鏡面拋光中非金屬夾雜物和碳化物對針孔敏感性的影響

井ノ口貴之

于 紅（譯）

（東北特殊鋼集團股份有限公司技術(shù)中心，遼寧大連 116105）

1 引言

大部分塑件依靠模具射出成型，塑件從日用透明塑件到各種產(chǎn)業(yè)機械成型零部件，遍及各個領(lǐng)域，塑料成型塑件的需求量也日益增長。為了獲得優(yōu)良透明的塑件，成型模具需要進行研磨和鏡面加工，特別是對于射出成型光學(xué)透鏡、DVD 等塑件，優(yōu)良的鏡面加工性能是塑料模具的重要性能之一。

鏡面研磨時大多采用機械拋光，所謂機械拋光加工，就是依靠切削或使材料表面發(fā)生塑性變形而去掉工件表面凸起部分得到光滑面的加工方法。使用氧化鋁砂紙、油石等，壓在工件被加工表面，作旋轉(zhuǎn)循環(huán)運動的拋光方法。

鏡面拋光中出現(xiàn)的典型缺陷是針孔、橘皮紋、起伏、暗紋等問題，其中局部出現(xiàn)的微小孔洞狀缺陷稱之為針孔，占較大比例。主要表現(xiàn)為模具拋光表面呈現(xiàn)一個或多個微小凹坑，最嚴重的時候會造成整個模具報廢。

鏡面加工性最便捷的檢驗方法常常采用目測等人工感知的方法進行檢驗，定量評價采用粗糙度儀[1]，近期試行采用反射率評價鏡面加工性[2～4]。

研磨方法、碳化物及非金屬夾雜物等因素造成的拋光過程出現(xiàn)的針孔問題有過相關(guān)文獻介紹[5]。主要的非金屬夾雜物，如硫化物、氧化物、氮化物及其復(fù)合夾雜物。清水崇行等進行了非金屬夾雜物與反射率間關(guān)系研究[2]，明確隨著非金屬夾雜物的增加針孔數(shù)量隨之增加。然而，針孔缺陷的產(chǎn)生與非金屬夾雜物種類的關(guān)系及具體實例未曾有過具體實例說明，同時研磨過程中針孔動態(tài)產(chǎn)生過程尚未有系統(tǒng)相關(guān)論述。

以抑制和減少拋光過程中針孔的產(chǎn)生為宗旨，采用不同非金屬夾雜物類型、不同組成、含量、尺寸的碳化物的試料進行試驗研究，經(jīng)粗磨至拋光的過程中，對各個研磨階段的表面進行觀察，闡述了非金屬夾雜物及碳化物對針孔產(chǎn)生的影響。

2 試驗方法

2.1 試驗材料的選取

在廣泛應(yīng)用的塑料成型模具中，按照成分和冶煉方法選取具有代表性的6個鋼種，各鋼種的具體情況如表1所示。

表1 試料特性

（1）PX5。PX5 鋼，作為淬回火硬度30HRC 級的廣泛應(yīng)用的P20 系列塑料模具鋼，添加S 元素形成MnS 改善切削加工性能，采用真空脫氣冶煉，易形成氧化物夾雜。

（2）NAK55。NAK55 鋼，作 為 析 出 硬 化 硬 度40HRC 級的廣泛應(yīng)用易切削的P21 系列預(yù)硬化塑料模具鋼，含有MnS改善切削加工性。采用電渣重熔冶煉可以有效減少非金屬夾雜，Al 元素添加鋼，易形成以AlN為形核的MnS夾雜。

（3）NAK80。NAK80 鋼，作 為 析 出 硬 化 硬 度40HRC 級的廣泛應(yīng)用的高級鏡面析出硬化鋼，和NAK55一樣采用電渣重熔冶煉，具有良好的切削加工性能，要求具有優(yōu)良的鏡面加工性，純凈度要求非常高。然而，由于添加Al元素，也易形成AlN夾雜。

（4）PD613。PD613 鋼，作為淬回火硬度60HRC的冷作模具鋼，適用于各種射出成型塑料模具、工程樹脂模具，要求具有良好的耐磨性，其組織中不可避免的含有細微碳化物。

（5）D-STAR。D-STAR 鋼，作 為 淬 回 火硬 度50HRC級的不銹鋼系列超高級鏡面塑料模具鋼，適用于光學(xué)儀器的透明塑件等，特別是高級鏡面模具。沿用SUS420J2系列成分，采用電渣重熔冶煉，最大限度降低非金屬夾雜物，具有非常高的純凈度。

（6）SUS630。SUS630鋼，作為40HRC硬度級的不銹鋼系列高級耐蝕模具鋼。較SUS420J2鋼具有很高的耐蝕性、熱處理變形小的特點。經(jīng)真空精煉冶煉存在微量氧化物夾雜。

2.2 試驗材料的取樣方法

選用的試料，全部采用厚、寬度方向的中心位置切取試樣，試料尺寸：長度、寬度各50mm，厚度約10～15mm，對應(yīng)其長及寬度方向的面（50×50mm）進行研磨、觀察。

2.3 研磨及觀察方法

試料經(jīng)機械加工后進行研磨。研磨方法：磨石600#，砂紙400#～1500#，鉆石研磨膏9μm（1800#），6 μm（3000#），3μm（8000#）依次進行，從砂紙1500#開始到研磨膏的3個階段合計共4個階段進行觀察。在光學(xué)顯微鏡下觀察非金屬夾雜物及碳化物的分布情況。

非金屬夾雜物的類型及組成采用掃描電鏡分析，研磨表面采用キ-エンス制造的微分干涉儀VHX-500進行觀察。此外，進一步測定采用原子間力顯微鏡和激光顯微鏡，詳細觀察非金屬夾雜物的脫落和表面缺陷的形成過程以及缺陷的形貌。

3 6種鋼的試驗結(jié)果

（1）PX5。

PX5 的顯微組織如圖1 所示，MnS 為主體非金屬夾雜，與部分氧化物并存，經(jīng)不同階段研磨后微分干涉圖像如圖2所示。經(jīng)1500#砂紙研磨后可以清晰的觀察到非金屬夾雜物的形貌。而針孔的形貌要經(jīng)1800#以上砂紙研磨后方可觀察到。

圖1 PX5的顯微組織

圖2 PX5逐步精細拋光的微分干涉儀研究

如圖3所示，以MnS為主體的非金屬夾雜物內(nèi)部硬質(zhì)夾雜物脫落后針孔形貌。軟質(zhì)的硫化物與硬質(zhì)氧化物共存，氧化物夾雜逐漸顯現(xiàn)的形態(tài)。

圖3 PX5上的針孔顯微鏡觀察

（2）NAK55。

NAK55 的顯微組織如圖4 所示。非金屬夾雜物以MnS 為主體，圖5 所示為與硬質(zhì)夾雜物共存的狀態(tài)。經(jīng)過不同階段研磨后試片的微分干涉計下形貌如圖6 所示。與PX55 一樣經(jīng)1500#研磨后可見明顯的非金屬夾雜，更清晰的形態(tài)要在經(jīng)3000#以上的研磨后才能觀察到。圖7所示為在8000#研磨后激光顯微鏡觀察到的MnS 形態(tài)，MnS 寬約5μm，長約50μm，對應(yīng)深約1μm左右，夾雜物斷面形狀寬深比為5。

圖4 NAK55的顯微組織

圖5 含硬質(zhì)夾雜物的MnS

圖6 NAK55逐步精細拋光的微分干涉儀研究

圖7 NAK55上針孔的激光顯微鏡觀察

圖8所示為MnS內(nèi)部針孔EDX分析結(jié)果，經(jīng)確認為AlN，推斷由于MnS優(yōu)先被研磨掉、消失，AlN殘留。

圖8 NAK55上針孔的激光顯微鏡觀察

（3）NAK80。

NAK80顯微組織如圖9所示，有少量非金屬夾雜物存在，不同階段研磨后數(shù)字顯微鏡觀察如圖10 所示。經(jīng)過1800#研磨表面未見針孔存在，經(jīng)3000#以上研磨后可見明顯針孔。針孔及周圍SEM-EDX分析如圖11 所示。與NAK55 一樣，有AlN 夾雜存在。圖12所示為針孔斷面激光顯微鏡觀察，外觀寬度約5～10 μm，對應(yīng)深度約1.5～2μm，斷面形態(tài)比大約不大于2～7。

圖9 NAK80的顯微組織

圖10 NAK80逐步精細拋光的微分干涉儀研究

圖11 NAK80上針孔的激光顯微鏡觀察

圖12 NAK80上針孔的激光顯微鏡觀察

（4）PD613。

PD613 顯微組織如圖13 所示，存在共晶碳化物，不同階段研磨后顯微鏡下觀察如圖14所示。

圖13 PD613的顯微組織

圖14 PD613逐步精細拋光的微分干涉儀研究

經(jīng)1500#砂紙研磨后可見針孔，1800#以后呈現(xiàn)多發(fā)針孔，顯微組織可以觀察到碳化物彌散分布，碳化物作為模具材料中硬質(zhì)點相，硬度高，研磨難度較大。然而，隨著拋光研磨磨料粒度變小，凹狀的針孔數(shù)量隨之增加。碳化物的尺寸大部分在10μm 左右，對應(yīng)出現(xiàn)針孔的磨料粒度尺寸約9μm。圖15所示為原子間力顯微鏡觀察的針孔形貌，可見明顯角狀邊界存在。

圖15 PD613上針孔原子力顯微觀察

（5）D-SRAR。

D-STAR的顯微組織如圖16所示，未觀察到明顯的非金屬夾雜物。不同階段研磨后微分干涉儀觀察形貌如圖17 所示。經(jīng)8000#研磨拋光后也未觀察到針孔。此鋼具有良好的鏡面加工性性，經(jīng)確認可以具備經(jīng)14000#以上打磨的鏡面要求。

圖16 D-STAR的顯微組織

圖17 D-STAR逐步精細拋光的微分干涉儀研究

（6）SUS630。

如圖18 所示，SUS630 的顯微組織。各階段研磨時數(shù)字顯微鏡組織如圖19所示，針孔缺陷非常少，可以觀察到直徑?1μm左右的凸狀微粒。拋光后經(jīng)細致觀察存在尺寸接近的凹坑，凹坑部分原子間力顯微鏡觀察如圖20所示，此針孔外形尺寸，經(jīng)精確觀察針孔直徑約2μm，深約50nm（0.05μm）。

圖18 SUS630的顯微組織

圖19 SUS630逐步精細拋光的微分干涉儀研究

圖20 SUS630上針孔原子力顯微觀察

4 結(jié)果分析

模具材料中碳化物、硫化物、氮化物、氧化物等各種夾雜物經(jīng)不同階段研磨后，碳化物及各種非金屬夾雜物對針孔的影響有明顯的差異。

（1）軟質(zhì)粒子（硫化物）。

對于PX5和NAK55含有硫化物的模具材料，硫化物尺寸比氮化物、氧化物類非金屬夾雜物外形尺寸大，大約10～100 倍。模具材料中的軟質(zhì)塑性夾雜物被優(yōu)先磨平，來自研磨初期對拋光表面的不同色差，影響程度可以肉眼識別。一般情況下，從色差和反射率方面影響鏡面加工效果。

例如，采用1500#研磨，對應(yīng)材料中寬只有10μm的非金屬夾雜物，研磨劑粒度大時非金屬夾雜物內(nèi)部無法被優(yōu)先研磨。因此，使用不同粒度的磨料，對于不同尺寸的非金屬夾雜物進行研磨拋光時，鏡面加工性就會表現(xiàn)不同的級別。普遍認為，硫化物尺寸細小可以使鏡面加工性明顯提高。

（2）硬質(zhì)粒子（碳化物、氧化物、氮化物）。

碳化物、氧化物、氮化物在模具鋼材料中硬度高，屬于相對難研磨的相。所以粗磨時呈凸狀微粒子，當拋光磨料粒度大小接近硬質(zhì)粒子尺寸時更容易脫落而形成針孔。

觀察PD613的碳化物尺寸10μm，則在1800#磨料粒度9μm 研磨下開始脫落。觀察NAK80 中AlN 夾雜約5μm，磨料粒度6μm 時脫落。觀察SUS630 氧化物約1～3μm左右，經(jīng)磨料粒度3μm開始脫落僅少數(shù)保留下來。以上事例說明，拋光過程中針孔的形成，與磨料粒度尺寸、硬質(zhì)非金屬夾雜物粒子的大小近似程度相關(guān)。

（3）軟質(zhì)粒子+硬質(zhì)粒子。

以硫化物為主體的軟質(zhì)非金屬夾雜物，部分是和硬質(zhì)夾雜粒子共存的，打磨過程中硬質(zhì)粒子表現(xiàn)為更加容易脫落。也就是，硬質(zhì)粒子周圍的軟質(zhì)夾雜優(yōu)先被研磨時，硬質(zhì)粒子保持力在研磨過程中變?nèi)酢?/p>

5 結(jié)論

關(guān)于模具材料鏡面加工性針孔缺陷的產(chǎn)生：碳化物、硫化物、氮化物、氧化物的影響分析如下：

（1）軟質(zhì)塑性非金屬夾雜物（硫化物）通過優(yōu)先被研磨后形成針孔，而硬質(zhì)脆性的非金屬夾雜物（氮化物、氧化物）和其他碳化物，通過剝落形成針孔。

（2）針孔的形態(tài)取決于非金屬夾雜物的類型。對于軟質(zhì)的塑性非金屬夾雜物來說具有淺而寬的形貌，而對于脆性硬質(zhì)的非金屬夾雜物呈深而窄的形貌。

（3）拋光時磨料粒度大的情況下，無論是被優(yōu)先研磨還是剝落，出現(xiàn)針孔的情況較少。然而，粒度小會增加針孔的數(shù)量。

（4）當磨料粒度與硬質(zhì)夾雜顆粒粒度尺寸接近時，硬質(zhì)夾雜物和碳化物更容易脫落。

（5）當硬質(zhì)脆性夾雜物與軟質(zhì)塑性夾雜物混合分布時，打磨過程中比其單獨分布更容易脫落。

綜上，鏡面加工過程中抑制針孔的產(chǎn)生，在拋光方面應(yīng)該注意：①磨料粒度細小，非金屬夾雜物容易引起針孔發(fā)生，接近拋光完成時有必要保留最一定的研磨余量；②硬質(zhì)夾雜物脫落時產(chǎn)生針孔較深，同樣粒度下繼續(xù)研磨，針孔難以去除，宜采用從較粗的研磨開始重新研磨拋光去除。