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中低碳微合金塑料模具鋼研究現(xiàn)狀與進展

文檔作者：吳曉春張錚文檔來源：上海大學材料科學與工程學院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月16日
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模具工業(yè)2013年第39卷第6期
中低碳微合金塑料模具鋼研究現(xiàn)狀與進展
吳曉春，張錚
(上海大學材料科學與工程學院，上海200o72)
摘要：從目前國內外市場需求和國家政策導向入手，預測了未來國內塑料模具鋼的發(fā)展方向；對國內塑
料模具鋼中應用較多的中低碳微合金塑料模具鋼的研究現(xiàn)狀進行了總結分析；結合國內外鋼材生產廠
家設備能力和下游模具制造廠的需求，預測了該領域未來的工藝研發(fā)重點。
關鍵詞：塑料模具鋼；微合金；貝氏體；加工性能；表面處理
中圖分類號：TG76 文獻標識碼：A 文章編號：1001—2168(2013)06—0001-06
Status and development of microalloyed plastic mould steels with
medium．1ow carbon
WU Xiao-chun．ZHANG Zheng
(School of Materials Science and Engineering，Shanghai University,Shanghai 200072，China)
Abstract：According to the increased demand and relevant national policies，th e future deveb
opment of plastic mould steels in China Was analyzed．Researches on status of plastic
mould steels with medium-low carbon were reviewed．Finally，based on the equipment of
domestic an d foreign steel man ufacturers an d the deman d of mould man ufacturers，focus es
on process resear ch were predicted．
Key words：plas tic mould steel；microalloy；bainite；processability；surface treatm ent
1 國內塑料模具鋼市場、發(fā)展方向和相關政策
目前，我國模具工業(yè)體系已基本完善，產品結
構日趨合理?！笆濉逼陂g，我國模具制造業(yè)致力
于轉型升級，而模具鋼作為模具制造的基礎，其研
發(fā)速度只有超前于下游企業(yè)的需求，才能保證我國
模具制造業(yè)競爭力大幅提高。
我國塑料模具工業(yè)發(fā)展迅速，塑料制品被廣泛
用于農業(yè)、機械、化工、建筑、玩具、日用品、汽車、燈
具、家用電器等領域，需求量大，質量要求高。數(shù)據(jù)
顯示，2012年1～6月，我國共出口塑料制品406．7萬
噸，同比增長8．5％；出口金額為137．4億美元，同比
增長34．1％。由此可以預見，在模具總量中占比最
高、支撐塑料制品業(yè)的塑料模具市場，“十二五”期
間也將會以較高的增長速度發(fā)展。
塑料模具鋼需求量的急速增加，對其使用性
收稿日期：2013—04—07。
作者簡介：吳曉春(1961一)，男(漢族)，湖北武漢人，教授，主要從
事先進工模具材料開發(fā)及表面處理研究工作
能、工藝性能提出了更高要求。然而，目前我國對
塑料模具選材比較混亂，影響了模具使用壽命，也
影響了塑料制品質量和市場競爭力，亟須通過研
制、引進、補充完善鋼種，建立適合我國發(fā)展要求的
塑料模具鋼系列，使塑料模具鋼冶煉、質量控制、供
貨、選材、加工和使用水平再上一個新的臺階 I。
中國模具工業(yè)協(xié)會在制定的《模具行業(yè)“十二
五”發(fā)展規(guī)劃產品發(fā)展重點》中指出，要大力發(fā)展高
性能模具材料，如大型預硬化塑料模具鋼模塊、新
型耐蝕塑料模具鋼、低成本高壽命熱作模具鋼、抗
拉強度大于800 MPa的高強度鋼板沖模鋼等[21。
隨著塑料模具制造業(yè)的發(fā)展，我國塑料模具鋼
的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個方面p ：
(1)對無變形的預硬化塑料模具鋼和大規(guī)格、
大噸位模具鋼的需求不斷增加。
(2)盡可能縮短模具加工周期，要求模具鋼的
生產企業(yè)能提供經(jīng)過機加工或熱處理的模具鋼。
(3)向模具鋼的系列化和個性化方向發(fā)展。產
品的不斷更新對模具鋼的性能(如工作溫度、耐腐
2 模具x-,lk 2013年第39卷第6期
蝕性能、切削性能、蝕刻性能、拋光性能等)提出了
更高要求，使模具鋼根據(jù)不同工況條件形成系列
化，不斷滿足個性化要求。
(4)發(fā)展超大規(guī)格汽車保險杠預硬化塑料模具
鋼，開發(fā)厚度I>400 mm的大規(guī)格沉淀硬化型超鏡面
塑料模具鋼模塊，開發(fā)新型耐腐蝕塑料模具鋼，滿
足特種塑料(含氟、氯等1對模具鋼的耐腐蝕性能要
求。
2 中低碳微合金塑料模具鋼研究動態(tài)
2．1 國內研究動態(tài)
目前，已納入國家標準的塑料模具鋼有
SM3Cr2Mo、SM3Cr2MnNiMo鋼fGB／T 1299-2000中
的3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo)；納入行業(yè)標準的有SM45、
SM50、SM55、SM2CrI3、SM3Crl7Mo、SM4Crl3、
SM4Cr5MoSiV、SM4Cr5MoSiV和SMCrl2MoIVl鋼等
20多種，此外還有十幾種已在生產中推廣應用的鋼
種，初步形成了我國塑料模具鋼體系Hj，而中低碳微
合金塑料模具鋼是其中最重要的鋼種。
貝氏體型模具鋼是我國塑料模具鋼體系中近
年來興起的主要鋼種，生產周期較傳統(tǒng)調質鋼大幅
縮短，成本降低，代表了未來該領域模具鋼的發(fā)展
方向。黃維鋼等在1995年指出“低碳貝氏體鋼具有
較高的強度和韌性，可用于結構材料，而中、高碳貝
氏體鋼有良好強韌性，可用于機器零件及耐磨件。
這將是下世紀高強度非調質鋼發(fā)展的重要方向”。
目前貝氏體塑料模具鋼的發(fā)展符合這一預測 。
通過國內20世紀9O年代以來塑料模具鋼研發(fā)
領域的相關文獻凋研可知，致力于此類鋼種相關研
究工作的院校，主要有華中科技大學、上海大學和
清華大學，近年來鋼鐵研究總院、機械科學研究總
院、上海交通大學、武漢工業(yè)學院、東北大學、北京
科技大學、安徽工業(yè)大學、重慶大學、鄭州大學和內
蒙古工業(yè)大學等也開始了相關研究工作；企業(yè)研究
方面，寶山鋼鐵股份有限公司與撫順特殊鋼股份有
限公司將眾多成果在國內各大鋼廠相繼轉化成工
業(yè)產品，有力地推動了行業(yè)水平的進步。
從1992年開始，吳曉春等人從合金化機理、組
織性能、加工性能等方面對非調質塑料模具鋼進行
了系統(tǒng)研究，在合金化設計方面取得許多重要的研
究成果，如在貝氏體非調質鋼中添加V，其沉淀強化
受到抑制，這一現(xiàn)象不同于中碳P+Ft~調質鋼；然而
復合添加V和Ti，析出相主要是(Ti，V)(C，N)，其形
態(tài)、尺寸和成分與形成溫度有關。從觀察結果看，
其尺寸從20--~30llm到l0O～150nm，形狀則從圓到
方，未觀察到小于20 am以下的fi，V)(C，N)。說明
其析出溫度較高，同時也說明(Ti，V)(C，N)能起到細
化晶粒的作用，并能起到一定的沉淀強化作用，而
且能改善鋼的韌性 —I。
研究發(fā)現(xiàn)，貝氏體非調質鋼中碳含量對其淬透
性有明顯影響，碳含量由0．15％增加到0．22％，鋼的
強度和硬度大幅提高，韌性有所降低，而碳含量由
0．22％增加到0．30％時，強度和硬度提高有限，因碳
化物多以針狀或片狀沿晶界析出，從而使其韌性顯
著降低；此類鋼的切削性能略優(yōu)于調質態(tài)的P20塑
料模具鋼，但隨碳含量的增加而降低}9一。
這些研究奠定了該類鋼種的發(fā)展基礎，得到第
一代非調質塑料模具鋼最佳成分，其各元素的質量
分數(shù)為：C(0．18％ ～0．24％)，Mn(I．8％～2．2％)，Cr
(0．9％ ～ 1．2％ )，Ti(0．02％ ～0．06％ )，V (0．08％ ～
0．12％)，S(O．06％ ～0．10％)，Ca(0．005％～0．010％ )，
Re(0．02％~0。08％)；力學性能為：模塊硬度33~38
HRC時， >1 000 MPa，~k>45 J／cm。；經(jīng)鍛、軋后空冷
可獲得貝氏體，鐵素體的雙相組織，同時復合加入
Ca—Re，能顯著改善因添加S而使鋼產生各向異性，
提高橫向沖擊韌性和縱橫比，具有良好的強韌性，
可用以取代一定尺寸的調質預硬型塑料模具鋼 J。
此后，羅毅等在此基礎上成功研制出Sw FvI’600
貝氏體塑料模具鋼，芯部和表面均為貝氏體，硬度
波動在(34~1．5)HRC，具有良好的切削加工性能。
截止到2011年，該鋼種在寶山鋼鐵股份有限公
司及相關企業(yè)生產累計將近10000t，產品在長三角
模具鋼產業(yè)鏈得到廣泛認可[11-t3 。
隨后，張錚等在SWFT60o基礎t，針對更大截
面需求的塑料模具鋼研發(fā)了新一代鋼種SDPI，其合
金設計和配套工藝可生產截面厚度達1 100 mlTl的
超大型模塊。通過對860 aim厚的成品SDP1大型塑
料模塊的分析表明，從邊部到芯部碳元素偏析程度
小于0．06％，截面硬度波動±2．5 HRC。采用該技術
生產的厚400"-"1 100 mn'l的大型模塊具有生產效率
高的顯著優(yōu)點，可實現(xiàn)20t左右供貨，較傳統(tǒng)2738模
塊50t以上的供貨周期大幅縮短；因為模塊組織為
貝氏體基體，反映在模塊整體硬度均勻性上也較同
規(guī)格2738模塊提高” ，能滿足大截面、高品質、短
周期、低成本塑料模具的使用要求。
該系列鋼種經(jīng)過長期的實踐檢驗，證明其合金
模具工業(yè)2013年第39卷第6期 3
化方案及生產工藝已較完善，滿足大型塑料模具鋼
使用需要。其特點可概括為以下2點： ’
(1)先進的合金化設計。在Mn2Crl的合金化
基礎上，針對不同產品規(guī)格及性能要求，調整l~ln／Si
比例，以提高貝氏體淬透性；合理運用Mo、Nb元素，
達到提高淬透性，增強基體強度，控制晶粒度的目
標：降低Ni元素含量，減小氫致自點，大幅降低擴氫
熱處理時間，為非調質工藝應用提供保障。
(2)先進的控鍛、控冷工藝。該技術是非調質
強韌化工藝中重點研究的技術，對加熱溫度、始鍛
溫度、終鍛溫度、鍛造比、冷卻速度等工藝參數(shù)的選
擇是控鍛、控冷工藝的關鍵。深入研究非調質強韌
化工藝，掌握工藝參數(shù)對非調質鋼組織和力學性能
的影響，是保證鋼種性能的基礎環(huán)節(jié)。
其他科研工作者在該領域也取得了大量研究
成果，本溪鋼鐵集團的許萍研制了一種空冷貝氏體
型塑料模具鋼，該鋼各元素的質量分數(shù)為：C
(0-27％ ～0-35％ )，Si(0．6％ ～ 1．O％ )，Mn(2．3％ ～
2．8％)，S(O．08％ ～O．12％)，B(0．oo3％～0．005％)，Cr
(O．7％～1．7％)；該成分設計可保證 l2Omm圓棒足
夠的淬透性，同時具有良好的切削和拋光性能” 1。
寶山鋼鐵股份有限公司江來珠等發(fā)明了如下3
種塑料模具鋼及其生產工藝：
(1)微合金化貝氏體型塑料模具鋼的制造方
法。該鋼各元素的質量分數(shù)為：C(O．20％~0．30％)，
Si(0．1O％ ～0．60％)，Mn(1．7％ ～2．5％ )，P(O．035％～
0．O8％)，S(0．01％ ～0．04％)，Mo(0．20％ ～0．50％)，V
(0．05％ ～0．20％ )，B(0．000 5％ ～0．005 0％ )，Ca
(O．000 5％ ～0．010％ )，N(O．005 0％ ～0．008 0％)，Ti／
N=3"-'4，其余為Fe和不可避免的雜質。該鋼通過
對合金成分進行設計，加入少量合金元素并降低碳
含量，使其具有較高淬透性，軋／鍛后不必調質熱
處理，只進行空冷即可使大截面模塊整個截面獲得
粒狀貝氏體組織及較好的力學、切削性能n 。
(2)貝氏體大截面塑料模具鋼及其制造方法。
該鋼各元素的質量分數(shù)為：C(0．05％～0．19％)，Si
(0．10％ ～0．60％ )，Mn(1．0％ ～ 1．65％)，V(0．04％ ～
0．20％)，Cr(1．0％ ～1．70％)，Mo(O．15％ ～0．50％)，Ni
(0～0．50％ )，N≤0．01％ ，1ri(0．005％ ～0．025％ )，Ca
(0～0．005 O％)，AI(0．01％～O．o4％)，其余為Fe和不
可避免的雜質。使厚度達500 mm的大截面板坯獲
得均勻的粒狀貝氏體組織，芯部無偏析導致的馬氏
體組織，硬度達到28~33 HRC 。
(3)銅時效硬化貝氏體大截面塑料模具鋼及其
制造工藝。該鋼各元素的質量分數(shù)為：C(O．08％
0．18％)，Si(0．15％ ～0．50％ )，Mn(1．2％ ～2．0％)，V
(0．05％ ～0．20％ )，Cr(1．2％ ～ 1．9％ )，Mo(O．15％ ～
0．50％)，P≤0．02％ ，S≤0．01％ ，Ni(1．2％～2．0％)，Cu
(0．50％ ～ 1．0％)，N≤0．O1％ ，Ti(0．005％ ～0．025％)，
Ca(0---~0．005 0％)，AI(0．01％～O．04％)，其余為Fe和
不可避免的雜質。制造工藝為：在熱加工工藝后直
接空冷，再施以450"600℃回火。硬度可達37～
43 HRC，在獲得高硬度、高拋光性塑料模具鋼的同
時降低了氧化鋁夾雜及合金元素含量，并且降低了
制造成本 ”。
寶山鋼鐵股份有限公司蔣錫軍發(fā)明了一種用
于塑料模具模架鋼的經(jīng)過預硬化的低合金非調質
鋼及其制備方法，該鋼各元素的質量分數(shù)為：C
(0．30％～0．40％)，Si(O．20％ ～0．70％ )，Mn(1．00％ ～
1．50％ )，P≤0．030％ ，S≤O．025％ ，Cr(1．o0％ ～
1．50％)，Mo(O．10％ ～0．30％)，Ni(0．10％～O．30％)，Ti
(0．010％～0．030％)。預硬化硬度為24~29 HRC，
既保證模具鋼材料所要求的硬度，又免去調質工
藝，用戶可以直接鋸切使用t蠲。
南京鋼鐵股份有限公司李明發(fā)明了一種塑料
模具鋼厚板生產工藝。該鋼各元素的質量分數(shù)為：
C (0．25％ ～O．33％ )，Si(0．20％ ～0．70％ )，Mn
(1．10％ ～ 1．50％)，Cr(1．40％ ～2．00％)，Mo≤0．20％ ，
P≤0．01％ ，S≤0．0o5％ ，Ti≤0．03％ ，B≤O．003％ ，V≤
0．15％ 1。
機械科學研究總院先進制造技術研究中心陳
蘊博等發(fā)明了一種馬氏體加粒狀貝氏體塑料模具
鋼，該鋼各元素的質量分數(shù)為：C(0．35％～0．50％)，
Si(0．2O％ ～0．80％ )，Mn(1．10％ ～ 1．60％ )，Cr
(1．70％ ～2．00％)，Mo(0．30％ ～0．55％)，Ni≤1．15％ ，
P≤0．030％，S≤O．030％，B≤0．005％，余量為Fe和不
可避免的雜質[241。
陳蘊博等還發(fā)明一種馬氏體加鐵素體塑料模
具鋼的制備方法，該鋼各元素的質量分數(shù)為：C≤
0．27％ ，si≤ 0．40％ ，Mn≤ 1．00％ ，Cr≤2．00％ ，Mo≤
0．59％ ，Ni≤0．30％，P≤0．030％，S≤0．030％，余量為
Fe和不可避免的雜質㈣。
濟南鋼鐵股份有限公司的J30預硬型塑料模具
鋼各元素的質量分數(shù)為：C(0．25％～0．35％)，si
(O．50％～0．80％)，Mn(1．40％～ 1．80％)，Cr(1．60％ ～
1．70％)，Mo(O．25％～0．35％)，余量為Fe；制造工藝
4 模具工業(yè)2013年第39卷第6期
為；采用KR法鐵水預處理 l20 t轉爐冶煉一脫氧
合金化一CAS精煉一LF精煉 VD真空處理一板坯
連鑄一熱裝爐一軋制_÷鋼板切割一自然冷卻_+回
火I 。
XU Feng—yun等研制了一種質量分數(shù)為C
0．15％、Mn(1．4％～2．3％)、Si0．5％、Ti0．015％的水冷
貝氏體鋼，將 00mm~1 800mm圓棒進行900 oC奧
氏體化、300 oC回火后的芯部抗拉強度在895MPa，
屈服強度620MPa，一20℃下沖擊韌性66 J。研究認
為，隨著Mn含量的增加，鐵素體轉變被大幅度推
遲，貝氏體轉變相對影響較小，因此在水冷條件下
可獲得貝氏體轉變；對于Si—Mn鋼而言，當Mn含量
大于2．0％，可獲得良好的淬硬性和淬透性，而且可
在此基礎上通過控制C含量影響鐵素體、貝氏體轉
變孕育期，從而影響組織狀態(tài)以滿足不同需要t271。
2．2 國外研究進展
在市場壓力下，世界鋼鐵強國如瑞典、日本、德
國、法國等，通過開發(fā)新技術、研發(fā)新設備等思路均
已經(jīng)實現(xiàn)了特殊鋼生產的高品質控制，以高質量和
高價格贏得穩(wěn)定的客戶群，在世界特殊鋼市場上獲
得了巨大的利益。在世界特殊鋼市場中，日本的特
殊鋼出口量最多，達到世界交易量的30％。在眾多
特殊鋼生產國中，又以瑞典的特殊鋼生產比例最
大，接近50％。
Nimax是瑞典Uddeholm研制的新型空冷預硬
型模具鋼，其各元素的質量分數(shù)為：CO．1％ ，
Si0。26％ ，Mn2．5％ ，Ni l．0％ ，Cr3．0％ ，Mo0．30％ ，
P0．O2％，SO．008％，V0．017％ ：該鋼種可鍛后空冷直
接使用，相比調質鋼生產周期大幅縮短。其成分設
計體現(xiàn)了低碳、高錳和低硅的設計思路，同時對V的
合理添加保證了創(chuàng)新工藝的實現(xiàn)。
針對添加V達到質量分數(shù)0．35％的P20+0．5Ni
模具鋼的研究顯示，V能顯著增加鋼的淬透性，允許
生產的預硬化塊截面積增加88％，同時增加沖擊韌
性120％，屈服強度17％和回火后硬度提高24％。同
樣以P20+0．5Ni為基體的研究顯示，B元素導致鋼的
淬透性增加，理論上可以允許生產橫截面大于基體
合金成分400％的模塊。研究結果還表明，在P20+
0．5Ni基礎上，0．35％的Ni可以被0．15％V取代，且仍
能保持相同的淬透性129 。
綜合國內外的合金成分設計思路，C與Mn的合
理搭配以及微合金元素V、Nb和Ti的運用是合金設
計的關鍵，根據(jù)C含量可粗略分為“低碳”和“中碳”
兩大類，隨著碳含量的不同，Mn的含量也有所不同，
添加量從1．1％～2．8％，基本上保持“低碳高錳”和
“中碳低錳”的設計思路。隨著對模具鋼焊補性能
要求的提高，“低碳”成為目前此類鋼種發(fā)展的主要
方向。
通過對國內外貝氏體塑料模具鋼的研究可以
發(fā)現(xiàn)，添加V、Nb和Ti元素，能起到細化晶粒和增強
材料淬硬性的作用，尤其是非調質工藝實現(xiàn)過程，
微合金元素的添加和析出控制成為其中的關鍵。
2．3 加工性能研究
早在1995年，吳曉春等的研究成果證實，非調
質型塑料模具鋼的可切削加工性能優(yōu)于經(jīng)調質處
理的45鋼及P20塑料模具鋼，具有良好的加工性
能。經(jīng)一般的切削和拋光加工，其表面粗糙度分別
達到Ra

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