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中低碳微合金塑料模具钢研究现状与进展

文档作者：吴晓春张铮文档来源：上海大学材料科学与工程学院		点击数：	更新时间： 2021年02月16日
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模具工业2013年第39卷第6期
中低碳微合金塑料模具钢研究现状与进展
吴晓春，张铮
(上海大学材料科学与工程学院，上海200o72)
摘要：从目前国内外市场需求和国家政策导向入手，预测了未来国内塑料模具钢的发展方向；对国内塑
料模具钢中应用较多的中低碳微合金塑料模具钢的研究现状进行了总结分析；结合国内外钢材生产厂
家设备能力和下游模具制造厂的需求，预测了该领域未来的工艺研发重点。
关键词：塑料模具钢；微合金；贝氏体；加工性能；表面处理
中图分类号：TG76 文献标识码：A 文章编号：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 国内塑料模具钢市场、发展方向和相关政策
目前，我国模具工业体系已基本完善，产品结
构日趋合理。“十二五”期间，我国模具制造业致力
于转型升级，而模具钢作为模具制造的基础，其研
发速度只有超前于下游企业的需求，才能保证我国
模具制造业竞争力大幅提高。
我国塑料模具工业发展迅速，塑料制品被广泛
用于农业、机械、化工、建筑、玩具、日用品、汽车、灯
具、家用电器等领域，需求量大，质量要求高。数据
显示，2012年1～6月，我国共出口塑料制品406．7万
吨，同比增长8．5％；出口金额为137．4亿美元，同比
增长34．1％。由此可以预见，在模具总量中占比最
高、支撑塑料制品业的塑料模具市场，“十二五”期
间也将会以较高的增长速度发展。
塑料模具钢需求量的急速增加，对其使用性
收稿日期：2013—04—07。
作者简介：吴晓春(1961一)，男(汉族)，湖北武汉人，教授，主要从
事先进工模具材料开发及表面处理研究工作
能、工艺性能提出了更高要求。然而，目前我国对
塑料模具选材比较混乱，影响了模具使用寿命，也
影响了塑料制品质量和市场竞争力，亟须通过研
制、引进、补充完善钢种，建立适合我国发展要求的
塑料模具钢系列，使塑料模具钢冶炼、质量控制、供
货、选材、加工和使用水平再上一个新的台阶 I。
中国模具工业协会在制定的《模具行业“十二
五”发展规划产品发展重点》中指出，要大力发展高
性能模具材料，如大型预硬化塑料模具钢模块、新
型耐蚀塑料模具钢、低成本高寿命热作模具钢、抗
拉强度大于800 MPa的高强度钢板冲模钢等[21。
随着塑料模具制造业的发展，我国塑料模具钢
的发展方向主要体现在以下几个方面p ：
(1)对无变形的预硬化塑料模具钢和大规格、
大吨位模具钢的需求不断增加。
(2)尽可能缩短模具加工周期，要求模具钢的
生产企业能提供经过机加工或热处理的模具钢。
(3)向模具钢的系列化和个性化方向发展。产
品的不断更新对模具钢的性能(如工作温度、耐腐
2 模具x-,lk 2013年第39卷第6期
蚀性能、切削性能、蚀刻性能、抛光性能等)提出了
更高要求，使模具钢根据不同工况条件形成系列
化，不断满足个性化要求。
(4)发展超大规格汽车保险杠预硬化塑料模具
钢，开发厚度I>400 mm的大规格沉淀硬化型超镜面
塑料模具钢模块，开发新型耐腐蚀塑料模具钢，满
足特种塑料(含氟、氯等1对模具钢的耐腐蚀性能要
求。
2 中低碳微合金塑料模具钢研究动态
2．1 国内研究动态
目前，已纳入国家标准的塑料模具钢有
SM3Cr2Mo、SM3Cr2MnNiMo钢fGB／T 1299-2000中
的3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo)；纳入行业标准的有SM45、
SM50、SM55、SM2CrI3、SM3Crl7Mo、SM4Crl3、
SM4Cr5MoSiV、SM4Cr5MoSiV和SMCrl2MoIVl钢等
20多种，此外还有十几种已在生产中推广应用的钢
种，初步形成了我国塑料模具钢体系Hj，而中低碳微
合金塑料模具钢是其中最重要的钢种。
贝氏体型模具钢是我国塑料模具钢体系中近
年来兴起的主要钢种，生产周期较传统调质钢大幅
缩短，成本降低，代表了未来该领域模具钢的发展
方向。黄维钢等在1995年指出“低碳贝氏体钢具有
较高的强度和韧性，可用于结构材料，而中、高碳贝
氏体钢有良好强韧性，可用于机器零件及耐磨件。
这将是下世纪高强度非调质钢发展的重要方向”。
目前贝氏体塑料模具钢的发展符合这一预测 。
通过国内20世纪9O年代以来塑料模具钢研发
领域的相关文献凋研可知，致力于此类钢种相关研
究工作的院校，主要有华中科技大学、上海大学和
清华大学，近年来钢铁研究总院、机械科学研究总
院、上海交通大学、武汉工业学院、东北大学、北京
科技大学、安徽工业大学、重庆大学、郑州大学和内
蒙古工业大学等也开始了相关研究工作；企业研究
方面，宝山钢铁股份有限公司与抚顺特殊钢股份有
限公司将众多成果在国内各大钢厂相继转化成工
业产品，有力地推动了行业水平的进步。
从1992年开始，吴晓春等人从合金化机理、组
织性能、加工性能等方面对非调质塑料模具钢进行
了系统研究，在合金化设计方面取得许多重要的研
究成果，如在贝氏体非调质钢中添加V，其沉淀强化
受到抑制，这一现象不同于中碳P+Ft~调质钢；然而
复合添加V和Ti，析出相主要是(Ti，V)(C，N)，其形
态、尺寸和成分与形成温度有关。从观察结果看，
其尺寸从20--~30llm到l0O～150nm，形状则从圆到
方，未观察到小于20 am以下的fi，V)(C，N)。说明
其析出温度较高，同时也说明(Ti，V)(C，N)能起到细
化晶粒的作用，并能起到一定的沉淀强化作用，而
且能改善钢的韧性 —I。
研究发现，贝氏体非调质钢中碳含量对其淬透
性有明显影响，碳含量由0．15％增加到0．22％，钢的
强度和硬度大幅提高，韧性有所降低，而碳含量由
0．22％增加到0．30％时，强度和硬度提高有限，因碳
化物多以针状或片状沿晶界析出，从而使其韧性显
著降低；此类钢的切削性能略优于调质态的P20塑
料模具钢，但随碳含量的增加而降低}9一。
这些研究奠定了该类钢种的发展基础，得到第
一代非调质塑料模具钢最佳成分，其各元素的质量
分数为：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％)；力学性能为：模块硬度33~38
HRC时， >1 000 MPa，~k>45 J／cm。；经锻、轧后空冷
可获得贝氏体，铁素体的双相组织，同时复合加入
Ca—Re，能显著改善因添加S而使钢产生各向异性，
提高横向冲击韧性和纵横比，具有良好的强韧性，
可用以取代一定尺寸的调质预硬型塑料模具钢 J。
此后，罗毅等在此基础上成功研制出Sw FvI’600
贝氏体塑料模具钢，芯部和表面均为贝氏体，硬度
波动在(34~1．5)HRC，具有良好的切削加工性能。
截止到2011年，该钢种在宝山钢铁股份有限公
司及相关企业生产累计将近10000t，产品在长三角
模具钢产业链得到广泛认可[11-t3 。
随后，张铮等在SWFT60o基础t，针对更大截
面需求的塑料模具钢研发了新一代钢种SDPI，其合
金设计和配套工艺可生产截面厚度达1 100 mlTl的
超大型模块。通过对860 aim厚的成品SDP1大型塑
料模块的分析表明，从边部到芯部碳元素偏析程度
小于0．06％，截面硬度波动±2．5 HRC。采用该技术
生产的厚400"-"1 100 mn'l的大型模块具有生产效率
高的显著优点，可实现20t左右供货，较传统2738模
块50t以上的供货周期大幅缩短；因为模块组织为
贝氏体基体，反映在模块整体硬度均匀性上也较同
规格2738模块提高” ，能满足大截面、高品质、短
周期、低成本塑料模具的使用要求。
该系列钢种经过长期的实践检验，证明其合金
模具工业2013年第39卷第6期 3
化方案及生产工艺已较完善，满足大型塑料模具钢
使用需要。其特点可概括为以下2点： ’
(1)先进的合金化设计。在Mn2Crl的合金化
基础上，针对不同产品规格及性能要求，调整l~ln／Si
比例，以提高贝氏体淬透性；合理运用Mo、Nb元素，
达到提高淬透性，增强基体强度，控制晶粒度的目
标：降低Ni元素含量，减小氢致自点，大幅降低扩氢
热处理时间，为非调质工艺应用提供保障。
(2)先进的控锻、控冷工艺。该技术是非调质
强韧化工艺中重点研究的技术，对加热温度、始锻
温度、终锻温度、锻造比、冷却速度等工艺参数的选
择是控锻、控冷工艺的关键。深入研究非调质强韧
化工艺，掌握工艺参数对非调质钢组织和力学性能
的影响，是保证钢种性能的基础环节。
其他科研工作者在该领域也取得了大量研究
成果，本溪钢铁集团的许萍研制了一种空冷贝氏体
型塑料模具钢，该钢各元素的质量分数为：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％)；该成分设计可保证 l2Omm圆棒足
够的淬透性，同时具有良好的切削和抛光性能” 1。
宝山钢铁股份有限公司江来珠等发明了如下3
种塑料模具钢及其生产工艺：
(1)微合金化贝氏体型塑料模具钢的制造方
法。该钢各元素的质量分数为：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，其余为Fe和不可避免的杂质。该钢通过
对合金成分进行设计，加入少量合金元素并降低碳
含量，使其具有较高淬透性，轧／锻后不必调质热
处理，只进行空冷即可使大截面模块整个截面获得
粒状贝氏体组织及较好的力学、切削性能n 。
(2)贝氏体大截面塑料模具钢及其制造方法。
该钢各元素的质量分数为：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％)，其余为Fe和不
可避免的杂质。使厚度达500 mm的大截面板坯获
得均匀的粒状贝氏体组织，芯部无偏析导致的马氏
体组织，硬度达到28~33 HRC 。
(3)铜时效硬化贝氏体大截面塑料模具钢及其
制造工艺。该钢各元素的质量分数为：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％)，其余为Fe和
不可避免的杂质。制造工艺为：在热加工工艺后直
接空冷，再施以450"600℃回火。硬度可达37～
43 HRC，在获得高硬度、高抛光性塑料模具钢的同
时降低了氧化铝夹杂及合金元素含量，并且降低了
制造成本 ”。
宝山钢铁股份有限公司蒋锡军发明了一种用
于塑料模具模架钢的经过预硬化的低合金非调质
钢及其制备方法，该钢各元素的质量分数为：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％)。预硬化硬度为24~29 HRC，
既保证模具钢材料所要求的硬度，又免去调质工
艺，用户可以直接锯切使用t蠲。
南京钢铁股份有限公司李明发明了一种塑料
模具钢厚板生产工艺。该钢各元素的质量分数为：
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。
机械科学研究总院先进制造技术研究中心陈
蕴博等发明了一种马氏体加粒状贝氏体塑料模具
钢，该钢各元素的质量分数为：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％，余量为Fe和不
可避免的杂质[241。
陈蕴博等还发明一种马氏体加铁素体塑料模
具钢的制备方法，该钢各元素的质量分数为：C≤
0．27％ ，si≤ 0．40％ ，Mn≤ 1．00％ ，Cr≤2．00％ ，Mo≤
0．59％ ，Ni≤0．30％，P≤0．030％，S≤0．030％，余量为
Fe和不可避免的杂质㈣。
济南钢铁股份有限公司的J30预硬型塑料模具
钢各元素的质量分数为：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％)，余量为Fe；制造工艺
4 模具工业2013年第39卷第6期
为；采用KR法铁水预处理 l20 t转炉冶炼一脱氧
合金化一CAS精炼一LF精炼 VD真空处理一板坯
连铸一热装炉一轧制_÷钢板切割一自然冷却_+回
火I 。
XU Feng—yun等研制了一种质量分数为C
0．15％、Mn(1．4％～2．3％)、Si0．5％、Ti0．015％的水冷
贝氏体钢，将 00mm~1 800mm圆棒进行900 oC奥
氏体化、300 oC回火后的芯部抗拉强度在895MPa，
屈服强度620MPa，一20℃下冲击韧性66 J。研究认
为，随着Mn含量的增加，铁素体转变被大幅度推
迟，贝氏体转变相对影响较小，因此在水冷条件下
可获得贝氏体转变；对于Si—Mn钢而言，当Mn含量
大于2．0％，可获得良好的淬硬性和淬透性，而且可
在此基础上通过控制C含量影响铁素体、贝氏体转
变孕育期，从而影响组织状态以满足不同需要t271。
2．2 国外研究进展
在市场压力下，世界钢铁强国如瑞典、日本、德
国、法国等，通过开发新技术、研发新设备等思路均
已经实现了特殊钢生产的高品质控制，以高质量和
高价格赢得稳定的客户群，在世界特殊钢市场上获
得了巨大的利益。在世界特殊钢市场中，日本的特
殊钢出口量最多，达到世界交易量的30％。在众多
特殊钢生产国中，又以瑞典的特殊钢生产比例最
大，接近50％。
Nimax是瑞典Uddeholm研制的新型空冷预硬
型模具钢，其各元素的质量分数为：CO．1％ ，
Si0。26％ ，Mn2．5％ ，Ni l．0％ ，Cr3．0％ ，Mo0．30％ ，
P0．O2％，SO．008％，V0．017％ ：该钢种可锻后空冷直
接使用，相比调质钢生产周期大幅缩短。其成分设
计体现了低碳、高锰和低硅的设计思路，同时对V的
合理添加保证了创新工艺的实现。
针对添加V达到质量分数0．35％的P20+0．5Ni
模具钢的研究显示，V能显著增加钢的淬透性，允许
生产的预硬化块截面积增加88％，同时增加冲击韧
性120％，屈服强度17％和回火后硬度提高24％。同
样以P20+0．5Ni为基体的研究显示，B元素导致钢的
淬透性增加，理论上可以允许生产横截面大于基体
合金成分400％的模块。研究结果还表明，在P20+
0．5Ni基础上，0．35％的Ni可以被0．15％V取代，且仍
能保持相同的淬透性129 。
综合国内外的合金成分设计思路，C与Mn的合
理搭配以及微合金元素V、Nb和Ti的运用是合金设
计的关键，根据C含量可粗略分为“低碳”和“中碳”
两大类，随着碳含量的不同，Mn的含量也有所不同，
添加量从1．1％～2．8％，基本上保持“低碳高锰”和
“中碳低锰”的设计思路。随着对模具钢焊补性能
要求的提高，“低碳”成为目前此类钢种发展的主要
方向。
通过对国内外贝氏体塑料模具钢的研究可以
发现，添加V、Nb和Ti元素，能起到细化晶粒和增强
材料淬硬性的作用，尤其是非调质工艺实现过程，
微合金元素的添加和析出控制成为其中的关键。
2．3 加工性能研究
早在1995年，吴晓春等的研究成果证实，非调
质型塑料模具钢的可切削加工性能优于经调质处
理的45钢及P20塑料模具钢，具有良好的加工性
能。经一般的切削和抛光加工，其表面粗糙度分别
达到Ra

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