述
关键词 高精度 高质量 模具扁钢
1 前言
模具制造在国民经济中起着非常重要的作用。目前，汽车、电器、电机、仪器、仪表零件的70%以上，塑料制品和金属制品的80%以上都是用模具加工的，因而，国外非常重视模具钢的开发研制与升级换代。
近年来，模具钢品种发展的一个趋势是大量生产矩形断面的模具扁钢，这种模具扁钢规格尺寸配套齐全、尺寸精度高、加工余量小、加工工艺简化，与传统利用圆钢锻制模具的工艺相比，可省去加热、锻造、精加工等工序。具有节约金属、减少工时、提高成品率、降低模具成本、缩短模具供货周期，使模具钢的供货更加规范、方便等一系列优点，从而展示了良好的发展前景。为了适应模具钢的发展趋势，抚钢引进了奥地利GFM公司WF5-40扁钢精轧机组及先进的轧制技术，该机组与抚钢原有的VHD精炼炉、电渣炉、精锻机、850初轧机、辊底式连续热处理炉及新上的矫直机、喷砂设备一起，构成了中国第一条现代化的高精度模具扁钢生产线。
2 高精度模具扁钢的生产工艺特点
2.1 冶炼工艺
模具的关键部位大部分是多向受力，因此，提高钢材的等向性，改善横向的韧性和塑性，可以大幅度地提高模具钢和使用寿命，提高模具钢的纯洁度，即降低合工钢中有害杂质含量是改善钢的性能的有效措施。为此，抚钢冶炼的模具钢采用以下措施。
（1）采用真空炉外精炼、电炉+电渣重熔、真空炉外精炼+电渣重熔等工艺，提高钢材的纯洁度，尤其降低了硫含量，改善了模具钢的各项异性。其中，采用真空炉外精炼+电渣重熔工艺生产的3Cr2NiMo(718)钢的硫含量达到0.002%以下，预硬化态（HB 298）的等向比达到0.90。
（2）采用硅钙块进行终脱氧的二次精炼工艺，其产品的硫和磷含量分别小于0.003%和0.015%；夹杂物变少、变小，而且弥散分布。
（3）对于高碳、高铬莱氏体钢和高碳合金模具钢在满足锻比的条件下，尽量采用小锭型，降低浇注温度，以达到细小碳化物结晶组织，并改善其分布形态，其成品的共晶碳化物不均匀度均不大于4级。
2.2 开坯工艺
为了实现模具扁钢的高质量要求，其成品表面不得有肉眼可见的裂纹、结疤、折迭和夹杂等缺陷，表面不允许修磨。因此，在为模具扁钢生产线开坯过程中，采用精坯方针，其内容包括：①钢坯表面无缺陷；②钢坯尺寸高精度，具体要求如表1所示；③钢坯全部经超声波探伤。
表1 钢坯尺寸精度要求
| 钢坯名称 | 钢坯尺寸/mm | 公差/mm |
| 方坯 | 120*120 | +4/-0 |
| 150*150 | +5/-0 | |
| 扁坯 | 厚度120 | +4/-0 |
| 宽度200-310 | +3/-3 |
生产中，根据钢种的特性分别采用锻造开坯和轧制开坯两种开坯工艺路线，对于H13、3Cr2NiMo（718）、P20、01、S5、S7等低合金模具钢，采用850初轧机开坯。为确保坯料的尺寸精度，设计了专门的孔型系统，采用了850初轧机开坯。为确保坯料的尺寸精度，设计了专门的孔型系统，采用了特定的压下规格，增加了均整道次。对于D2、M2、A8、Cr12等高速钢、高碳高铬冷作模具钢，则采用精锻机多向锻造开坯路线，以破碎共晶碳化物；同时，针对不同的扁坯尺寸，采取不同的锭型和锻造工艺，锻造过程中增加平整道次，以确保坯料尺寸精度。
2.3 模具扁钢精轧生产线工艺
2.3.1 加热炉
采用步进式加热炉，燃料为发生煤气，烧嘴为平焰烧嘴。设有燃烧自动控制。钢坯断面温差小于30℃。确保钢坯均匀烧透。
2.3.2 高压水除鳞
在钢坯出炉辊道上设置高压水除鳞机一台，压力为200MPa，喷环总流量20.364L/s。用于清除钢坯表面的氧化铁皮，以提高钢材的表面质量。
2.3.3 Φ650粗轧机
除鳞后的钢坯经过一架闭口三辊轧机进行第二次开坯。该轧机具有足够的强度和刚度，可使钢件充分变形，增加钢坯的致密度和碳化物的破碎程度，并灵活地为WF5-40扁钢精轧机组提供必要尺寸精度和平直度的中间坯。
2.3.4 WF5-40扁钢精轧机组
经过Φ650轧机第二次开坯后的钢坯进入WF5-40精轧机组进行往复轧制。该机组为五架平-立布置。采用CNC控制轧制过程参数，液压马达主驱动装置，特殊设计的导卫装置，无孔型往复轧制工艺，可实现大截面钢材的可逆、微张力连续轧制，可生产10-90mm*100-310mm扁钢，40-110mm方钢，产品尺寸公差不大于ASTM
A681-92标准公差的1/3-1/2，角处圆角半径≤1mm。
2.3.5 无齿磨擦热锯
WF5-40机组精轧后的扁钢采用无齿磨擦热锯机切断，可提高产品锯切质量。
2.3.6 辊底式连续热处理炉
为确保模具扁钢退火质量及塑料模具钢的预硬化质量，扁钢产品采用辊底式连续热处理炉进行热处理，以确保组织、硬度均匀。
2.3.7 精整设备
热处理后的扁钢采用压力矫直机和辊式矫直机进行矫直，成品可以黑皮交货也可以经多头抛丸机喷砂后交货。
3 主要模具扁钢质量与国际实物及标准质量对比
3.1 D2冷作模具扁钢实物质量及标准对比
德国德力公司扁钢尺寸：110mm*20mm；抚钢扁钢尺寸：110mm*30mm。分别对比了化学成分、外形尺寸、脱碳层、低倍组织、退火组织及硬度、共晶碳化物、纯洁度和热处理后的性能（表2-9）。
表2 化学成分对比/%
| 材料 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V |
| 德力公司实物 | 1.62 | 0.30 | 0.28 | 0.023 | 0.019 | 11.30 | 0.68 | 0.96 |
| 抚钢实物 | 1.54 | 0.19 | 0.34 | 0.021 | 0.002 | 11.48 | 0.75 | 1.07 |
表3 外形尺寸对比
| 项目 | 允许偏差/mm | 边棱尖锐度允许偏差值/mm | |
| 宽度 | 厚度 | ||
| DIN 1017 | +2/-2 | +1.0/-1.0 | ≤3.5 |
| ASTM A681-92 | +1.60/-1.19 | +0.89/-0.69 | |
| 抚钢标准 | +1.0/-1.0 | -0.60/-0.60 | |
| 抚钢实物 | +0.80/-0.80 | +0.50/0 | <1.0 |
表4 脱碳层对比
| 项目 | 脱碳层/mm | |
| 宽面 | 厚面 | |
| ASTM A681-92 | 1.42 | 1.83 |
| 抚钢标准 | 1.42 | 1.83 |
| 抚钢实物 | 0.30 | 0.70 |
表5 低倍组织对比（按 ASTM A561 评级）
| 项目 | 低倍组织/级 | |
| 疏松 | 偏析 | |
| ASTM A681-92 | 0.5 | 6 |
| GB 1299-85 | 3.5 | 6 |
| 抚钢标准 | 3.5 | 6 |
| 抚钢实物 | 0 | 1.0 |
| 德力实物 | 0.5 | 0.5 |
表6 退火组织及硬度对比
| 项目 | 退火HB | 退火组织/级 |
| ASTM A681-92 | ≤255 | 不检验 |
| GB 1299-85 | ≤255 | 不检验 |
| 抚钢实物 | 218 | 2.5 |
| 德力实物 | 216 | 3.0 |
表7 共晶碳化物对比
| 项目 | 共晶碳化物不均匀度/级 |
| ASTM A681-92 | 不检验 |
| GB 1299-85 | I组≤4级，Ⅱ组≤5级 |
| 抚钢实物 | 2 |
| 德力实物 | 2 |
表8 纯洁度对比（按ASTM E45标准检验）
| 项目 | A | B | C | D | ||||
| 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | |
| 美国SⅡ公司 | 2.5 | 1.5 | 2.0 | 1.5 | 2.0 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 抚钢实物 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 |
| 德力实物 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 |
表9 热处理后性能对比
| 项目 | 淬火温度/℃ | 淬火介质 | 回火温度/℃ | 回火后HRC |
| 抚钢实物 | 1010 | 空 | 204 | 58-60 |
| 德力实物 | 1010 | 空 | 204 | 57-59 |
3.2 H13（SKD61）热作模具钢
日本大同公司扁钢尺寸：110mm*28mm；抚钢扁钢尺寸：155mm*32mm，对比了化学成分、外形尺寸、脱碳层、低倍组织、退火组织及硬度、纯洁度和热处理后性能（表10-16）。
表10 化学成分对比/%
| 项目 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V |
| 抚钢实物 | 0.41 | 0.93 | 0.45 | 0.015 | 0.002 | 5.10 | 1.33 | 0.99 |
| 大同实物 | 0.39 | 0.95 | 0.40 | 0.014 | 0.003 | 5.00 | 1.28 | 0.87 |
表11 外形尺寸对比
| 项目 | 公差/mm | 边棱尖锐度允许偏差值/mm | |
| 宽度 | 厚度 | ||
| DIN 1017 | +3.1/-3.1 | +1.1/-0.7 | ≤3.5 |
| ASTM A681-92 | +2.39/-1.60 | +1.02/-0.76 | |
| 抚钢标准 | +1.40/-1.40 | +0.60/-0.60 | |
| 抚钢实物 | +1.00/-0 | +0.45/-0.45 | <1.0 |
表12 脱碳层对比
| 项目 | 脱碳层/mm | |
| 宽面 | 厚面 | |
| ASTM A681-92 | 1.52 | 2.49 |
| 抚钢标准 | 1.52 | 2.49 |
| 抚钢实物 | 0.60 | 1.10 |
| 大同实物 | 0.75 | 1.22 |
表13 低倍组织对比（按ASTM A561评级）
| 项目 | 低倍组织 | |
| 疏松 | 偏析 | |
| ASTM A681-92 | 4.5 | 6 |
| 抚钢标准 | 2.0 | 2.0 |
| 抚钢实物 | 0.5 | 1.0 |
| 大同实物 | 0 | 1.0 |
表14 退火组织及硬度对比
| 项目 | 退火HB | 退火组织/级 |
| ASTM A681-92 | ≤235 | 不检验 |
| GB 1299-85 | ≤235 | 不检验 |
| 抚钢实物 | 182 | 2 |
| 大同实物 | 187 | 2 |
表15 纯洁度对比（按ASTM E45标准检验）
| 项目 | A | B | C | D | ||||
| 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | |
| 美国SⅡ公司 | 2.5 | 1.5 | 2.0 | 1.5 | 2.0 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 抚钢实物 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 |
| 德力实物 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 |
表16 热处理后性能对比
| 项目 | 淬火温度/℃ | 淬火介质 | 回火温度/℃ | 回火后HRC |
| 抚钢实物 | 1110 | 油 | 550 | 54-55 |
| 大同实物 | 1110 | 油 | 550 | 53-55 |
3.3 塑料预硬化态塑料模具钢3Cr2NiMo（718，1.2738）
德国德力公司扁钢尺寸：150mm*20mm；抚钢实物尺寸：250mm*20mm。对比了化学成分、外形尺寸、脱碳层、低倍组织、纯洁度、预硬化态后力学性能（表17-22）。
表17 化学成分对比/%
| 项目 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Mo | V |
| 抚钢实物 | 0.35 | 0.49 | 0.74 | 0.002 | 0.012 | 1.69 | 0.41 | 1.04 |
| 大同实物 | 0.40 | 0.26 | 1.50 | 0.002 | 0.013 | 1.90 | 0.22 | 1.02 |
表18 外形尺寸对比
| 项目 | 允许偏差/mm | 边棱尖锐度允许偏差值/mm | |
| 宽度 | 厚度 | ||
| DIN 1017 | +5.0/-5.0 | +0.8/-0.4 | ≤3.5 |
| ASTM A681-92 | +1.70/-1.70 | +1.02/-0.61 | |
| 抚钢标准 | +1.70/-1.70 | +0.50/-0.50 | |
| 抚钢实物 | +1.2/-0 | +0/-0.38 | <1.0 |
表19 脱碳层对比
| 项目 | 脱碳层/mm | |
| 宽面 | 厚面 | |
| ASTM A681-92 | 1.25 | 2.74 |
| 抚钢标准 | 1.25 | 2.74 |
| 抚钢实物 | 0.80 | 1.00 |
表20 低倍组织对比（按ASTM A561 评级）
| 项目 | 低倍组织/级 | |
| 疏松 | 偏极 | |
| ASTM A681-92 | 4.0 | 6.0 |
| 抚钢标准 | 2.0 | 2.0 |
| 抚钢实物 | 0.5 | 0.5 |
| 德力实物 | 0.5 | 0.5 |
表21 纯洁度对比（按ASTM E45 标准评级）
| 项目 | A | B | C | D | ||||
| 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | 细系 | 粗系 | |
| 美国SⅡ公司 | 2.5 | 1.5 | 2.0 | 1.5 | 2.0 | 1.5 | 1.5 | 1.5 |
| 抚钢实物 | 0.5 | 0 | 1.0 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 |
| 德力实物 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 1.0 |
表22 预硬化态力学性能对比
| 材料 | 材料状态 | σs/MPa | σb/MPa | δ/% | φ/% | Ak | HB |
| 抚钢实物 | 预硬化 | 930 | 1050 | 19 | 64 | 130 | 298 |
| 德力实物 | 预硬化 | 890 | 1010 | 20 | 60 | 125 | 298 |
通过抚钢扁钢实物与国外先进企业扁钢实物及先进标准的对比中可见，抚钢生产的高精度模具扁钢的质量水平与国际知名公司的扁钢质量相当，达到国际先进标准的要求。
4 结论
（1）通过引进奥地利GFM公司的WF5-40扁钢连轧机组与抚钢原有的冶炼加工工艺相配合，抚钢已具有生产高精度、高质量模具扁钢的能力。
（2）抚钢生产的高精度模具扁钢产品按照高性能要求，通过冶炼、加工、热处理和在线预硬化等工艺保证，其产品纯洁度、低倍组织、脱碳厚深度、共晶碳化物、退火组织、退火硬度、尺寸精度、力学性能等均达到国外同类产品的先进水平。
参考文献
[1]殷瑞钰，钢的质量现代进展（下篇），北京冶金工业出版社，1995，P287-290
[2]徐进、陈再枝、模具钢，北京冶金工业出版社，1998，P26-30
作者：徐辉 冯淑玲 马党参
康爱军（抚顺特殊钢（集团）有限责任公司）
