干货_国内外塑料模具钢研究现状及发展趋势

点击上方↑模具行业，请关注我们关于提醒读者和作者注意欺诈的声明已被删除。如果您需要全文，请购买杂志或到知识网络下载塑料模具钢，主要用于制造和生产塑料产品的模具。塑料模具的工作特点是：不仅要承受热塑料熔融液的侵蚀和磨损，还要承受氯、氟等有害气体的腐蚀。其工作环境复杂，合金元素种类多，内部影响机制多样化。为了提高塑料产品的质量，扩大应用领域，塑料模具钢正朝着高精度、高效率、使用寿命长的方向发展。目前，新型塑料模具钢的发展主要有两种方式：①开发高性能、低成本的新钢种，结合我国资源和冶金技术的实际情况；②引进一些国外性能优良的钢材，进行定位开发，取代昂贵的进口钢材。中国在十三五规划中明确提出：在塑料模具钢方面，对于718种塑料模具钢，为模具钢制造商提供高温均质化、锻造模具钢制造商提供高温均质化、锻造和预热处理技术的输出工艺参数。此外，基于成分、工艺、组织和服务性能的研究，开发大截面、高均匀、节能贝氏体预硬塑料模具钢和高抛光、易切割、耐腐蚀镜塑料模具钢。国内外塑料模具钢概况1现代工业，模具领先，目前瑞典、德国、日本、法国等钢铁强国，技术先进，模具钢品种齐全，形成了几个世界知名品牌，除熟悉瑞典、日本同类企业、德国葛利兹、欧洲进口、日本高周波、日立金属、瑞典斯堪纳集团也在行业中闻名。与欧美**相比，中国的模具钢研究起步较晚。一开始，没有塑料模具钢专用钢系列，选择的钢种较多，包括20钢、45钢等碳结构钢，T8钢、T10钢等碳工具钢，40Cr、38CrMoAl等合金结构钢，Cr12等合金工具钢，甚至H13一般模具钢，由于不是专用钢，模具使用寿命短，消耗大，模具成型产品质量低，虽然自20世纪90年代以来，我国塑料模具钢呈现出高速追赶状态，但仍存在以下三个主要问题：①低端产品市场供过于求。由于低端产品市场准入门槛低，国内生产企业在市场竞争中陷入恶性竞争；②同类高端产品严重依赖进口，进口产品价格达到国内同类产品3~6倍；③国内大多数特钢企业在生产设备和技术应用上无法实现对产品的长期稳定控制，不同批次产品质量参差不齐。大截面和高均匀塑料模具钢2用作大截面模具P20钢更初是美国提出的，属于中碳Cr-Mo塑料模具钢包括1.85%Cr、1.30%Mn、0.40%Mo等合金元素可以保证淬透性。目前，大型塑料制品包括家电外壳、汽车中控台等，其更大尺寸是600mm以上，为了使如此大的模块整体硬度均匀，必须进一步提高淬透性，传统P20合金结构钢不能满足大型塑料制品的要求。因此，模具钢制造商基于中国的标准P20在钢的基础上不断改进，形成企业自身的品牌，具体的品牌和成分如表1所示。KPM30由高周波推出P20改良塑料模具钢P20与钢相比，其硬度、切削性能和淬透性都更好。在相同切削长度的条件下，刀具的磨损量可减少50%，厚度可降低50%500mm从试件表面到心脏的硬度均匀性明显提高。718系列包括718钢，718H钢、718HH其中8钢等P20加入钢的基础0.8%~1.2%的Ni，从而显著提高其韧性、塑性和耐腐蚀性。FBEAUDET进一步研究发现，在P20＋0.5%Ni钢中，加入0.35%V，在相同的组织条件下，模块的尺寸可以增加88%，试验结果也适用于718钢。1.2738钢的成分与718钢一致，出厂硬度为32~36HRC，可用于保险杠、仪表板、大型垃圾桶等大型模具零件。738HH钢化学成分为0.27%C、0.30%Si、1.55%Mn、1.35%Cr、1.00%Ni，以34~38HRC预硬出厂适用于保险杠、仪表板、门板等表面要求较高的大型汽车覆盖件的模具零件。在国内十一五期间，上海大学先进模具材料及应用技术研发团队与宝钢特钢、宏盛重工等企业共同成功试制了大截面预硬塑料模具钢SDP2738。SDP2738在718钢的基础上减少Ni含量增加Mn含量，降低了生产成本，并采用**的空冷及水冷淬火技术，使模块更大厚度达到1250mm截面硬度波动≤4HRC，用于汽车前后保险杠、大型家电等模具材料，可替代进口材料718HH等大截面预硬化塑料模具钢。上海大学开发的另一种大截面贝氏体预硬塑料模具钢SDP1(**授权:ZL2.5），生产周期比718钢缩短一半，厚度可达1100mm，成品硬度波动≤3HRC，718、2738可替代进口P20等钢，适用于家用电器大截面塑料模具、汽车内饰模具等。通过合金成分优化，加入了江来珠发明的贝氏体大截面塑料模具钢0.005%~0.008%N和微量Ti元素，Ti/N=3/4并控制碳含量0.20%~0.30%、轧/锻后无需调质即可获得整个截面的粒状贝氏体和良好的力学性能，模块更大厚度可达500mm。降低塑料模具制造成本，缩短模具制造周期，提高机械性能，将成为产品研发的主要趋势。鉴于上述问题，除了提高切割技术和切割工具的质量外，还必须优化模具材料本身的加工性能。为了提高预硬钢的切割性能，研究人员在钢中添加了它S、Sn、Pb、Bi、Ca、Cu、Ti、Mg等易切割元素。国外易切割钢的研究起步较早。1920年，美国**成功开发易切割钢并成功生产。它有90多年的发展历史。目前，超过一半的国际易切割钢市场由日本和美国占据。特别是在易切割塑料模具钢领域，日本具有**优势，具有代表性的品牌和化学成分如表2所示。目前，日本高周波钢厂主要推广以下两种易切塑料模具钢：①KAP90F是H13改进型Cu易切割钢，Cu含量为0.23%~0.28%，其他合金元素含量为0.39%C、1.00%Si、0.45%Mn、5.30%Cr、1.10%Mo、0.55%V，出厂硬度为38~42HRC，主要用作推杆和模具标准件；②KAP65（成分未公开）是Ni-Al化合物沉淀形成硬化的先进塑料模具钢，硬度达到40HRC，主要用作精密成型制品。日本大同的NAK55是S-Cu易切割及时硬化塑料模具钢，出厂硬度为37~43HRC，S和Cu其硬度和切削性能都很好，可用于高质量、高硬度的精密模具。CorroplastFM在德国蒂森克虏伯钢厂开发的钢材1.2085加入钢的基础0.1%S，提高了Mn含量降低C在保证耐腐蚀性的条件下，提高淬透性。DFRIE研究发现，加工1.2085钢刀加工22个槽后，损坏严重，不能继续使用；加工CorroplastFM钢刀加工52个凹槽后，情况依然良好，无明显损坏，CorroplastFM优于钢的切削性能1.2085钢。葛利兹钢厂1.2312钢是在P20加约0.06%S，从而成为硫系易切塑料模具钢，交货状态为29~34HRC，更大截面尺寸约为400mm，硬度均匀性好，主要用于生产要求稍高的模架和模芯，加工性能好。1953年，中国开始研究易切割钢，首先开发易切割钢S系，随后是Ca系和Ti然后开发稀土易切割钢。Cr2MnWMoVS钢是由华中科技大学和首钢特钢联合开发的易切削精密模具钢，硫含量为0.08%~0.15%，S在钢中以MnS当存在非金属夹杂物时，不仅可以降低切削力，还可以润滑刀具，延长刀具的使用寿命，而且如果形成低熔点FeS-Fe的共晶或MnS和FeS固溶体可能会产生热脆现象。叶月华等研究发现，通过控制锰硫含量比≥4可避免热脆现象，此时钢中硫锰全部形成MnS。此外，硅的切削性能受损，脱碳倾向会增加，其含量应控制在0.4%以下。P20S、P20BS、P20SRe、P20BSCa都是上世纪90年代华中科技大学研发的，都属于P20的改进钢种。其中P20BSCa合金元素为0.37%C、0.78%Si、1.43%Mn、0.99%Cr、0.22%Mo、0.09%V、0.0023%B、0.075%S、0.0002?，其合金化的特点是添加Cr、V、微量B作为强韧性元素，有效保证淬透性和适量Mo能净化晶界，从而抑制回火脆性的发生，S-Ca在复合系统中S在易切割钢的基础上，通过适量Ca的加入，对MnS夹杂物的大小和形状发挥MnS夹杂物由条状变为纺锤状，进一步提高了切削性能和润滑效果。SDPCu是上海大学开发的塑料模具钢，其热处理工艺为淬火1030℃＋回火500~600℃，淬火硬度为35~45HRC，塑料模具钢加入Cu改进元素的方法4Cr13实现切削性能4Cr13S易切割钢的水平，提高了耐腐蚀性和皮纹蚀刻性，可替代进口钢M333钢。耿鸿明等研究发现，Cu提高切削性能的原因是铜的产生-石墨复合相、复合相可发挥固体润滑剂润滑工具的作用，在刀片上形成固体润滑膜，减少切割过程中的切割热量，减少刀具的磨损。耐腐蚀塑料模具钢4塑料产品含有大量的合成树脂和填料、填料、稳定剂、润滑剂、颜色材料等添加剂，这些添加剂在熔化状态下会沉淀氯、氟等元素的腐蚀性气体，即使在高湿度空气中，模具也会被腐蚀。目前，提高塑料模具钢耐腐蚀性的主要方法是在钢中添加Cr、N等元素。国外模具制造商通常使用马氏体不锈钢作为塑料制品的成型材料，其中420马氏体不锈钢是典型的钢材Cr13马氏体不诱钢，即2Cr13马氏体不锈钢。Cr13马氏体不锈钢是指Cr含碳量约13%，含碳量约13%（≤0.45%)较低的不锈钢还包括马氏体不锈钢，它添加了其他合金元素来提高不锈钢的性能。目前，占据高端不锈钢耐腐蚀钢市场的钢材大多为420不锈钢及其改良型，具体品牌和化学成分如表3所示。葛利兹钢厂在420钢的基础上，结合自身优势相继开发1.2083系列和1.2316系列，1.2083钢一般退火交付，合金元素主要有0.40%C、13%Cr，主要用于耐腐蚀塑料模具，抛光性能优异。1.2083VictoryESR和合金成分1.2083钢基本一致，但在冶金过程中采用了更先进的电渣重熔技术，可以获得更干净、更均匀、更致密的钢锭1.2083钢类似，但可应用于粗糙度要求更高的模具。1.2083VictoryESR＋N在1.2083VictoryESR添加到基础上0.25%V，降低了0.02%C，添加适量N，进一步提高钢的耐腐蚀性。1.2085钢是一种耐腐蚀型预硬塑料模具钢，其出厂硬度为28~33HRC，包括合金元素0.33%C、16%Cr、0.25%Ni、0.07%S，S增加提高了钢的加工性能，主要用于镶嵌、模架等。大同特种钢G-STAR是1.2085钢的改良版，其包括合金元素0.35%C、16%Cr、1%Mo及适量的S，出厂时为预硬态31~34HRC，主要用于耐腐蚀模架模座。日立金属的HPM38钢是13Cr系含Mo耐腐蚀钢，工厂状态为淬火回火，硬度为50~55HRC，主要用作磁带外壳、医疗器械、碗碟等模具。CENAl预硬不锈钢实现了耐腐蚀和抛光性能的完美结合Cr、Al、Ni等元素以CrNiAl、Cr、NiAl等形式沉淀，起到沉淀硬化的作用，常用作耐腐蚀、高镜面要求、高光无痕成型模具。MIRRAX40是耐腐蚀的预硬模具钢，出厂硬度可达到360~400HB，合金元素含量为0.21%C、0.9%Si、0.45%Mn、13.5%Cr、0.2%Mo、0.25%V、0.6%Ni、适量的NoN和Ni适用于腐蚀性塑料的注射模和吹塑模，可有效提高耐腐蚀性。CORRAX碳含量仅为0.03镍含量为%9.2铝含量为%1.6时效硬化%40~51HRC，耐腐蚀性好。STAVAXESR它是一种耐腐蚀性和抛光性都很好的塑料模具钢材料。研究表明，回火温度越高，耐腐蚀性越差；慢冷样品的耐腐蚀性差于快冷样品。在中国，Cr系模钢是目前应用更广泛的耐腐蚀塑料模钢，主要有：2Cr13、3Cr13、3Cr17、4Cr13、9Cr18、1Cr 17Ni2、9Cr18Mo、X36CrMo17、0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)等，其中4Cr13属于中碳高铬型不锈钢，其合金成分为0.36%~0.45%C、Si≤0.60%、Mn≤0.80%、12%~14%Cr、0.60%Ni、S≤0.03%、P≤0.04%，Cr可提高铁-铬合金的淬透性并显著提高耐蚀性，因为Cr的腐蚀电位比铁低，钝化能力比铁更强。在铁铬合金中，Cr含量增加会导致合金的腐蚀电位和临界钝电位向负电位方向移动。致钝电流密度逐渐减小，即表明合金中铬含量越高则越易钝化，耐蚀性越好。PCR钢是由上海材料研究所研制的马氏体时效析出硬化不锈钢，其中加入了约0.3%Zr，可有效细化晶粒，该钢经过高温固溶和时效处理后，具有良好的耐腐蚀性能，其耐蚀性大大优于美国17-4PH钢。高氮钢作为一类新钢种，目前没有统一的标准定义。曼德里将高氮钢定义为一定条件下，氮在钢中的溶解达到饱和的钢；BERNS则将其定义为“不锈钢中含0.9%的氮或工具钢中含2%的氮”。SW333是宝钢特钢自主研制的含氮耐蚀塑料模具钢，其成分特征是降低碳含量增加氮含量，其成分的改进减少了M23C6型高铬含量的碳化物的析出，增加了Cr2N型氮化物的析出[32,33]，使基体中的铬含量提高，从而改变腐蚀电位，提高耐蚀性。陈卓等人研究表明，SW333钢的腐蚀速率低于4Cr13钢，自腐蚀电位高于4Cr13钢，即SW333钢耐腐蚀性要优于4Cr13钢。SDP333（3Cr13N）钢是由上海大学在3Cr13钢的基础上研发的，其淬回火硬度为35~45HRC，以氮元素代替了部分碳元素，提高了耐蚀性能、机加工性能，其综合性能优于4Cr13钢，可取代进口的M333钢。张永军等研究发现，高氮马氏体不锈钢3Cr13N耐腐蚀的主要原因是M23C6型夹杂物数量较马氏体不锈钢3Cr13少。镜面抛光用塑料模具钢5随着人们生活品质的提高，对塑料制品的质量要求越来越高，主要通过抛光降低模具型腔的表面粗糙度值保证成型塑件的质量。在生产过程中，光滑的模具型腔表面不仅使成型的制品更加美观，还有利于脱模、缩短生产周期等优点。相关研究发现，模具钢的良好镜面抛光性（成型面表面粗糙度值Ra≤0.11μm）主要取决于钢的硬度、纯净度、晶粒度、夹杂物形态、组织致密性和均匀性等因素。国外生产厂家针对客户的需求，推出了大量的高镜面甚至超高镜面的塑料模具钢，具体牌号及化学成分如表4所示。

日本大同钢厂目前主推以下4种镜面抛光用塑料模具钢：①PAT868（成分未公开）是该厂更新研发的多用途塑料模具钢，经硬化后可达到46~50HRC，抛光性能可达到镜面级别，且拥有优良的韧性；②S-STAR钢合金元素含量为0.38%C、Si≤1%、13.5%Cr、0.1%Mo、0.3%V，可预硬至31~34HRC，经抛光后镜面度可达到12000#以上，可用于超镜面耐腐蚀精密模具；③NAK80是大同主推的高镜面性预硬钢，属于Ni-Al-Cu系列合金，成分为0.15%C、0.3%Si、1.5%Mn、0.3%Mo、3%Ni、1%Al、1%Cu，经过油石、砂纸和金刚石研磨膏依次抛光后，镜面度可达到5000#以上，主要用于高性能、精密塑料模及透明塑料制品等重视镜面研磨性的模具；④NAK-PRM作为一种超镜面性、高韧性、耐腐蚀性预硬钢，抛光后镜面度可达到8000#以上。日立金属的HPM-PRO（成分未公开）作为P21的改良预硬钢，是40HRC精密加工用钢，镜面度可达到8000#以上，韧性和精密蚀纹性好，可用于手机框体、汽车车灯相关部分模具。高周波的KAP88（成分未公开）具有40HRC的高硬度，属于Ni-AI化合物析出形成硬化的**塑料模具钢，经过研磨和抛光后其镜面度可达到8000#以上，主要用于精密塑料模及结构零件等。瑞典斯堪纳集团的ASPM及ASPM-VIP均为镜面级预硬塑料模具钢，二者成分基本相同，均为0.27%C、0.25%Si、1.50%Mn、1.40%Cr、1.1%Ni、0.55%V，但ASPM-VIP采用了电渣重熔技术，具有比ASPM更高的纯净度。前者适用于透明塑件、家用电器及汽车类高抛光、高蚀刻要求、尺寸稳定的塑料模，后者可用于抛光和蚀刻要求更高的透明件等。进口的POLMAX具有优异的抛光性、良好的可加工性、良好的耐蚀性和磨损性能，其出厂硬度为200HB，经过1000~1050℃的奥氏体化后，硬度可高达46~52HRC，主要用于成型透镜和CD的模具零件等。国内的镜面抛光用模具钢根据Ni含量的不同可分为低镍和高镍系列。25CrNi3MoAl是由华中科技大学研发的低镍时效硬化高精密塑料模专用钢，该钢原设计成分中S≤0.03%，但纳入YB/T094-1997标准时，改为含S≤0.1%，以改善其切削性能。06Ni钢和上海材料研究所的10Ni3MnCuAl-Mo(PMS)钢也是国产**的低镍时效硬化型镜面塑料模具钢。18Ni(250)、(300)、(350)系列是比较常见的高镍马氏体时效钢，根据Ti含量的不同，分200、250、300、350和400ksi五个级别，其实质是经过特殊固溶处理之后，产生一种超低碳Fe-Ni板条马氏体基体，在时效处理时会析出弥散相使钢得以强化，但由于镍的含量较高，价格昂贵，实际使用并不多。SDP80是由上海大学研发的时效硬化型高镜面塑料模具钢，通过调整微观组织构成，控制Ni、Al、Cu等合金元素的添加，提高材料的机加工性能和皮纹蚀刻性能，适用于高抛光或皮纹蚀刻要求较高的模具，可替代进口的NAK80。结束语6“十一五”和“十二五”期间，在**的大力支持下，国内已经涌现出一批技术先进的大型特钢企业，如宝钢特钢、中信泰富、长城特钢、东北特钢等。一方面，这些企业在成分设计、合金化原理以及炼钢技术上取得了长足进步，部分产品已经达到或接近国际先进水平；另一方面，在塑料模具钢的牌号上，通过引进国外**钢种和国产化设计，国标中塑料模具钢的种类已较完善。在取得较大进展的同时，国内的塑料模具钢市场也存在一些不足：①高端模具钢与国外同类产品质量相差较远，因为这些钢企没有完全掌握模具失效规律与组织、性能之间定性、定量的关系；②国内不同企业的同类产品质量参差不齐，目前国内的塑料模具钢市场相对混乱，不同钢企没有统一的产品标准，也没有标准化的生产流程。针对以上出现的问题，对国产塑料模具钢今后的发展方向进行简单的预测。在大截面、高均匀塑料模具钢方面，顺应塑料模大规模发展的趋势，其总体需求量继续增加。鉴于调质硬化钢在生产过程中工艺复杂、能耗高、生产周期长等缺点，经过锻造或轧制后空冷直接达到所需硬度的非调质塑料模具钢将会有广阔的发展前景。在易切削塑料模具钢方面，国产钢和国外**产品存在较大差距，主要因为冶金质量不稳定，夹杂物的种类、数量及形态控制较差。国外的经验表明，通过连铸工艺生产易切削钢可有效减少偏析的存在，并改善夹杂物的形态及分布。所以，我国应加强对连铸工艺的研究，进一步改善现有易切削钢的质量。在耐蚀塑料模具钢方面，降低生产成本是关键。增加Mn、Cu、C、N等其他元素来降低耐蚀钢中Ni的含量将是重要的研究方向。我国在高氮钢的研究上还处于落后地位，加强对高氮钢的研究将会提升我国耐蚀塑料模具钢的整体竞争力。在镜面抛光用塑料模具钢方面，控制夹杂和开发稳定的抛光技术将是关键。在提升冶金质量的同时，将机械抛光工艺、电化学抛光工艺、超声波抛光工艺与电沉积工艺和喷涂陶瓷工艺等进行有机结合，更终使钢在成分和组织确定的情况下，达到更佳的镜面效果。综上所述，我国应继续加强高端模具钢的发展和研究，结合自身能源、技术等优势，努力向模具强国发展。国内塑料模具钢市场应逐步规范，完善塑料模具钢应用体系，建立统一的检测、生产标准，并逐步形成自己的系列（如美国的P系列），使我国塑料模具钢的生产达到标准化、精细化。

▍原文标题：国内外塑料模具钢研究现状与发展趋势

▍原文作者：韩永强，吴晓春

▍作者单位：上海大学材料科学与工程学院

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