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，適宜制造承受高負荷、高耐磨及在腐蝕介質作用下的塑料模具、透明塑料制品模具。

4Cr13塑料模具鋼的化學成分如表1所示。

實際生產中要盡可能降低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量，減少鋼錠的偏析、縮孔和疏松。

二、技術要求

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

（2）鍛件表面質量及超聲檢測要求：

（a）不允許有目視可見的裂紋、縮孔、折疊等缺陷；

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

（c）長條或密集形點狀不連續(xù)的當量平底孔直徑≤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鋼錠的材質和斷面尺寸等因素進行選取的。

為了防止因低溫性能差而出現過大的組織應力，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。

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

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

改進的加熱工藝如圖2所示。

3.2鍛造工藝

根據公司設備及工裝輔具情況,鍛造過程采用兩墩兩拔，并對墩粗過程進行數值模擬,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,鍛合鋼錠內部的疏松、孔洞等缺陷，應有足夠的變形量，缺陷周圍為負的靜水壓力，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,心部等效應變逐漸增大,而且最大等效應變發(fā)生在坯料心部，等效應變最小區(qū)域發(fā)生在上下接觸面部分。

當坯料壓下量在50%時，坯料大部分區(qū)域等效應變達到0.625以上，心部等效應變達到1，而上下與工輔具接觸處等效應變小于0.25，可以通過后續(xù)拔長過程進行進一步壓實，以保證心部質量。

大鋼錠中心部位雜質較多,疏松、殘余縮孔較嚴重,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,使鍛件端部呈現凸出的現象,在鍛件心部產生足夠的變形,鍛合心部缺陷。

四、理化檢驗結果

非金屬夾雜物檢驗結果如表4所示。鍛件表面及超聲檢測結果滿足技術要求。

五、結論

(1)從理化檢驗結果可知，所選用的鍛造工藝是合理可行的。

(2)在設計4Cr13塑料模具鋼鍛造工藝時，應根據工廠設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。