控制模具钢中的非金属夹杂物

1.非金属夹杂物对模具钢的危害

钢中夹杂物对其工艺性能和使用性能带来一定危害。其危害具体表现在以下几个方面。

（1）脆性夹杂物对模具钢的危害 以球状氧化物为主的D类夹杂物，如CaO-Al₂O₃、MgO-Al₂O₃、CaO-Al₂O₃-SiO₂等。这类夹杂物硬而脆、钢变形时夹杂物不变形，在钢与夹杂物界面产生相对位移，随着变形应力的持续增加，夹杂物周围将出现微细裂纹。最终形成导致钢材强度和韧性下降的大裂纹。由此可见，脆性夹杂物是使钢产生裂纹的源头。随其含量的增加，钢的强度和冲击韧度明显下降；钢中裂纹的出现率增大，最终导致钢的耐疲劳性能下降。

图9-1示出钢中含氧量对模具钢热冲击裂纹的影响。随钢中含氧量的增加（钢中氧主要以氧化物夹杂状态存在），热作模具钢裂纹出现几率增加，模具的使用寿命缩短。

（2）塑性夹杂物对模具钢的危害 塑性夹杂物主要以硫化锰MnS和硅酸盐（如MnO-SiO₂、MnO-SiO₂-Al₂ O₃、FeO-SiO₂）等形态存在于模具钢中。这类夹杂物随钢的变形而呈带状分布，属于A类和C类夹杂物。能增大模具钢的各向异性，特别对冲击韧度的影响最为明显。表9-10列出了4Cr5MoSiV1钢中氧与夹杂物含量对冲击韧度的影响。从表中数据可知：随着钢中夹杂物含量的增加，冲击韧度下降，而冲击韧度的异向性也明显增大。

图9-1 钢中含氧量对模具钢热冲击裂纹的影响

表9-10 4Cr5MoSiV1钢中氧与夹杂物含量对冲击韧度的影响

（3）夹杂物增大模具表面粗糙度 生产透明塑料制品，如光学仪器用透镜、镜片等，对成型模具的镜面加工性能有很高的要求。钢中的非金属夹杂物、氧化物、硫化物、硫氧化物以及疏松、气泡等，都是造成模具镜面抛光和研磨加工时，形成针眼、孔洞的主要原因。因此，作为要求镜面加工的模具钢，对钢中夹杂物的数量、大小、分布等都有很高的要求。图9-2示出钢中≥10μm硫化物夹杂数量与表面粗糙度的关系。图9-3示出钢中氧化物夹杂含量对微孔个数的影响。

综上所述，不同类型的夹杂物对模具钢的不同性能产生不良影响。针对不同情况尽量降低夹杂物含量，以提高模具的使用寿命。

2.电渣重熔降低模具钢中非金属夹杂物

电渣重熔是降低模具钢中夹杂物的有效精炼方法，现已广泛地用于模具钢的精炼，特别是在热作模具钢方面应用最广。

图9-2 钢中≥10μm硫化物夹杂数量与表面粗糙度的关系

图9-3 钢中氧化物夹杂含量对微孔个数的影响

表9-11列出了热作模具钢4Cr5MoSiV1采用电渣重熔与电炉冶炼两种铸锭方法，在去除钢中夹杂物的对比结果。从表中数据可知：钢中夹杂物总量对比，条件相同时，电渣重熔钢锭非金属夹杂物的含量，比电炉冶炼钢锭低25%～57%。A类和D类夹杂物评级对比，电渣重熔钢锭均低于电炉冶炼钢锭，特别是D类危害最大的夹杂物，电渣重熔钢锭均小于0.5级，而电炉冶炼钢锭出现有1.0级。

表9-11 两种铸锭方法产生钢中非金属夹杂物的比较

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可以认为：电渣重熔去除模具钢中非金属夹杂物的效果是显著的。但是，必须掌握以下工艺参数和操作要点，才能得到良好的精炼效果。

有效降低模具钢中夹杂物的电渣重熔操作要点如下：

（1）冶炼自耗电极时选择合理的终脱氧制度 电渣重熔用自耗电极中氧化物的形态，对重熔过程夹杂物的去除效果有明显的影响。表9-12列出自耗电极终脱氧对电渣重熔夹杂物去除率的影响。从表中可以得出：用铝终脱氧的效果远低于用复合脱氧剂或硅钙的脱氧效果。因为铝脱氧产物为云絮状的氧化铝与铝酸盐组成的高熔点、分散团絮状夹杂物，很难浮升排除。采用复合脱氧剂的脱氧产物为熔点低、容易聚合成大颗粒、易于为熔渣吸收，因此去除率高。

表9-12 自耗电极终脱氧对电渣重熔夹杂物去除率的影响

由此可见，为了提高电渣重熔去除夹杂物的效果，利用中频感应炉冶炼自耗电极时，应选用硅钙、硅钡、硅钙钡铝等复合脱氧剂进行钢液终脱氧。

（2）采用小电渣钢锭和小充填比重熔 与大锭型和大充填比（自耗电极横断面积与结晶器横断面积之比值）相比，小锭型小充填比重熔具有低熔化速度。低熔化速度重熔时，自耗电极末端熔滴细小，钢渣接触的比面积增加，精炼效果增大，有利于去除夹杂物。表9-13列出4Cr5MoSiV1钢电渣重熔的精炼效果。这是不同锭重和不同充填比重熔热作模具钢的试验结果。从表中可知：小锭型小充填比的夹杂物去除率比大锭型大充填比重熔高出10%；氧的降低率高出约20%。

表9-13 4Cr5MoSiV1钢电渣重熔的精炼效果

（3）降低熔渣中不稳定氧化物含量 电渣重熔模具钢时，大多采用CaF₂-Al₂O₃-CaO渣系，其中CaO是因CaF₂分解后自然形成的组分。除此以外，熔渣中还含有一定数量的不稳定氧化物，包括FeO、SiO₂、MnO。这些氧化物在高温下，会引起钢液中易氧化元素的氧化，而增加重熔钢中新的内生夹杂物。同时会使钢中易氧化元素含量减少。因此，应将重熔用渣中FeO、SiO₂、MnO含量降低到总量（质量分数）小于1.0%。具体降低方法是在化渣炉内，用铝粉精炼熔渣之后再使用。

（4）清除自耗电极表面的氧化物 中频感应炉或其他炉型浇注的自耗电极表面，存在一层氧化物薄层。其中包括FeO、SiO₂、MnO、Cr₂O₃等氧化物。重熔时，这一层氧化膜熔入熔渣，将增加钢中含氧量与夹杂物数量。因此，重熔前应对自耗电极表面进行机械或化学处理，除去表面氧化层。

（5）降低电渣重熔渣层上方氧分压 重熔时，可在渣层上方用氩气或氮气进行保护。减少大气中H₂O、O₂对熔渣供氧，可以减少钢中含氧量，降低新生夹杂物数量。

3.钢液喷粉处理降低模具钢中非金属夹杂物

利用惰性气体作载体，通过专用喷粉装置将CaF₂-CaC₂粉剂喷入感应炉内，对钢液进行脱氧与脱硫，达到精炼的目的。

CaF₂-CaC₂粉剂由CaF₂（萤石）20%～30%和CaC₂（电石）70%～80%组成。粉剂粒度80%应小于0.5mm。配制好后，应在300～400℃烘烤干燥后装桶使用。向炉内钢液喷粉时，运载气体氩气经脱水干燥后使用。气体压力0.10～0.20MPa，大容量炉可适当调高压力。氩气消耗量约0.20～0.50m³/min。喷粉钢管伸入钢液深度约200～500mm（随炉子容量而变）。喷吹时最好停电，或在保温功率下进行。

表9-14列出喷粉处理对4Cr5MoSiV1钢中非金属夹杂物的影响。这是冶炼热作模具钢4Cr5MoSiV1时，在钢包中喷吹CaF₂-CaC₂粉对夹杂物的去除试验结果。

表9-14 喷粉处理对4Cr5MoSiV1钢中非金属夹杂物的影响