ZW863ESR超鏡面車燈模具鋼開發及研究

曹立軍，姚宏康，張長春，陳海桐，潘成明，張海英

（1.唐山志威科技有限公司，河北唐山 064200；2.河北省工模具鋼技術創新中心，河北唐山 064200；3.唐山市工模具鋼研究與開發技術創新團隊，河北唐山 064200）

1 引言

ZW863ESR 為我司自主開發的一種Cr-Mo-V 系熱作模具鋼，是在GB/T 1299-2014 4Cr5MoSiV、ASTM A681-2008 H11、DIN EN ISO 4957-2001 1.2343（X37CrMoV5-1）、NADCA#207-2016 GRADE D（Type H11/2343）基礎上進行成分優化設計，材料性能及穩定性得到進一步提升。該鋼種具有良好的淬透性、組織均勻性、沖擊韌性、熱疲勞性、耐磨性及優異的鏡面拋光性能。由于其優異的綜合性能，廣泛應用于熱鍛模、鋁型材擠壓模、鋁鎂合金壓鑄模、車燈模具[1～2]，其中，車燈模具要求最高。

本文根據車燈模具使用要求，并結合NADCA#207-2016[3]、SEP 1614-1996 等 國 際 通 用 標 準[4]，對ZW863ESR模具材料的實物指標進行分析，最終對拋光性能進行綜合評價，確定滿足車燈模具拋光要求與材料關鍵技術指標的對應性。為超鏡面車燈模具量產奠定理論基礎。

2 車燈模具使用要求

汽車車燈作為汽車的核心部件，在汽車工業中占據著舉足輕重的地位[5]。汽車車燈外觀要求高，其重要零件都是透明件、電鍍件等，可以說汽車外觀要求最高的零件就是車燈，因而對模具材料及制造要求極高[6]。車燈模具作為汽車燈具成型的主要工具，對模具拋光性能、耐磨性能及沖擊韌性有著極高的要求，尤其是鏡面拋光性能。

車燈根據位置可分為前大燈、尾燈、霧燈、轉向燈等，其中，前大燈要求最高。前大燈又分為燈罩及反光鏡。燈罩為透明塑料件（外觀件），不允許有斑點、收縮凹陷、熔接痕、飛邊等缺陷。反光鏡為表面鍍鉻件（電鍍件），對斑點的要求比燈罩更為苛刻，也是車燈模具中要求最嚴苛的部件。

3 模具材料關鍵技術要求

3.1 化學成分

化學成分要求如表1 所示。主要化學成分在NADCA#207-2016 GRADE D（Type H11/2343）等標準基礎上進一步縮窄范圍，并增加殘余元素要求及添加特殊元素。

表1 化學成分要求 %

3.2 非金屬夾雜物

非金屬夾雜物要求如表2所示。非金屬夾雜物在NADCA#207-2016 S級基礎上增加Ds要求。

表2 非金屬夾雜物要求（級）

3.3 顯微組織

（1）火組織按NADCA #207-2016標準進行評級，合格級別滿足AS1-AS6。

（2）狀偏析按SEP 1614-1996 標準進行評級，合格級別滿足SA1-SA4，SB1-SB4。

3.4 口沖擊性能

無缺口沖擊性能，采用7×10×55mm試樣，沖擊平均值≥320J，單個最小值≥280J。

4 模具材料開發工藝流程

采用建龍集團高爐+轉爐+精煉+真空脫氣+連鑄流程精煉鋼作為電極母材，經保護氣氛電渣+高溫均質化處理+多向鍛造成型+超細化處理，獲得高純凈度、組織均勻、高韌性車燈模具鋼材料。

4.1 坯料純凈度及電渣重熔質量控制

從拋光性能的主要影響因素—麻點出發，控制原始坯料的純凈度，尤其是大顆粒球狀氧化物夾雜。坯料采用高爐鐵水≥70%的裝爐方式進行轉爐冶煉，保證P、S 及殘余元素含量，鋼水經精煉及真空脫氣，保證氣體含量，進行無鈣化處理工藝[7]，在保證鋼水可澆性的條件下，并連鑄成型，獲得高純凈度電極坯料。

連鑄電極坯經進口恒熔速保護氣氛電渣重熔，冶煉錠型為?1,100mm，原始枝晶偏析及宏觀成分偏析得到明顯改善，獲得致密度、結晶組織、枝晶偏析及截面成分均勻性良好的電渣錠。

4.2 高溫均質化及熱變形質量控制

ZW863ESR為Cr-Mo-V系熱作模具鋼，鋼種主要合金元素Cr、Mo、V為強碳化物形成元素，在凝固過程易與碳結合形成M23C6、M6C及MC型碳化物，造成原始枝晶偏析，嚴重時將在枝晶間形成液析碳化物。根據鋼種合金含量及碳化物類型特點，采用鍛前1,260℃長時間高溫均質化處理，有效溶解原始MC型碳化物，并使得枝晶干與枝晶間碳及合金元素得到短程擴散，對改善電渣錠原始枝晶偏析效果良好。

高溫均質化的電渣錠再進行多向鍛造成型，充分破碎未溶解、擴散的枝晶偏析，進一步改善偏析程度，均勻組織。

4.3 預備熱處理質量控制

鍛后采用1,060℃高溫固溶處理，進一步溶解高熔點碳化物，得到均勻的固溶體，并采用水空交替的冷卻方式，控制模塊中心冷速，避免碳化物沿晶界析出。在固溶處理后進行等溫球化退火，改善組織均勻性的同時細化晶粒，從而達到超細化處理的目的。經預備熱處理，獲得組織均勻、晶粒細小的球化組織，為模具最終熱處理創造良好的組織條件。

5 模具材料實物指標及性能

對試制的300×1,100mm及560×1,100mm模塊，分別進行化學成分、氣體、低倍組織、非金屬夾雜、顯微組織、晶粒度、無缺口沖擊、超聲波探傷及拋光性能檢測。

5.1 化學成分及氣體

化學成分實物指標如表3所示。

表3 化學成分實物指標 %

氣體實物指標如表4所示。

表4 氣體實物指標 ppm

氣體O、N、H控制良好，符合技術要求。

5.2 低倍組織

在模塊冒口端取片，經酸浸腐蝕后，檢驗橫截面低倍組織，無肉眼可見的白點、夾雜、裂紋、皮下氣泡、翻皮和分層等缺陷。中心疏松和錠型偏析按GB/T 1299 第三級別圖評定，一般疏松按GB/T 1979 評定，均符合≤1.0級要求。低倍組織實物指標如表5所示。

表5 低倍組織實物指標（級）

5.3 非金屬夾雜物

在冒口端低倍片上取樣，檢驗非金屬夾雜物，按GB/T 10561-2005 標準評級，試驗模塊純凈度良好，無0.5級以上非金屬夾雜。

非金屬夾雜物實物指標如表6所示。

表6 非金屬夾雜物實物指標（級）

5.4 顯微組織

試樣分別取自300×1,100mm、560×1,100mm 模塊截面中心位置，試樣經拋光及4%硝酸酒精腐蝕后觀察縱截面顯微組織。

在50×下觀察，無明顯帶狀及液析碳化物，按SEP 1614-1996 標準評定，帶狀偏析達到SA1。在500×下觀察，退火組織由鐵素體基體上均勻分布的球狀碳化物組成，無鏈狀碳化物及大塊鐵素體，按NADCA#207-2016 標準評定，退火組織達到AS3。具體帶狀及球化組織如圖1所示。

5.5 晶粒度

試樣經1,000±10℃奧氏體化、保溫30min，分級淬火至700℃保溫30min，然后空冷至室溫。按GB/T 6394進行評級，晶粒度均達到8.0級以上。

5.6 無缺口沖擊性能

試樣分別取自300×1,100mm、560×1,100mm 模塊截面中心位置，取短橫方向（ST）及縱向（L）無缺口沖擊試樣，試樣尺寸7×10×55mm，試樣經1,000±10℃奧氏體化，保溫30min，油淬，至少回火2次，確保最終硬度44～46HRC。橫縱向無缺口沖擊及等向性如表7及圖2所示。

表7 橫縱無缺口沖擊及等向性實物指標

5.7 拋光性能

試樣分別取自300×1,100mm、560×1,100mm 模塊冒口端截面中心位置，試樣熱處理至硬度46～48HRC，進行拋光性能檢驗，拋光亮度均達到12000#，無明顯麻點及料紋。可滿足高端車燈模具拋光性能要求。拋光檢測結果如表8所示。

表8 拋光檢測結果

6 結束語

經以上流程開發的ZW863ESR獲得高純凈度、高均勻性、高韌性車燈模具鋼材料，關鍵技術指標可滿足NADCA#207-2016 標 準GRADE D（Type H11/2343）相關技術要求，沖擊試樣在44～46HRC 硬度下，橫向無缺口沖擊功達到320J 以上，等向性達到0.9 以上，拋光試樣在46～48HRC 硬度下，拋光亮度達到12000#，可滿足高端車燈模具使用要求。