ESR 1.2343模具鋼夾雜物成分及形成原因分析

付韶華， 趙慶晨， 盧偉鋒， 楊永芳

（1.珠海格力電器股份有限公司， 廣東 珠海 519070；2.空調設備及系統(tǒng)運行節(jié)能國家重點實驗室， 廣東 珠海 519070；3.珠海格力精密模具有限公司， 廣東 珠海 519070）

0 引 言

隨著家電行業(yè)的飛速發(fā)展，塑件的使用率也在逐年增加[1]，注塑模具鋼作為一種特種鋼材已被廣泛用于注射模，對其在高硬度、高韌性、耐腐蝕、耐高溫、可加工性能以及長期可靠性等方面均提出了較高的要求。在模具鋼的制備過程中，需要對元素配比、冶煉工藝、熱處理工藝等多方面進行優(yōu)化及控制[2,3]，其中，精確控制鋼夾雜物的成分、形貌和力學性能尤為重要。注塑模具鋼表面出現(xiàn)不良夾雜物會導致成型塑件表面出現(xiàn)麻點等異常問題，嚴重影響其外觀及成型質量[4-8]。此類問題多發(fā)生于家電行業(yè)及汽車工業(yè)生產(chǎn)的塑件中[9]，而模具零件需要通過材料再處理、機加工及拋光等工藝，導致塑件生產(chǎn)延遲，造成經(jīng)濟損失。因此，現(xiàn)選定某存在表面質量問題的ESR（電渣重熔）1.2343模具鋼（國標4Cr5MoVSi）作為研究對象，采用掃描電鏡形貌表征和化學成分分析等研究方式，對其表面質量進行了分析和失效原因探尋，為模具鋼生產(chǎn)企業(yè)在質量控制方面提供了參考方案，也從模具鋼使用方如家電行業(yè)的角度，對注塑模具鋼精細化的檢驗方法提供思路。通過上述方式，可以使塑件易于脫模且有效避免表面質量問題，同時使注塑模具鋼耐腐蝕性與耐磨性得到改善，延長模具的使用壽命[8]，保證了塑件的質量及生產(chǎn)效率。

1 試驗方法

試驗材料為ESR 1.2343注塑模具鋼，試樣尺寸為40 mm×26 mm×10 mm，所有試樣均使用400目、600目、800目、1200目、2000目砂紙逐級打磨，然后采用金剛石研磨膏和二氧化硅拋光膏進行拋光，隨后用乙醇清洗除油并經(jīng)20 min超聲波清洗。在Keyence光學顯微鏡觀察了模具鋼表面夾雜物尺寸及分布情況。采用TESCAN SEM（掃描電子顯微鏡）觀察夾雜物形貌特征，并利用EDS（能量色散譜）對模具鋼中基材及夾雜物的元素成分及分布進行了分析。

2 主要結果及討論

2.1 夾雜物尺寸分布及形貌分析

首先對拋光后ESR 1.2343注塑模具鋼的表面情況進行分析，通過光學顯微鏡采集模具鋼宏觀形貌，如圖1（a）所示。為與國標夾雜物分布圖進行匹配，采用Image J軟件的粒子分析功能對夾雜物分布進行分析，如圖1（b）所示，樣品中存在大量夾雜物，分散范圍廣，且尺寸不一、大小形狀各異，局部區(qū)域出現(xiàn)聚集的現(xiàn)象

圖1 ESR 1.2343模具鋼宏觀形貌與夾雜物分布

為進一步探究ESR1.2343模具鋼夾雜物的形貌，對其進行掃描電鏡下的微觀表征。圖2所示為樣品中不同夾雜物的掃描電鏡圖，夾雜物直徑均在10～30 μm，且存在尖晶石包裹于近圓球形析出物的現(xiàn)象，其與文獻中此類模具鋼的典型非金屬夾雜物形貌基本一致[10-12]。根據(jù)國標GB∕T 10561-2005并結合圖1、圖2分析，夾雜物分布較密集，初步判斷為粗系D類2.5級夾雜物[13]。

圖2 ESR 1.2343模具鋼典型夾雜物形貌

部分非金屬夾雜物位置出現(xiàn)如逗號形狀的尾部，推測是由于硬度大于基材的小顆粒在拋光過程中發(fā)生脆性斷裂經(jīng)擠壓飛出后產(chǎn)生。另外，由于拋光方向不同尾部朝向也不一致。

2.2 基材成分分析

模具鋼基體元素圖譜如圖3所示，其元素成分與企業(yè)提供的基本一致。具體元素含量對比如表1所示，除Si、Cr含量存在差異外，其它元素均在建議范圍內，由于EDS（能量色散譜）測試原理及元素標定問題，結果可能存在一定誤差，尤其是C等輕質元素參考意義不大，因此C含量未給出具體數(shù)值。

表1 ESR 1.2343模具鋼元素成分對比表 質量分數(shù)

圖3 ESR 1.2343模具鋼基體元素圖譜

2.3 夾雜物成分分析

采用EDS對非金屬夾雜物位置進行能譜分析，如圖4所示，非金屬夾雜物中存在不屬于原材料的元素成分，其中Mg、Al、Ca、O峰值突出，且與參考文獻[5]中A類由Mg、Al、Ca組成的圓形氧化物分布較為一致，推測為Mg、Al、Ca氧化物構成的非金屬夾雜物。

圖4 非金屬夾雜物元素圖譜

對不同形狀的非金屬夾雜物在掃描電鏡下進行不同元素分布分析，圖5和圖6進一步表明夾雜物是由O、Mg、Al為主組成的非金屬夾雜物包裹于Ca內構成，但不規(guī)則形狀內由O、Mg、Al組成的非金屬夾雜物（見圖6）的棱角較近球形內夾雜物（見圖5）更加模糊，尤其是Mg和Al。通過與參考文獻[4,11]中對類似鋼材非金屬夾雜物的分析與該結果比對，確定非金屬夾雜物主要成分應為MgO-Al2O3或MgAl2O4尖晶石。值得注意的是夾雜物內或周邊還存在Si、Mo及F元素，Si可能以CaO-SiO2的方式存在于硅酸鹽系中；Mo在非金屬夾雜物中被發(fā)現(xiàn)意味著存在不完全氧化膜，在含硫含氯的腐蝕環(huán)境下更易導致此處發(fā)生點蝕[10]；在夾雜物邊緣發(fā)現(xiàn)的大量F元素推測為熔渣CaF2的殘留[11]。綜合相關研究[2-4,10-12,13,14]及上述結果，發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物缺陷主要是由于鋼的冶煉工藝導致，具體可能是在模具鋼電渣重熔生產(chǎn)的鈣處理精煉過程中產(chǎn)生。在鈣處理過程中，夾雜物的轉變一般遵從MgO-Al2O3系向CaO-MgO-Al2O3系再向CaO-Al2O3系夾雜物轉換的順序[14]。因此，MgO-Al2O3尖晶石的大量存在說明鈣處理過程不完全，Ca梯度濃度的保持時間不夠久，導致CaO無法向內部擴散難以置換Mg和Al，不規(guī)則形狀非金屬夾雜物元素分布（見圖6）展示的Mg和Al邊緣的模糊狀指出擴散及置換的過程仍在發(fā)生就被迫停止，殘留在夾雜物邊緣的F元素也證實了該問題的存在。由于從CaO-MgO-Al2O3系向CaOAl2O3系夾雜物轉換的過程受到了阻礙[14]，導致此類由Ca包裹在內的MgO-Al2O3尖晶石構成近球形析出物的產(chǎn)生。由于此類非金屬夾雜物不僅會對塑件表面造成麻點，而且其較低表面電位差還會引起點蝕[10]，在實際應用中應避免產(chǎn)生。

圖5 近球形非金屬夾雜物元素分布

圖6 不規(guī)則形狀非金屬夾雜物元素分布

針對此類問題，結合目前國內外研究理論給出了解決方案。從企業(yè)原材料制備的角度，需要減少此類非金屬夾雜物的數(shù)量及面積：參考文獻[3]建議更改消耗電極成分；參考文獻[4]提出了控制溫度、冷卻速率以及氧含量的方法；參考文獻[9,11]提出了減小充液率及增加保護氣體的方式；參考文獻[13]提出了使用電磁攪拌使有害夾雜物分散分布的方式，以上方案可以作為模具生產(chǎn)企業(yè)后續(xù)改善注塑模具鋼表面質量的參考。通過該研究結果可以看出，注塑模具鋼表面出現(xiàn)超出一定尺寸的非金屬夾雜物會對塑件造成表面質量問題，而尺寸的臨界值可通過試驗測得，同時結合國家標準GB∕T 10561-2005可以對夾雜物等級進行分類。因此，從模具鋼用戶的角度提出了一種基于視覺分析的自動檢驗方案，如圖7所示。首先，對模具鋼拋光后表面進行多位置的光學顯微照片提取，然后通過二次開發(fā)軟件自動對夾雜物分布及尺寸進行分析，與標準數(shù)據(jù)庫進行比對后對夾雜物等級進行分類，并同步判斷夾雜物尺寸是否會影響塑件成型質量；最終，形成完整的夾雜物等級與質量判斷報告。采用此方法可實現(xiàn)注塑模具鋼的自動化檢驗，為保證塑件成型質量提供了快速有效的保障。

圖7 非金屬夾雜物自動分析流程

3 結束語

選定ESR 1.2343注塑模具鋼作為研究對象，通過掃描電鏡形貌表征、能量色散譜、元素圖譜及元素分布等對其表面質量進行了檢驗分析，結果指出該模具鋼表面具有大量夾雜物，判斷為粗系D類2.5級環(huán)狀氧化物，即由Ca包裹在內的MgO-Al2O3尖晶石構成的近球形析出物。結合相關文獻判斷，此類非金屬夾雜物為模具鋼電渣重熔生產(chǎn)的鈣處理精煉過程控制不足所導致。由于此類非金屬夾雜物不僅會對成型塑件表面造成麻點，而且其較低表面電位差還會引起點蝕。從煉鋼企業(yè)的角度出發(fā)，應減少此類非金屬夾雜物的產(chǎn)生，給出了解決方案供企業(yè)參考。從客戶的角度出發(fā)，通過二次開發(fā)結合視覺識別的方式，提出了精細化的模具鋼表面質量自動化檢驗方式，能夠在生產(chǎn)前期規(guī)避由于模具鋼表面異常而導致的質量問題。