點擊上方↑模具工業，關注我們吧關于提醒廣大讀者、作者謹防詐騙的聲明有刪減，如需全文，請購雜志或前往知網下載塑料模具鋼在模具鋼的用量中占有很高比例，主要用于制造生產塑料制品的模具。塑料模的工作特點是：既要承受熾熱的塑料熔融液的沖刷磨損，又要承受氯、氟等有害氣體的腐蝕，其工作環境復雜，合金元素種類較多，內部的影響機制多樣化。為提高塑料制品質量和擴大應用領域，塑料模具鋼正向著高精度、高效率、長使用壽命的方向發展。目前，新型塑料模具鋼的開發主要有2個途徑：①根據鋼的合金化成分設計原理并結合我國資源與冶金技術的實情，研制高性能、低成本的新鋼種；②引進國外一些性能優良的鋼種，進行國產化研制，以取代價格昂貴的進口鋼材。我國在“十三五規劃”中明確提出：在塑料模具鋼方面，針對718類塑料模具鋼，要實現大截面模具鋼鍛材的質量穩定，為模具鋼生產企業提供高溫均質化、鍛造、預先熱處理技術輸出工藝參數。此外，還要基于成分、工藝、組織與服役性能關系的研究，開發出大截面、高均勻、節能型貝氏體預硬型塑料模具鋼和高拋光、易切削、耐腐蝕鏡面塑料模具鋼。國內外塑料模具鋼概況1“現代工業，模具領先”，目前的鋼鐵強國如瑞典、德國、日本、法國等，其技術先進，模具鋼種類齊全，已經形成了幾個聞名世界的品牌，除熟悉的瑞典一勝百、日本大同等企業，德國葛利茲、奧地利博樂、日本的高周波和日立金屬、瑞典的斯堪納集團等也都在業界聞名遐邇。相對歐美國家，我國的模具鋼研究起步較晚，一開始并沒有塑料模具鋼專用鋼種系列，選用的鋼種較多且雜，包括20鋼、45鋼等碳素結構鋼，T8鋼、T10鋼等碳素工具鋼，40Cr、38CrMoAl等合金結構鋼，Cr12等合金工具鋼，甚至是H13等通用型模具鋼，由于不是專鋼專用，模具使用壽命短、消耗大且模具成型的產品質量低，雖然從20世紀90年代起，我國塑料模具鋼呈現出高速追趕狀態，但仍然存在以下3個主要問題：①低端產品市場供大于求，由于低端產品市場準入門檻低，國內生產企業之間為爭奪市場已陷入惡性競爭；②同類高端產品嚴重依賴進口，進口產品價格達到國內同類產品的3~6倍；③大部分國內特鋼企業在生產設備和技術運用上無法實現對產品的長期穩定控制，不同批次產品的質量參差不齊。大截面及高均勻塑料模具鋼2用作大截面模具的塑料模具鋼P20鋼最初由美國提出，屬于中碳Cr-Mo型塑料模具鋼，其中含1.85%Cr、1.30%Mn、0.40%Mo等合金元素可保證淬透性。目前大型塑料制品包括家電外殼、汽車中控臺等，其最大尺寸在600mm以上，為使如此大模塊整體硬度均勻，必須進一步提高淬透性，傳統的P20和合金結構鋼已不能滿足大型塑料制品的要求。因此，模具鋼生產廠家基于我國的標準在P20鋼的基礎上不斷改進，形成企業自己的牌號，具體的牌號及成分如表1所示。KPM30是高周波推出的P20改良型塑料模具鋼，與P20鋼相比，其硬度、切削性能和淬透性都更優良，在相同切削長度的條件下，可使刀具磨損量減少50%，對厚500mm的試件表面至心部的硬度均勻性明顯改善。一勝百的718系列包括718鋼、718H鋼、718HH鋼等，其中718鋼是在P20鋼的基礎上加入了0.8%~1.2%的Ni，從而使其韌性、塑性以及耐腐蝕性都得以顯著提升。FBEAUDET等進一步研究發現，在P20＋0.5%Ni鋼中，加入0.35%V，能夠提高模塊的淬透性，在同等組織條件下，模塊的尺寸可增加88%，此試驗結果同樣適用于718鋼。葛利茲的1.2738鋼在成分上與718鋼一致，其出廠硬度為32~36HRC，可應用于保險杠、儀表盤、大型垃圾桶等大型模具零件。738HH鋼化學成分為0.27%C、0.30%Si、1.55%Mn、1.35%Cr、1.00%Ni，以34~38HRC預硬態出廠，適用于表面要求更高的保險杠、儀表盤、門板等大型汽車覆蓋件的模具零件。在國內“十一五”期間，首先由上海大學先進模具材料及應用技術研發團隊聯合寶鋼特鋼、宏晟重工等企業試制成功了大截面預硬型塑料模具鋼SDP2738。SDP2738在718鋼的基礎上降低Ni含量增加Mn含量，降低了生產成本，并采用精確的空冷及水冷淬火技術，使模塊最大厚度達到1250mm且截面硬度波動≤4HRC，應用于汽車前后保險杠、大型家電等模具用材料，可替代進口的718HH等大截面預硬化塑料模具鋼。上海大學研發的另一種大截面貝氏體預硬型塑料模具鋼SDP1（專利授權：ZL2.5），生產周期較718鋼縮短一半，厚度可達1100mm，成品硬度波動≤3HRC，可替代進口的718、2738、P20等鋼，適用于家用電器大截面塑料模、汽車內飾模具等。江來珠發明的一種貝氏體大截面塑料模具鋼通過合金成分優化，加入0.005%~0.008%N和微量Ti元素，Ti/N=3/4，并將碳含量控制在0.20%~0.30%，軋/鍛后不必進行調質處理即可獲得整個截面的粒狀貝氏體和良好的力學性能，模塊最大厚度可達500mm。易切削塑料模具鋼3降低塑料模具制造成本、縮短模具制造周期、提高力學性能將成為產品研發的主要趨勢，針對以上問題，除了提高切削技術和切削刀具質量外，模具材料本身的加工性能也必須進行優化。為改善預硬鋼的被切削性能，研究者在鋼中添加S、Sn、Pb、Bi、Ca、Cu、Ti、Mg等易切削元素。國外易切削鋼的研究起步較早，1920年美國首次研制成功易切削鋼并成功生產，距今已有90多年的發展歷史，目前國際易切削鋼市場，一半以上由日本和美國占領，尤其在易切削塑料模具鋼領域，日本占有絕對優勢，有代表性的牌號及化學成分如表2所示。日本高周波鋼廠目前主推以下2種易切削塑料模具鋼：①KAP90F是H13改進型Cu系易切削鋼，Cu含量為0.23%~0.28%，其他合金元素含量為0.39%C、1.00%Si、0.45%Mn、5.30%Cr、1.10%Mo、0.55%V，出廠硬度為38~42HRC，主要用作推桿及模具標準件；②KAP65（成分未公開）是Ni-Al化合物析出形成硬化的高級塑料模具鋼，硬度達40HRC，主要用作精密成型制品。日本大同的NAK55是S-Cu系易切削時效硬化型塑料模具鋼，出廠硬度為37~43HRC，S和Cu的加入使其硬度和切削性能俱佳，可用于高品質、高硬度精密模具。CorroplastFM鋼是德國蒂森克虜伯鋼廠研發的，在1.2085鋼的基礎上加入了0.1%S，提高了Mn含量，降低了C含量，從而在保證耐蝕性的條件下，提高了淬透性。DFRIE研究發現，加工1.2085鋼的刀具在加工22個凹槽后，出現嚴重的破損，不能夠繼續使用；而加工CorroplastFM鋼的刀具在加工52個凹槽之后，情況依舊良好，沒有出現明顯的破損，CorroplastFM鋼的切削性能優于1.2085鋼。葛利茲鋼廠的1.2312鋼是在P20的基礎上添加了約0.06%S，從而成為硫系易切削塑料模具鋼，交貨狀態為29~34HRC，最大截面尺寸約為400mm，硬度均勻性較好，主要用于生產要求稍高的模架、模芯，加工性能良好。我國在1953年開始研究易切削鋼，先研制易切削鋼是S系，隨后是Ca系和Ti系，之后又研制稀土易切削鋼。Cr2MnWMoVS鋼是由華中科技大學和首鋼特鋼聯合開發的易切削精密模具鋼，硫含量為0.08%~0.15%，S在鋼中以MnS型非金屬夾雜存在時，在切削加工中不僅可以減小切削力，還能潤滑刀具，延長刀具的使用壽命，但如果形成低熔點的FeS-Fe的共晶或MnS和FeS的固溶體，可能會產生熱脆現象。葉月華等研究發現，通過控制錳硫含量比≥4可以避免熱脆現象，此時鋼中的硫和錳全部形成MnS。此外，硅的存在有損切削性能，還會增大脫碳傾向，其含量要控制在0.4%以下。P20S、P20BS、P20SRe、P20BSCa均系上世紀90年代由華中科技大學研發的，都屬于P20的改進鋼種。其中P20BSCa的合金元素為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%Ca，其合金化特點是添加Cr、V、微量B作為強韌化元素，有效保證淬透性，適量的Mo能起到凈化晶界的作用，從而抑制回火脆性的發生，S-Ca復合體系是在S系易切削鋼的基礎上，通過適量Ca的加入，對MnS夾雜物的大小和形態起到變質作用，使MnS夾雜物由條狀變為紡錘狀，進一步提升切削性能和潤滑作用。SDPCu是由上海大學研發的塑料模具鋼，其熱處理工藝為淬火1030℃＋回火500~600℃，淬回火硬度為35~45HRC，該塑料模具鋼是通過加入Cu元素的方法提高4Cr13的切削性能，達到4Cr13S易切削鋼的水平，同時耐腐蝕性和皮紋蝕刻性能也得到提高，可替代進口的M333鋼。耿鴻明等研究發現，Cu能提高切削性能的原因在于產生了銅-石墨復合相，復合相能夠起到固體潤滑劑的作用潤滑刀具，在刀刃上形成一層固體潤滑膜，降低切削過程中的切削熱和減少刀具的磨損。耐腐蝕型塑料模具鋼4塑料制品內含大量的合成樹脂及填料、填塑劑、穩定劑、潤滑劑、色料等添加劑，這些添加劑在熔融狀態下會析出含氯、氟等元素的腐蝕性氣體，甚至在高濕度的空氣中，模具也會被腐蝕。目前，提高塑料模具鋼耐蝕性的主要方式是在鋼中添加Cr、N等元素。國外模具制造商通常將馬氏體不銹鋼用作塑料制品成型材料，其中420馬氏體不銹鋼是經典鋼種，是典型的Cr13型馬氏體不誘鋼，即2Cr13馬氏體不銹鋼。Cr13型馬氏體不銹鋼是指Cr含量在13%左右，含碳量（≤0.45%）較低的不銹鋼，也包括為改善不銹鋼性能添加其他合金元素的馬氏體不銹鋼。目前，占據高端不銹耐蝕鋼市場的鋼種，大多為420不銹鋼及其改良型，具體牌號及化學成分如表3所示。葛利茲鋼廠在420鋼的基礎上，結合自身優勢，相繼開發了1.2083系列和1.2316系列，1.2083鋼一般以退火態交貨，合金元素主要有0.40%C、13%Cr，主要用于耐腐蝕型塑料模具，且拋光性能優良。1.2083VictoryESR在合金成分上與1.2083鋼基本保持一致，但在冶金時采用了更先進的電渣重熔技術，從而能夠獲得更潔凈、組織均勻致密的鋼錠，應用上與1.2083鋼類似，但可應用于粗糙度要求更高的模具。1.2083VictoryESR＋N在1.2083VictoryESR的基礎上添加了0.25%V，降低了0.02%C，添加了適量的N，使鋼的耐蝕性進一步提高。1.2085鋼是一種耐腐蝕型預硬塑料模具鋼，其出廠硬度為28~33HRC，合金元素包括0.33%C、16%Cr、0.25%Ni、0.07%S，S的加入提高了鋼的加工性能，主要用于鑲件、模架等。大同特殊鋼的G-STAR是1.2085鋼的改良版，其合金元素包括0.35%C、16%Cr、1%Mo及適量的S，出廠時為預硬態31~34HRC，主要用于耐腐蝕模架模座。日立金屬的HPM38鋼是13Cr系含Mo耐蝕鋼，出廠狀態為淬火回火態，使用硬度為50~55HRC，主要用作磁帶外殼、醫療器械、碗碟等模具。CENAl預硬型不銹耐蝕鋼實現了耐蝕性和拋光性能的完美搭配，其中的Cr、Al、Ni等元素以CrNiAl、Cr、NiAl等形式析出，起到析出硬化作用，常用作耐腐蝕、高鏡面要求、高光無痕成型模具。一勝百的MIRRAX40是耐腐蝕的預硬型模具鋼，出廠硬度可達到360~400HB，合金元素含量為0.21%C、0.9%Si、0.45%Mn、13.5%Cr、0.2%Mo、0.25%V、0.6%Ni、適量的NoN和Ni的加入可有效提高耐蝕性，適用于腐蝕性塑料的注射模與吹塑模。CORRAX的含碳量僅為0.03%，鎳含量為9.2%，鋁含量為1.6%，可時效硬化至40~51HRC，具有優異的耐蝕性。STAVAXESR是耐蝕性和拋光性俱佳的塑料模具鋼材料，研究表明：回火溫度越高，其耐蝕性能越差；慢冷試樣的耐蝕性能比快冷的耐蝕性能差。在國內，Cr系模具鋼是目前應用最廣泛的耐蝕塑料模具鋼，常見的主要有：2Cr13、3Cr13、3Cr17、4Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2、9Cr18Mo、X36CrMo17、0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)等，其中4Cr13屬于中碳高鉻型不銹鋼，其合金成分為0.36%~0.45%C、Si≤0.60%、Mn≤0.80%、12%~14%Cr、0.60%Ni、S≤0.03%、P≤0.04%，Cr可提高鐵-鉻合金的淬透性并顯著提高耐蝕性，因為Cr的腐蝕電位比鐵低，鈍化能力比鐵更強。在鐵鉻合金中，Cr含量增加會導致合金的腐蝕電位和臨界鈍電位向負電位方向移動。致鈍電流密度逐漸減小，即表明合金中鉻含量越高則越易鈍化，耐蝕性越好。PCR鋼是由上海材料研究所研制的馬氏體時效析出硬化不銹鋼，其中加入了約0.3%Zr，可有效細化晶粒，該鋼經過高溫固溶和時效處理后，具有良好的耐腐蝕性能，其耐蝕性大大優于美國17-4PH鋼。高氮鋼作為一類新鋼種，目前沒有統一的標準定義。曼德里將高氮鋼定義為一定條件下，氮在鋼中的溶解達到飽和的鋼；BERNS則將其定義為“不銹鋼中含0.9%的氮或工具鋼中含2%的氮”。SW333是寶鋼特鋼自主研制的含氮耐蝕塑料模具鋼，其成分特征是降低碳含量增加氮含量，其成分的改進減少了M23C6型高鉻含量的碳化物的析出，增加了Cr2N型氮化物的析出[32,33]，使基體中的鉻含量提高，從而改變腐蝕電位，提高耐蝕性。陳卓等人研究表明，SW333鋼的腐蝕速率低于4Cr13鋼，自腐蝕電位高于4Cr13鋼，即SW333鋼耐腐蝕性要優于4Cr13鋼。SDP333（3Cr13N）鋼是由上海大學在3Cr13鋼的基礎上研發的，其淬回火硬度為35~45HRC，以氮元素代替了部分碳元素，提高了耐蝕性能、機加工性能，其綜合性能優于4Cr13鋼，可取代進口的M333鋼。張永軍等研究發現，高氮馬氏體不銹鋼3Cr13N耐腐蝕的主要原因是M23C6型夾雜物數量較馬氏體不銹鋼3Cr13少。鏡面拋光用塑料模具鋼5隨著人們生活品質的提高，對塑料制品的質量要求越來越高，主要通過拋光降低模具型腔的表面粗糙度值保證成型塑件的質量。在生產過程中，光滑的模具型腔表面不僅使成型的制品更加美觀，還有利于脫模、縮短生產周期等優點。相關研究發現，模具鋼的良好鏡面拋光性（成型面表面粗糙度值Ra≤0.11μm）主要取決于鋼的硬度、純凈度、晶粒度、夾雜物形態、組織致密性和均勻性等因素。國外生產廠家針對客戶的需求，推出了大量的高鏡面甚至超高鏡面的塑料模具鋼，具體牌號及化學成分如表4所示。日本大同鋼廠目前主推以下4種鏡面拋光用塑料模具鋼：①PAT868（成分未公開）是該廠最新研發的多用途塑料模具鋼，經硬化后可達到46~50HRC，拋光性能可達到鏡面級別，且擁有優良的韌性；②S-STAR鋼合金元素含量為0.38%C、Si≤1%、13.5%Cr、0.1%Mo、0.3%V，可預硬至31~34HRC，經拋光后鏡面度可達到12000#以上，可用于超鏡面耐腐蝕精密模具；③NAK80是大同主推的高鏡面性預硬鋼，屬于Ni-Al-Cu系列合金，成分為0.15%C、0.3%Si、1.5%Mn、0.3%Mo、3%Ni、1%Al、1%Cu，經過油石、砂紙和金剛石研磨膏依次拋光后，鏡面度可達到5000#以上，主要用于高性能、精密塑料模及透明塑料制品等重視鏡面研磨性的模具；④NAK-PRM作為一種超鏡面性、高韌性、耐腐蝕性預硬鋼，拋光后鏡面度可達到8000#以上。日立金屬的HPM-PRO（成分未公開）作為P21的改良預硬鋼，是40HRC精密加工用鋼，鏡面度可達到8000#以上，韌性和精密蝕紋性好，可用于手機框體、汽車車燈相關部分模具。高周波的KAP88（成分未公開）具有40HRC的高硬度，屬于Ni-AI化合物析出形成硬化的高級塑料模具鋼，經過研磨和拋光后其鏡面度可達到8000#以上，主要用于精密塑料模及結構零件等。瑞典斯堪納集團的ASPM及ASPM-VIP均為鏡面級預硬塑料模具鋼，二者成分基本相同，均為0.27%C、0.25%Si、1.50%Mn、1.40%Cr、1.1%Ni、0.55%V，但ASPM-VIP采用了電渣重熔技術，具有比ASPM更高的純凈度。前者適用于透明塑件、家用電器及汽車類高拋光、高蝕刻要求、尺寸穩定的塑料模，后者可用于拋光和蝕刻要求更高的透明件等。一勝百的POLMAX具有優異的拋光性、良好的可加工性、良好的耐蝕性和磨損性能，其出廠硬度為200HB，經過1000~1050℃的奧氏體化后，硬度可高達46~52HRC，主要用于成型透鏡和CD的模具零件等。國內的鏡面拋光用模具鋼根據Ni含量的不同可分為低鎳和高鎳系列。25CrNi3MoAl是由華中科技大學研發的低鎳時效硬化高精密塑料模專用鋼，該鋼原設計成分中S≤0.03%，但納入YB/T094-1997標準時，改為含S≤0.1%，以改善其切削性能。06Ni鋼和上海材料研究所的10Ni3MnCuAl-Mo(PMS)鋼也是國產優秀的低鎳時效硬化型鏡面塑料模具鋼。18Ni(250)、(300)、(350)系列是比較常見的高鎳馬氏體時效鋼，根據Ti含量的不同，分200、250、300、350和400ksi五個級別，其實質是經過特殊固溶處理之后，產生一種超低碳Fe-Ni板條馬氏體基體，在時效處理時會析出彌散相使鋼得以強化，但由于鎳的含量較高，價格昂貴，實際使用并不多。SDP80是由上海大學研發的時效硬化型高鏡面塑料模具鋼，通過調整微觀組織構成，控制Ni、Al、Cu等合金元素的添加，提高材料的機加工性能和皮紋蝕刻性能，適用于高拋光或皮紋蝕刻要求較高的模具，可替代進口的NAK80。結束語6“十一五”和“十二五”期間，在國家的大力支持下，國內已經涌現出一批技術先進的大型特鋼企業，如寶鋼特鋼、中信泰富、長城特鋼、東北特鋼等。一方面，這些企業在成分設計、合金化原理以及煉鋼技術上取得了長足進步，部分產品已經達到或接近國際先進水平；另一方面，在塑料模具鋼的牌號上，通過引進國外優秀鋼種和國產化設計，國標中塑料模具鋼的種類已較完善。在取得較大進展的同時，國內的塑料模具鋼市場也存在一些不足：①高端模具鋼與國外同類產品質量相差較遠，因為這些鋼企沒有完全掌握模具失效規律與組織、性能之間定性、定量的關系；②國內不同企業的同類產品質量參差不齊，目前國內的塑料模具鋼市場相對混亂，不同鋼企沒有統一的產品標準，也沒有標準化的生產流程。針對以上出現的問題，對國產塑料模具鋼今后的發展方向進行簡單的預測。在大截面、高均勻塑料模具鋼方面，順應塑料模大規模發展的趨勢，其總體需求量繼續增加。鑒于調質硬化鋼在生產過程中工藝復雜、能耗高、生產周期長等缺點，經過鍛造或軋制后空冷直接達到所需硬度的非調質塑料模具鋼將會有廣闊的發展前景。在易切削塑料模具鋼方面，國產鋼和國外優秀產品存在較大差距，主要因為冶金質量不穩定，夾雜物的種類、數量及形態控制較差。國外的經驗表明，通過連鑄工藝生產易切削鋼可有效減少偏析的存在，并改善夾雜物的形態及分布。所以，我國應加強對連鑄工藝的研究，進一步改善現有易切削鋼的質量。在耐蝕塑料模具鋼方面，降低生產成本是關鍵。增加Mn、Cu、C、N等其他元素來降低耐蝕鋼中Ni的含量將是重要的研究方向。我國在高氮鋼的研究上還處于落后地位，加強對高氮鋼的研究將會提升我國耐蝕塑料模具鋼的整體競爭力。在鏡面拋光用塑料模具鋼方面，控制夾雜和開發穩定的拋光技術將是關鍵。在提升冶金質量的同時，將機械拋光工藝、電化學拋光工藝、超聲波拋光工藝與電沉積工藝和噴涂陶瓷工藝等進行有機結合，最終使鋼在成分和組織確定的情況下，達到最佳的鏡面效果。綜上所述，我國應繼續加強高端模具鋼的發展和研究，結合自身能源、技術等優勢，努力向模具強國發展。國內塑料模具鋼市場應逐步規范，完善塑料模具鋼應用體系，建立統一的檢測、生產標準，并逐步形成自己的系列（如美國的P系列），使我國塑料模具鋼的生產達到標準化、精細化。

▍原文標題：國內外塑料模具鋼研究現狀與發展趨勢

▍原文作者：韓永強，吳曉春

▍作者單位：上海大學材料科學與工程學院

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