项目名称：高品质耐蚀塑料模具钢关键技术开发及产业化

完成单位：钢铁研究总院有限公司 等

完成人：马党参 等

PART 1

研究的背景与问题

现代制造业不可或缺的基础工装就是模具, 被誉为“工业之母”, 是衡量一个国家制造业水平的重要标志。我国自21世纪初便已成为世界第一模具制造大国和消费大国, 2024年产值突破3633亿元、占全球1/3之上。塑胶模具占其中50%以上, 塑料模具钢也相应成为模具钢之中用量最大和最重要的品种之一。不过, 我国耐蚀塑料模具钢的品种品质长久落后于世界发达国家, 高端90%之上依赖进口, 价钱为国产材料的3-5倍。这实实在在推高了制造业各项成本, 绝绝对对更是对冲砸我国产业链的自主可控造形成胁, 同同时严重死死制约困绕了下游形形色色的家电、汽车、电电子通信、光学仪器、生物医疗等战略级产业的缓慢升级。立项开始之前, 国内耐蚀塑料模具钢面对迎面来的各各类突出难堪问题实实在在是实实……

1、耐蚀塑料模具钢之外, 选用品种没别、标准缺损、仅用上三铬十三或四铬十三普通不锈物, 根本没法适配各异塑料基材的各类繁琐作业场合条件。

2、不掌握核心工艺技术及装备, 高氮和超高氮钢的冶炼技术遭国外封锁, 国内还没完成工业化质的突破。

3、因材料纯净度低且组织的均匀性差, 使得抛光性能、耐腐蚀性能与耐磨损性能等等和国外有着明显的差距。

4、通用型产品采用传统模铸工艺流程长、能耗高、污染重；

5、目前模具损伤和热处理工艺之间耦合关系的研究尚且不足, 模具的热处理仅靠经验实施, 其核心制备材料内部蕴藏的性能潜力由此并未得以充分地发挥出来, 以致模具出现早期失效的情况频繁发生。

基于此, 顶尖级钢铁研究所总院联合辽宁鞍山抚顺特殊钢股份有限公司、辽宁大连东北特殊钢集团股份有限公司等单位, 进行高规格优品耐酸阻氧化塑料模具钢专项品种开发及核心难关技术集中攻坚, 这对冲击与打破海外国外技术行业垄断、彻底解决核心装备基础材料行业尖端性难题项目、实现关键特种模具材料国产化重要替代部件与关键产业链环节核心自主整体可控性具备着深远程度重要高规格的意义。

PART 2

解决问题的思路与技术方案

影响耐蚀塑料模具钢高品质产业化及高端应用的因素, 是复杂的, 是关系到材料研制-工艺设计-技术开发-模具应用的全链条系统工程, 复杂。钢铁研究总院联合抚顺特钢、东特股份等国内优势单位, 通过“产-学-研-销-用”全链条协同创新, 重点开展了系列化品种开发、成分精控与高纯净冶炼、组织均匀化控制工艺、模具热处理工艺优化、低成本短流程制备工艺及装备设计等一系列创新研发工作, , 总体研发思路及过程如下:

图1 高品质耐蚀塑料模具钢关键技术开发及产业化研究路线

PART 3

主要创新性成果

（一）率先制订了我国首个高品质耐蚀塑料模具钢国家标准, 创新提出了C-N匹配定量化合金设计准则与多元素协同增韧抗蚀合金化技术, 形成了我国专用耐蚀塑料模具钢品种系列。

针对传统3Cr13与4Cr13耐蚀塑料模具钢已无法满足日益广泛的应用塑料品种及高质量成型的要求, 亟需研制高性能耐蚀塑料模具钢专用高端品种。建立了C-N匹配定量化合金设计准则和多种元素协同增韧抗蚀合金化调控方法。

针对传统4Cr13钢的性能局限性, 凭借着Si-Mo-V的协同作用, 达成硬度、耐磨性和耐蚀性的同步提升, 研发出了FS136/DL136M等通用型高性能耐蚀塑料模具钢品种系列。

为适配精密光学器件及高端存储介质等产品对模具耐蚀性、韧性和抛光性能等综合性能的严苛要求。经由Mo、Ni元素协同搭配结合C-N匹配的定量化设计, 达成韧性、耐蚀、抛光性能的协同提升。顺利研发出耐蚀高氮塑料模具钢新品种: 氮含量0.08%至0.2%的型号为FS136LN、FS636、FS669等。

图2（a）硬度与冲击硬度的影响来自于Si还有V元素构成；（b）随C-N含量、硬度随变化呈现的是对应规律；（c）C-N匹配构成了影响耐蚀性情况的控制区间；（d）随Ni含量韧性、韧性随Ni含量的变化情况呈现出对应规律。

针对添加有玻纤增强剂、阻燃剂等物质的工程塑料制品所衍生的对模具耐磨性能、耐腐蚀性能的严苛要求。通过高含量氮合金化处理（N>0.2%）、使C元素与N元素的总占比大于0.5, 达到硬度≥55HRC的水准；再者添加Mo元素的占比大于0.8%便可实现对高磨损-强腐蚀这类复合极端条件的有效协同式抵御。最终成功开发出了超高氮型（N＞0.2%）的耐蚀塑料模具钢的品种: Cor-Mir、Cor‑Wear等。

图3（a）中的Mo于回火硬度造成影响；（b）中的Mo于耐蚀和耐磨产生相关影响。

（二）先后自主研发高氮、超高氮耐蚀塑料模具钢冶炼及氮均匀化集成技术通过所发明的两级增氮、加压电渣炉专用多元渣系、加压电渣充填新工艺技术途径实现了系列化耐蚀塑料模具钢的精准控氮与高洁净冶炼生产。

针对高氮耐蚀塑料模具钢（N: 0.08%~0.2%）, 设计了经由氮气保护电渣重熔达成的高纯净高氮冶炼工艺, 发明了AOD炉冶炼时氧氮的共吹举措和LF炉采用底吹氮气与氮化铬相复合的增氮技能, 实现最大氮偏差数值小于0.01%。

针对超高氮耐蚀塑料模具钢（N>0.2%）, 研发了加压电渣重熔超高氮冶炼工艺, 发明了“一级气体加二级固体”的两级增氮技术以及专用多元渣系, 最大N含量可达0.5%, 氮均匀化系数在0.95以上；发明了加压电渣重熔充填新工艺, 使缩孔深度降低67%以上, 成材率提高5%以上；系列化技术率先突破了高氮或者超高氮钢的增氮和精准控氮冶炼难题, 打破了国外技术封锁。

图4（a）高氮冶炼工艺氮元素精准管控之效果情况尽显；（b）超高氮冶炼工艺氮元素管控均匀度之效果情况尽显。

（三）阐明了显微匀一性与耐侵蚀性、抛光性能及强固韧性的内在关联, 自主研发了“钢锭均质化+多向锻炼+网/带组织控制先行处理+多级控温控冷球化退火”组织调控集成关键工艺, 破解了组织匀一性差的瓶颈, 侵蚀性、抛光性、耐磨耗性等核心性能指标达到国际顶级水平, 批量替代进口并出口欧美市场。

揭露了退火组织质地不均匀处的演化规矩还有它同钢材强韧度、耐蚀度、抛光情况的内在勾连, 靠着定量解刨巨型钢锭的凝固状偏析特点, 设立了均匀化方程, 研制了超高温短时间的均匀化技术技俩, 完成了巨型电渣钢锭偏析数值比数值调低35.5%, 单次析出碳化物往内溶解度数超出90%。

图5（a）为电渣锭二次枝晶间距；（b）为高温均质化前后Cr元素偏析比；（c）是高温均质化前的组织；（d）乃高温均质化后的组织。

研制开发了带网/带组织的控制预处理技术, 可以有效防护快冷裂纹并制约抑制了网/带组织的遗传情况。研究开发了一级慢冷形核叠加二级控温控冷的多级次球化退火关键技术, 可以用以实现退火的组织均匀级别, 从原有的D/E级跃升提升到A/B级, 达成稳定化管控。整合集成相关工艺技术方式, 解决处理好了组织均匀性不足的整个行业共性普遍技术难点, 达成冲击性能和耐蚀性能的稳步显见提升。

图6 （a）均匀化退火的组织随时间演变的相关规律；（b）均匀化退火前后材料的冲击韧性发生对比；（c）均匀化退火前后材料间的耐蚀性能开展对比。

（四）首创了兼容扁坯的大弧形圆坯连铸机、“两平两立”可逆式高精度宽扁钢轧机工艺装备及多级间歇循环冷却控制技术, 率先实现“连铸连轧+在线预硬化”绿色低成本制备工艺, 开发出850mm大宽幅高纯净、高均匀、高精度预硬化耐蚀塑料模具扁钢, 生产成本降低1200元/吨, 缩短制造周期, 全面提升模具产业链竞争力。

开发了「转炉钢水—LF—RH」冶炼流程工艺技术, 达成了成品材中零点零点零贰百分比、零点零点贰百分比、零点零点零壹伍百分比的高纯净低成本冶炼, 同步解决了高铬钢中残余以及杂质元素高的问题。

改造发明了兼容扁坯的大弧形圆坯连铸机, 匹配开发了二冷静压下高振频高振幅振动的新工艺, 自主设计了两立两平四机架扁钢可逆连轧工艺, 实现了中厚扁钢在火里长。创新开发了“水-雾-空”分级循环冷却技术, 以水淬替代油淬, 解了预硬开裂难题, 实现清洁预硬化, 轧材合格率超99.5%, 成材率提升14%。

此番开发了将转炉、连铸、连轧、在线预硬化流程集成的技术, 相较对比传统模铸造、锻压轧制与离线硬化工艺, 缩减生产周期达到8到10天之多, 每吨钢的生产成本降低1200元, 所排产生的二氧化碳量减少1.34吨。

图7（a）在线预硬化工艺与离线预硬化组织对比；（b）成品材截面硬度分布云图；（c）交货硬度合格率。

（五）探明到腐蚀与磨损的耦合损伤比单一损伤有着格外突出的协同放大效应且回火温度会对主导损伤法则存在影响, 构建了热处理工艺跟材料强韧性、耐蚀性、腐蚀伴随磨损性能的对应映射连系, 指引模具热处理工艺的按需精准设计。

基于耐蚀塑料模具钢腐蚀磨损测验钻研发现了腐蚀-磨损耦合损毁具有显著的协同效用, 能够让模具寿命缩短三成以上的~ 同时揭示出了碳化物在耦合场当中从“耐磨的一相物质”演化改变为“加速腐蚀之相”的变动演进的作用机理。

耐磨相TEM图像为图8（a1）、加速腐蚀相TEM图像为图8（a2）、均匀化处理腐蚀磨损表面为SEM即图8（b1）、非均匀化处理腐蚀磨损表面为SEM即图8（b2）、腐蚀磨损交互作用量为图8（c）

主导演化损伤模式从“磨蚀”到“蚀磨”转变的规律是回火温度所阐明的, 提出“低温回火侧重于耐蚀性, 高温回火侧重于耐磨性”的热处理设计方法并建立热处理工艺同力学性能和腐蚀-磨性能间关联的关系, 为实现耐蚀性与耐磨性协同优化的按需热处理工艺设计工作提供了理论依据。

图9, 不同回火温度下的性能对比: （a）耐蚀性；（b）硬度、冲击韧性还和耐磨性；（c）是腐蚀-磨损形成的三维轮廓；（d）为腐蚀-磨损之下磨痕的深度。

PART 4

应用情况与效果

项目拿到授权发明专利十五件, 主持制定国家标准二项, 产品标准四十六项, 出版专著二部。产品被宽泛应用于新能源汽车、高端医疗器械、精密光学器件等等关键领域。FS136、Cor-Mir、Cor-Wear等等核心产品性能到达或者超过进口材料水准, 批量替代进口, 还出口欧美。近三年新增销售额三十七点三亿, 利税六点四亿, 创收外汇三千四百二十八万美元。项目产品被评为中国钢铁工业“十四五”十大引领产品、二〇二二年“中国钢铁工业产品市场开拓奖”、连续十年“质量金杯奖”和“特优质量奖”等, 经中国金属学会组织的科技评价认为研发成果总体达到国际领先水平。