我国模具工业发展迅速，塑料模具钢需求及性能要求解析

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1 研究背景与问题

模具是工业的基石。它是衡量国家制造业水平的重要标志之一。我国模具工业起步晚。不过发展迅速。改革开放后三十多年的发展。让我国成为世界模具制造及消费大国。还建立起较为完整的模具工业体系。

塑料应用范围不断扩大，种类持续增加。塑料制品日益多样化，模具加工技术快速发展。在此情况下，塑料模具钢的需求在模具钢总量里所占比例超过40%。塑料模具使用环境复杂。产品表面光洁度要求高。还要承受炽热塑料熔融液的冲刷磨损。承受氯、氟等有害气体的腐蚀。所以要求塑料模具钢具备良好的耐蚀性能。具备镜面抛光性能。具备硬度均匀性。

国际上著名的塑料模具钢生产厂家有瑞典的一胜百。还有德国的葛利兹。以及奥地利的百禄。另外有日本的大同特钢。还有日本的日立金属等。国外企业要生产高端塑料模具钢，一般会用电渣重熔工艺来控制钢质纯净度。甚至会采用加压电渣重熔工艺生产高氮模具钢。所以其产品有良好的耐蚀性能、镜面抛光性能和硬度均匀性。像葛利兹开发的1.2083系列和1.2316系列。国内广东、江苏、浙江等沿海塑料模具加工企业，主要从这几家厂商进口高端塑料模具钢。

相对欧美发达国家，我国的模具钢研究起步较晚。20世纪90年代起，我国塑料模具钢生产技术快速追赶。相继开发的Cr系马氏体型模具钢成应用广泛的耐蚀塑料模具钢。有2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr17等。但总体有三个主要问题。一是低端产品市场供大于求。国内生产企业争夺市场陷入恶性竞争。二是同类高端产品严重依赖进口。三是大部分国内特钢企业生产设备和技术运用无法长期稳定控制产品。不同批次产品质量参差不齐从使用性能方面来看。国内塑料模具钢产品在抛光性能上。与国外产品差距较大。在耐蚀性能方面。同样与国外产品差距较大。在硬度均匀性这一指标上。和国外产品的差距也很大。无法满足汽车行业的需求。不能满足家电行业的需要。也不能满足电子信息等高端行业的要求

攀钢集团有限公司于2016年1月成立了“含氮塑料模具钢生产关键技术集成与应用研究”课题组。目的是发挥企业优势助推我国塑料模具材料升级换代。该课题组专门针对电炉-LF-VD传统经济流程中影响塑料模具钢综合质量的关键因素进行研究。研究包括系统的理论计算与试验。具体涵盖化学成分设计、钢质纯净度控制、氮合金化技术、成分及组织均匀性控制技术、在线预硬设备及工艺等方面。

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2 解决问题的思路与技术方案

项目针对影响塑料模具钢使用性能的关键因素展开系统的理论与试验研究。这些关键因素包含抛光性能、耐蚀性能、硬度均匀性等。研究具体涵盖以下几个方面：

1）含氮塑料模具钢氮含量计算及相关基础研究；

还包括氮合金化技术

3）塑料模具钢成分和组织均匀化控制技术；

4）塑料模具钢在线预硬技术开发。

经过上述研究 开发了含氮塑料模具钢生产关键技术 该技术应用于工业生产 产品的抛光性能 耐蚀性能 硬度均匀度等关键指标 可与德国葛利兹等产品相媲美 实现了高端塑料模具钢的替代进口

3 主要创新性成果

项目针对影响塑料模具钢耐蚀性能的关键技术开展系统的理论计算和试验研究。针对影响塑料模具钢镜面抛光性能的关键技术开展系统的理论计算和试验研究。针对影响塑料模具钢硬度均匀性的关键技术开展系统的理论计算和试验研究。自主开发并集成了高品质系列含氮塑料模具钢全工序关键技术。该系列包括3Cr13[N]、4Cr13[N]、3Cr17NiMo[N]。有效解决了高品质含氮塑料模具钢钢质纯净度控制难题。有效解决了氮含量稳定控制难题。有效解决了成分均匀性控制难题。有效解决了硬度均匀性控制难题。实现了高品质含氮塑料模具钢的工业化大批量稳定化生产。取得了以下创新成果：

高合金含量塑料模具钢钢质纯净度控制技术：电炉-LF-VD传统流程冶炼高合金钢时，存在夹杂物难去除、钢中氧难以稳定控制的技术难题。针对此，创新设计了脱氧合金化工艺，还设计了SiO2-CaO-Al2O3-MgO系精炼渣的组成成分。成功把钢液氧含量≤30ppm的合格率，从研究初期的30%提升到了94.6%。各类非金属夹杂物控制合格率达96.2%。有效解决了含氮塑料模具钢精炼过程钢水纯净度控制难题。

含氮塑料模具钢氮元素气相合金化技术：电炉-LF-VD传统流程存在常压下氮难以稳定控制的技术难题。在此技术难题下，首次在VD炉中，以氮气保护方式，实现了塑料模具钢的氮元素气相合金化。并且钢材中氮元素成分合格率达到94%以上。

高合金含量塑料模具钢成分均匀性控制技术：针对模铸高铬合金材料成分偏析控制难题。创新提出工艺均质化退火工艺。该工艺为“钢锭加热-保温-降温-轧制-中间坯高温扩散退火-降温-轧制”。是在消除钢锭中心疏松缩孔、提高材料致密度后再进行高温扩散的高合金钢成分均匀化控制技术。此技术提高了C、Cr等易偏析元素原子扩散效率。有效解决了最终产品中存在的元素偏析问题。使得显微组织中一次碳化物尺寸大幅度减小。形貌圆滑。产品横、纵向冲击韧性提高了48%。

针对常规冷却方式冷却均匀性差导致硬度不均、冷速过快使产品开裂的问题。创新提出上部水幕式、无边部、棱角以及头尾遮蔽的设计思想。自主设计开发在线预硬冷却装置。开发“穿水+冷床强对流风冷+余温矫直+回火”的工艺流程。利用轧后余热进行热处理。节省了能源。缩短了产品生产周期。确保了产品外形良好、组织性能均匀。使同一预硬塑料模具扁钢的横纵向硬度差均在3HRC以内。与德国葛利兹同类产品处于同一水平。

本项目已实现受理25项中国发明专利。已实现受理2项欧洲发明专利。已实现受理4项乌克兰发明专利。已实现受理2项韩国专利。已获17项中国发明授权。

4 应用情况与效果

具体如下

硬度均匀性：产品按用户要求以预硬态交付。其硬度范围在30至36HRC之间。同一产品的硬度差值小于或等于3HRC。

抛光性能方面：产品进行抛光处理后，其表面呈现粗糙状态。表面粗糙度的 Ra 值处于 0.03 至 0.039μm 之间。

3）耐蚀性能：在酸性盐雾环境中72h不发生红锈；

夹杂物级别：非金属夹杂物中，A类达到0级，B类达到0级，C类达到0级，D类达到0 - 0.5级水平。[O]≤30ppm时，达标率稳定在94%以上。

近三年运用项目工艺技术生产含氮塑料模具钢7.58万吨。产品被广泛用于汽车、家电、电子电器等用户的塑料部件生产。预硬型产品市场占有率约为45%。这支撑了我国塑料模具产业的快速发展以及竞争力的提升。

项目开发的相关工艺技术在攀钢集团江油长城特殊钢公司全面推广应用。这些技术包括高合金钢钢质纯净度控制技术、成分均匀化控制技术等。这带动了整个模具钢产品质量显著提高。模具钢包含热作模具钢、冷作模具钢及塑料模具钢。产品市场竞争力大幅提升。产品相继出口到美国、德国、韩国及乌克兰。

特别是2020年初新冠肺炎疫情发生后。国家大量建设防疫口罩生产线。采用项目技术开发口罩机熔喷布专用模具钢4Cr13H。该技术包括钢质纯净度控制技术、成分均匀化控制技术。4Cr13H对耐蚀性、抛光性、硬度均匀性要求极高。此模具钢快速交付用户。为疫情防控做出突出贡献。创造显著经济和社会效益。（攀钢集团）

《世界金属导报》

2023年第45期 B01