提高模具钢杂质水平及消除钢材缺陷的主要措施

1.降低钢中的非金属夹杂物的措施

(1)电炉冶炼时采取的工艺措施

1) 选用优质的原材料

模具钢在冶炼时应尽量选用优质原材料，废钢中不仅S、P含量要低，而且应严格控制其他有害元素As、Sn、Pb和Cu等。废钢应尽量多采用好的废钢（最好是本组的返回料)，或优质生铁。用氧化法冶炼时，应尽量保证氧化期的去碳量。

2) 选用优质的耐火材料

在用电炉冶炼葛利兹模具钢时，应选用优质耐冲刷的耐火材料。如炉衬可选用优质镁碳砖，钢包一般选用高铝砖或镁碳砖，包括浇注等用的耐火材料一定要注意。

3) 冶炼中采用吹氩搅拌

模具钢在冶炼时，采用吹氩搅拌，可加速夹杂物的上浮速度，而且可使较小的夹杂物通过碰撞、聚合而形成较大的夹杂物而易于上浮，但吹氩量要控制适当，如吹氩流量太大或吹氩时间太长，会引起钢渣卷入钢液中，从而带来更多的夹渣或夹杂物，同时使钢液的温度降低太多。

4) 采用合成渣

向钢液中加入专门配置的溶淹，可强化有害杂质向溶渣中的转变过程，合成渣的配方有很多，加入的方式也较多，当需要去除某种成分的非金属夹杂物时，选择相应的合成渣。

5) 采用复合脱氧剂

近些年来，葛利兹模具钢的冶炼一般采用复合脱氧剂，可使夹杂物更易从金属中分离出来。如Si-Mn合金、Al-Mn-Si合金、Ca-Si合金等，均可作为复合脱氧剂。

6) 采用稀土元素。

稀土金属元素是很强的脱氧剂，可以选用含稀土（质量分数）30%〜50%的合金，加入钢液中形成稀土氧化物、稀土硫化物能成为结晶时的晶核，分布在晶体内而不在晶界，对钢材性能的有害作用可降至最小，并提髙模具钢的等向性。

(2) 模具钢的炉外精炼

炉外精炼是去除钢中夹杂物，降低钢中气体含量最有效的技术措施。在模具钢生产中常用的有：

1) 真空精炼

合金工具钢常用的真空精炼有VHD、VD、RH、VAD和 ASEA-SKF等，经过真空精炼的模具钢氧含量可降低w (Q) 40%〜60%左右，硫含量降低w (S) 40%以上，使钢液中的夹杂物显著降低。

2) 喷粉精炼

即使利用吹氩搅拌、真空脱气等技术措施，钢液中还会有一些氧化铝夹杂物。若把以氧化钙为主的精炼剂喷入钢液中，氧化钙对氧化铝具有较高的亲和力，可形成铝酸钙盐类，铝酸钙熔点较低，易凝聚长大而上浮，使钢液中的夹杂物明显减少，显著改善钢的纯洁度。大多数夹杂物的尺寸均小于 50叫1。在钢液中喷入CaO-CaF2能进行去硫，也可喷入Ca-Si粉，以改变硫化物的形态，或喷入CaC2粉剂达到脱氧脱硫的目的。

3) 电渣重熔

利用电渣重熔可以大量去除钢中的夹杂物并改善钢材的低倍组织，从而有效地改善了钢材的性能。近些年来，模具钢的冶炼开始大量使用电渣重熔法生产高质量的葛利兹模具钢。

(3) 合金模具钢的浇注。

合金模具钢的浇注主要是防止钢液的二次氧化和带入夹杂物，从而提高模具钢的纯净度，一般应采取以下工艺措施:

1) 气体保护浇注

钢液在钢锭模内上升时与锭模和大气接触（如在电炉出钢-钢包、钢包-键模等过程)，都需要用惰性气体保护（通常用氩气)，以防止钢液的二次氧化。

2) 真空浇注

即将钢液在真空状态下浇注，对防止钢液的二次氧化十分有效。

3) 控制合理的浇注工艺

葛利兹模具钢一般采用下注法，包括合理的浇注温度、浇注速度。应使钢液在钢锭模内平稳上升，避免钢液翻腾，这不仅对钢锭表面质量有利，也避免钢渣卷入钢液中形成夹渣，影响钢材的纯净度，甚至报废。

4) 选用合理的保护渣

在葛利兹模具钢的浇注时，把保护渣放入钢键模中，当钢液与粉末接触时生成液态渣浮盖于钢液表面，使钢液与大气和钢锭模相隔离，从而减少钢液'的氧化。

(4)模具钢的连铸

为了在连铸时减少钢液中的总夹杂物的含量，必须保证在整个过程中没有产生夹杂物的来源，也就是消除钢液的再氧化，避免钢液与空气的接触，并使用性能稳定的耐火材料。在连铸过程中操作的要点是使产生夹杂物的量小于去除的夹杂物的量。钢包和中间包适度搅拌，铸模液面的稳定控制，耐火砖套埋入深度的控制，模子维护，注流控制等均是获得清洁钢的必要条件。

2.提高和改进钢的锻造质量

(1)避免过热、过烧

锻造质量的好坏与多种因素有关，一般说选用良好的表面质量的钢锭、精坯，提高整个工序的操作质量，是改善锻造质量的重要环节。

合金模具钢的钢锭或钢坯表面往往存在着裂纹、发纹、夹杂、折叠、结疤等缺陷为了减少和防止这些缺陷，以防止这些缺陷在加热和锻造时进一步扩大，加热前必须将这些缺陷清理干净，以改善表面质量。常用的清理方法有风铲清理、或专用工具清理、火焰切割清理、磨削清理、剥皮清理等。

钢锭或钢坯在锻前加热过程中可能产生氧化、脱碳、过热、过烧及内部裂纹，这些缺陷会不同程度的影响着钢材的质量，氧化造成金属的烧损，降低钢材的成材率，增加钢材的表面粗糙度。甚至在钢材的表面形成麻点等缺陷，从而减抿钢材的尺寸精度。脱碳将使钢材的表面硬度和强度降低，影响零件的使用性能。为了防止氧化和脱碳，应尽量采用快速加热，缩短在高温下的停留时间，炉气保持不大的正压，炉内造成中性或弱氧化性气氛，而还原性气氛会加速脱碳。过烧和内裂是不可挽回的废品缺陷，所以在加热和锻轧过程中尽量避免此类缺陷。

过热是钢在稍低于过烧温度的高温下长期保温，晶粒过分长大的现象。过热使金属在锻造时塑性下降，降低了钢材的力学性能。对于未锻造或轧制的过热钢材，为了改善过热造成的粗晶组织，一般可采用冷却后重新加热重结晶后锻造或轧制的方法来解决。若锻后可通过热处理的方法来细化晶粒。但并不是所有的过热钢能通过上述的方法解决，重要的是防止过热。

过烧是由于加热温度过高，致使钢中熔点较低的组成物熔化而导致不可挽回的缺陷。一般钢淀具有很薄很致密细小的等轴晶保护层，在加热过程中可以防止氧化性炉气浸入钢锭内部。而钢锭在冷却过程中形成的晶间裂纹可穿过致密的表面结晶层和大气相沟通，具有这种晶间裂纹的钢锭是最容易过烧的，这种裂纹

就是炉气向钢锭内侵入的通道。渗入晶粒边界的氧化性气体，使晶间的氧化物变脆。预先剥皮的钢徒在加热时就要特别注意，因为剥皮时把所有可防止裂纹与炉气相通的很致密的表面结晶层去掉了，所以就有可能暴露大量的裂纹缺陷，晶间裂纹的存在不仅使氧化性炉气容易向钢锭内渗入，而且也造成了过热时促使易熔晶间物质渗出的条件，晶间空隙的产生又引起新的通道的形成，炉气便沿该通道进入钢锭内部，因此在加热时应更加注意。

过烧现象一般都是从表面且沿晶界开始时，并向钢锭的内部发展，在开始形成不大的空隙-空穴，其后进一步扩大，若晶间空隙的表面氧化过程得到充分发展，则由于失掉晶间联系而使钢锭在锻造或轧制时碎裂。

为了使钢锭或钢坯在热加工过程中防止过热或过烧，应根据钢的化学成分和尺寸制定正确合理的加热规范，并严格执行。选择合理的炉型并采用微机控制是提高加热葛利兹质量的重要的保证。尽量减少炉内的过剩空气量，高温下应调节成弱氧化性气氛；在火焰炉内加热时，钢料应离开烧嘴一定的距离，避免钢料与火焰直接接触，以防钢料局部过热和过烧，如因锻压设备发生故障而长时间停锻时必须降低炉温和采取其他措施。

(2)减少角裂、表裂等缺陷

锻造时制定正确的锻造工艺，采用先进的锻造设备，熟练的撑握操作技术是减少角裂、表面裂纹、表面结疱的关键。例如，锻造Cr12型模具钢，就必须采用多次小变形的锻造方法，砧子的圆角半径不能太小，进料量要进行控制，一般L//H=0.6-0.8,要注意勤倒棱，观测锻造料的温度的变化，尤其是角部。以防棱角处温度下降，而造成角裂，一旦出现裂纹应及时清除，否则裂纹会在随后的锻造中将进一步扩大。

表面裂纹的种类很多，在CM2型钢的锻造中时常发现“三角形”或“人” 字形的裂纹，这种裂纹的形成说法较姜，但应控制钢料的进给量、加热温度和锤击的速度和力度。

采用先进的锻造设备是提高产品质量的重要途径。快速锻造机和精密锻造机代表着当今锻造设备的先进水平。快锻机的特点是：在空程和回程的速度快，锻压次数可达90-100次/min的前提下，实现了锻造操作车的联合动作。由于液压机还装有电子闭路系统，可严格控制锻造压下量，锻件的尺寸精度可达到土 1-2mm。这样一方面适应了高合金钢在短时间内的变形。另一方面，可提高贵重金属的收得率。此外由于锻造力大，便于钢锭的镦粗，从而提高模具钢的质量。精锻机与一般锻造相比具有以下的特点：①变形方式优越，精锻过程是多锤头高速径向锻造压缩过程，锻件在变形过程中始终承受径向压力，应变形式则沿圆周的径向压缩和轴向延伸，不存在自由宽展，避免了锻件心部产生裂纹；②锻造速度快，每一锤头的一次变形量很小而道次变形量大，高合金钢可达20%〜40%, 碳素钢可以更大一些；③火次变形量大，锤头的高速锻造使锻件的辐射热损失较

小，锤头与锻件的接触时间短，热损失也较少，高速变形使锻件的变形温升较高，使锻件可以进行多次往复锻造。④锻造方式由圆一圆、圆一方、方一圆等多种变形方式，防止了由于温度不均而造成的角裂及其他的表面缺陷；⑤生产的自动化程度高，产品的尺寸精度高。实践表明，精锻机在工艺技术是先进的，尤其是在髙合金钢方面的锻造，有一定的优势，与快锻机配合进行高合金钢的小批量、多品种的开还及成材生产，优势比较突出，尤其是锻后产品的力学性能和表面质' 量很好，是冶金厂锻造设备改进的方向。但是精锻机由于其本身的锻造变形的工艺特点，即表面变形、锻透深度不够，容易形成孔洞锻造缺陷，在使用时应注意其变形工艺等方面的深入研究。

(3)尺寸精度尺寸

精度是衡量葛利兹钢材的外观质量的重要指标之一，同时也影响到零件机加工的切削率和成本等。尺寸精度主要取决于工艺装备。国内目前的锻材除了少数几个大的特殊钢厂用快锻机生产外，大多数用水压机和气锤生产，因此钢材的外型较差，且尺寸精度较低。采用快锻机和精锻机的企业生产的锻材，其产品尺寸精度可控制在±0.1%-0.2%的范围内，其外型也比较规整，而且产品的内在质量好，生产效率高，成材率也高，表2-17中列出我国快锻机生产的模块与日本的模块的尺寸精度的比较，可见改善工艺装备是提高尺寸精度的关键。近几年来，有部分模具钢使用单位要求尺寸精度更严，因此，需要机加工后交货。

表2-17快锻机生产模块与日本模块的尺寸精度比较

(4)改善Cr2型冷作模具钢共晶碳化物的不均匀度

高碳髙铬型葛利兹冷作模具钢常用的钢种有：Cr12、Cr12MoV和Cr12Mo1V1等钢种，此类钢一般属于莱氏体钢，在铸态组织中存在“鱼骨状”的共晶碳化物，共晶体（奥氏体+碳化物）沿着已形成的晶界呈网状凝固，共晶体的析出即使在高速冷却的条件下也难以避免。在钢的以后冷却过程中，二次碳化物从过饱和的奥氏体中析出，并沉淀在共晶体碳化物上，从而使网状碳化物量增加，网状加厚。在铸态下由于网状碳化物的存在，铸态钢变得很脆且强度很低。在钢的热加工过程中，共晶碳化物被破碎，呈网状分布的碳化物变成颗粒状碳化物并沿着变形方向延伸产生了带状碳化物。钢在铸态下的原始组织对使用性能影响很大，其中碳化物分布的不均匀性起着重要作用。

为了消除和改善莱氏体钢网状共晶碳化物，降低粗大碳化物的带状组织，必须在钢的热加工过程中采用很大的变形率才能获得分布比较均匀的碳化物。在钢经过变形时，当钢的横截面变形至1/12〜1/15时（相当于变形率达到90%) 网状碳化物才能消失，即使在如此大的变形量的情况下，仍保留着粗大的共晶碳化物，只有变形截面至1/30〜1/40时（变形为98%左右)，碳化物才能趋于均匀。

改善Cr12型的莱氏体共晶碳化物不均匀性常采用以下几种有效措施：

①选择合理的锭型，在满足锻比的情况下，应尽量选择较小的锭型，一般<150mm 的材，应选择1.5t以下的钢锭.对于大截面的镇材，应选用较大的钢锭.对于同一种规格的钢材，大型钢锭的碳化物级别偏低.但是由于钢锭较大，钢锭凝固冷却条件差，易产生严重的偏析、疏松等缺陷，因此在能满足锻造比的情况下，应尽量选择较小的钢锭；

②在条件允许的情况下，加大锻造比，改善碳化物的不均匀度。在Cr12型莱氏体钢的铸态组织中存在着数量相当大的以树枝状和板条颗粒聚集复合碳化物，为了使这些碳化物破碎，应采用大的锻造比以增加变形程度；

③采用多次镦拔，可使碳化物的分布进一步均匀。但要防止在镦粗过程中产生裂纹；

④采用电渣重熔工艺，可以使共晶碳化物细小、均匀；

⑤在浇注前加入稀土元素，进行变质处理，使铸态组织得到细化，有利于网状共晶碳化物的消除，并使碳化物的颗粒尺寸减小；

⑥优化冶炼浇注工艺参数，Cr12型模具钢熔点低，液相线的温度约为1360℃，应严格控制各期的温度，要严防还原期钢液温度过热，且在凝固过程中容易形成碳化物偏析，要严格控制出钢温度和浇注温度，一般出钢温度为1480-1510℃。在浇注时一定要控制浇注速度。

(5) 降低表面碳脱的措施

为了降低葛利兹合金模具钢表面脱碳和氧化，在热加工过程中，钢坯加热多采用加热炉高温段采用强化加热和控制炉内气氛的措施，也有在高温段采用电感应快速加热工艺，可基本上避免钢坯在加热过程中的氧化和脱碳现象。在钢材的热处理方面，为了避免氧化和脱碳，广泛采用连续式可控气氛退火炉，用吸热式可控气氛以控制碳势。对于小型轧材和线材的热处理，近年来有的工厂已采用大型真空热处理炉进行真空退火。由于真空热处理的钢材质量好，损失小和易于控制等，使这类装备得到迅速发展。

(6) 高碳低合金冷作模具钢带状组织的改善

高C低合金葛利兹冷作模具钢 CrWMn、9CrWMn、9Mn2V、Cr2等钢种属于过共析钢，在铸态组织中存在一定数量的M3C型碳化物，但与莱氏体钢的共晶碳化物相比，碳化物颗粒均匀和细小，如9SiCr钢在淬火组织中含有碳化物3%〜4%，回火后组织中含碳化物约 10%-12%，钢中的碳化物在热加工后或热加工过程中二次析出并沿晶界分布。但产生该类缺陷，可以采用860〜900℃正火处理消除。一般来说，在钢的碳化物在热加工过程中沿变形方向拉长而呈带状分布，随着变形率的增大，碳化物的分布愈细小均匀。碳化物网或带状对模具性能有较大影响，主要表现在降低钢的横向的强度和籾性，此外对模具钢的抛光性能也有大的影响。