高品质耐蚀塑料模具钢关键技术开发及产业化

一、研究的背景与问题

模具是现代制造业不可或缺的基础工装，号称“工业之母”，是衡量一个国家制造业水平的重要标志。自21世纪初我国已成为世界第一模具制造大国与消费大国，2024年产值突破3633亿元，占全球1/3以上。其中塑胶模具占50%以上，塑料模具钢也相应成为模具钢中用量最大和最重要的品种之一。然而，我国耐蚀塑料模具钢的品种质量长期落后世界发达国家，高端90%以上依赖进口，价格为国产材料的3-5倍。这不仅推高了制造业成本，更对国家产业链的自主可控构成威胁，同时严重制约了下游家电、汽车、电子通信、光学仪器、生物医疗等战略产业的升级。国内耐蚀塑料模具钢面临的突出问题是：

1、品种单一、标准缺失，仅用普通3Cr13/4Cr13不锈钢作为耐蚀塑料模具钢的代用品，无法满足不同塑料原料多样化复杂工况需求；

2、核心工艺技术及装备不掌握，高氮及超高氮钢的冶炼技术受国外封锁，国内尚未实现工业化突破；

3、材料纯净度低、组织均匀性差，导致抛光性、耐蚀性、耐磨性等与国外存在显著差距；

4、通用型产品采用传统模铸工艺流程长、能耗高、污染重；

5、模具损伤机制与热处理工艺的耦合关系研究缺乏，热处理凭经验，材料潜力未能充分发挥，导致模具早期失效频发。

基于此，钢铁研究总院联合抚顺特钢、东北特钢等单位，开展高品质耐蚀塑料模具钢品种开发及关键技术攻关，这对打破国外技术垄断、解决行业难题、实现关键模具材料的国产化替代与产业链自主可控具有重要的意义。

二、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。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

三、主要创新性成果

1、创新提出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。发明了Cor-Mir、Cor-Wear等10余个系列化耐蚀塑料模具钢品种，形成了专用耐蚀塑料模具钢品种系列，制订了世界上首个高品质耐蚀塑料模具钢国家标准。

图2 (a)Si和V元素对硬度和冲击性的影响；(b)硬度随C-N含量的变化规律；

(c)影响耐蚀性的C-N匹配控制区间；(d)韧性随Ni含量的变化规律

针对传统3Cr13和4Cr13耐蚀塑料模具钢已无法满足日益广泛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Ni、Mo、V、Si等其它元素合金化协同调控方法。

针对传统4Cr13钢的性能局限性，通过Si-Mo-V协同作用，实现硬度、耐磨性与耐蚀性的同步提升。基于此，开发了FS136/DL136M等通用型高性能耐蚀塑料模具钢品种系列。

针对精密光学器件和高端存储介质等产品对模具抛光性能、耐蚀性和韧性等综合性能的高要求。通过C-N匹配的定量化设计及Mo、Ni元素协同，实现了抛光、耐蚀、韧性的同步提升。，成功开发出高氮型（N：0.08%~0.2%）耐蚀塑料模具钢品种：FS136LN、FS636、FS669等。

针对含有玻纤增强剂、阻燃剂等工程塑料制品对模具耐磨、耐蚀性的严苛要求。通过高氮合金化（N>0.2%），C+N>0.5%，实现硬度≥55HRC；添加Mo>0.8%触发显著的“二次硬化-耐磨性提升”与“钝化增强”的双重协同机制，实现对高磨损强腐蚀复合极端条件的有效协同抵御。成功开发了超高氮型（N＞0.2%）耐蚀塑料模具钢品种：Cor-Mir、CorWear等。

图3 Mo含量对性能的影响：(a)回火硬度曲线；(b)耐蚀和耐磨性能

制订了世界首个高端耐蚀塑料模具钢国家标准（GB/T 35840.3-2018），建立了极为严格的质量评判基准，原创了国际首个耐蚀塑料模具钢退火组织评级图谱，填补了该领域标准空白。此外，修订升级了国家工模具钢基础标准（GB/T 1299-2025），引领我国耐蚀塑料模具钢整体制造水平和产品的高质量发展。

2、自主研发了高氮、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”等技术途径，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，填补了国内空白。

针对高氮耐蚀塑料模具钢（N：0.08%~0.2%），开发了保护气氛电渣重熔（IG-ESR）高纯净低成本冶炼工艺技术。通过采用高纯原料控制、LF底吹氮、氮化铬复合增氮及保护气氛电渣重熔技术，结合独特渣系，有效滤除了≥10μm的氧化物夹杂，实现了高质量铸锭表面控制、高洁净度和氮含量的精准调控。

针对超高氮耐蚀塑料模具钢（N>0.2%），开发了加压电渣重熔（P-ESR）增氮-控氮冶金工艺技术。发明了两级增氮技术及专用多元渣系，解决了超高氮钢合金化及氮含量分布不均，电渣锭充填端和底垫端氮含量偏差大的问题；发明了加压电渣重熔充填新工艺，解决了超高氮钢电渣锭深缩孔问题。

应用上述集成技术，实现了FS136LN、Cor-Mir、Cor-Wear等高氮、超高氮高端耐蚀塑料模具钢的氮精准化（氮偏差≤0.03%）、均匀化控制（钢锭截面氮均匀化系数N_min/N_max≥0.95）及高纯净化冶炼生产，突破超高氮耐蚀塑料模具钢的冶炼技术，填补国内空白。

图4 渣系优化前后钢锭充填端-底垫端氮含量偏差对比：（a）优化前；（b）优化后

3、揭示了显微组织均匀性与耐蚀性、抛光性能及强韧性的内在关系，自主开发了“钢锭均质化+多向锻造+网/带组织控制预处理+多级控温控冷球化退火”组织调控集成关键技术，攻克了组织均匀性差的难题，耐蚀性、抛光性、耐磨性等关键性能指标达到国际领先水平，批量替代进口并出口欧美市场。

基于Φ750mm大规格电渣锭解剖分析及偏析演变规律研究，建立了合金元素均质化方程，提出1260℃超高温短时扩散工艺，成功实现关键元素Cr的偏析系数从1.72降至近理想的1.1，共晶碳化物的回溶率提升至90%以上，显著改善钢锭铸态组织不均匀性；开发了网/带组织控制预处理及多级控温控冷球化退火技术，实现了球化退火组织均匀性从D/E级提升到A/B级，热处理后冲击性能提升74.2%，耐蚀性能提升26.4%。

图5 高温均质化改善合金元素偏析效果：（a）电渣锭二次枝晶间距；（b）Cr元素偏析比；（c）高温均质化前显微组织；（d）高温均质化后显微组织

图6 高温均质化改善合金元素偏析效果：（a）不同阶段组织演变规律；（b）均匀化前后冲击韧性对比；（c）均匀化前后耐蚀性能对比

4、首创了大弧形圆坯兼容扁坯连铸机、“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，率先实现了“连铸连轧+在线预硬化”绿色低成本制备工艺，首次开发出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，缩短了制造周期，全面提升了模具产业链竞争力。

（1）高纯净低成本冶炼关键技术

开发了“转炉钢水-LF-RH”冶炼流程工艺技术，实现了成品材中[S]≤0.002%、[P]≤0.020%、[O]≤0.0015%的高纯净低成本冶炼技术，同时解决了高Cr钢中残余及杂质元素高的问题。

图7 高纯净冶炼技术：（a）LF渣系三元相图；（b）（c）RH工艺夹杂物改善效果

（2）宽扁钢连铸连轧关键技术

对16.5米大弧形半径圆坯连铸机进行关键设备扁坯（200mm×550~ 850mm）兼容性改造；开发了专用低粘度保护渣，优化了二冷工艺、扇形段静态轻压下工艺和高振频、高振幅振动工艺，攻克了连铸坯内部疏松、偏析、表面缺陷及铸坯矫直难题，率先实现了高合金耐蚀塑料模具钢的连铸生产。

自主设计开发了“立-平-立-平”四机架扁钢可逆连轧工艺软件包，解决了中厚扁钢轧制一火成材难题，实现模具扁钢尺寸精度≤1/4 DIN标准，角部圆角半径R≤0.5mm，探伤E/e级合格率≥95%，低倍组织中心疏松≤1.5级。

图8 连铸连轧生产工艺优化：（a）保护渣优化前后铸坯表面质量对比；（b）扇形段静态压下优化工艺曲线及连铸坯低倍组织

（3）在线控冷预硬化关键技术

中高碳马氏体不锈钢水淬易开裂，国内外均推荐采用油冷淬火或高压气淬。创新设计了“水-雾-空”分级循环冷却工艺，通过高压喷水结合气雾快速冷却，并利用间歇空冷的自回火效应，实现在高冷速的同时确保淬火应力受控，突破了快速淬透且避免淬火裂纹的技术瓶颈；采用淬后快速高温在线回火技术，避免形成应力释放裂纹并保证残余奥氏体充分分解。率先开发出耐蚀塑料模具扁钢在线控冷预硬化技术，以环保节能的水-雾-空混合淬火全面替代了高污染、高成本的油淬和高压气淬，实现了生产过程的清洁化转型。

图9 在线预硬化工艺效果：（a）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

通过上述集成技术，以连铸-连轧-在线预硬化代替传统模铸长流程工艺，实现了大宽幅扁钢的低成本、绿色化生产。连铸坯合格率超过99.5%，成材率较模铸工艺提升14%，中心疏松1.5级；缩短生产周期8-10天；吨钢生产成本降低1200元，节能5.28GJ，减排1.34吨CO₂、减排0.8kg油污。

5、发现了腐蚀-磨损耦合损伤较单一损伤具有显著的协同放大效应和回火温度对主导损伤机制的影响规律，构建了热处理工艺与材料强韧性、耐蚀性、腐蚀-磨损性能的映射关系，指导模具热处理工艺的按需设计。

基于腐蚀、磨损及腐蚀-磨损交互实验研究，发现了腐蚀-磨损耦合损伤存在显著协同作用，较单一损伤模式加速失效30%以上，综合损伤程度远高于单纯腐蚀与磨损的线性叠加。阐明了微观组织不均匀性是诱发局部腐蚀、加速整体失效的主要因素，揭示了大尺寸碳化物在腐蚀磨损耦合场中由“耐磨相”蜕变为“加速腐蚀相”的腐蚀-磨损机制。

图10 腐蚀-磨损交互作用机制：（a1）耐磨相TEM图像；（a2）加速腐蚀相TEM图像；（b1）均匀化处理后腐蚀磨损表面SEM；（b2）非均匀化处理腐蚀磨损表面SEM；（c）腐蚀磨损交互作用量

通过系统研究热处理工艺参数对材料耐蚀性、耐磨性及腐蚀磨损性能的影响规律，发现了耐蚀性与耐磨性随回火温度呈现不同的响应趋势，揭示了主导损伤模式随回火温度由“磨蚀”向“蚀磨”的转变机制。提出了“低温回火侧重耐蚀性、高温回火侧重耐磨性”的热处理指导原则，为按需热处理工艺设计实现耐蚀性与耐磨性的协同优化提供了重要理论依据。

图11 不同回火温度下性能对比：（a）耐蚀性；（b）硬度、冲击韧性及耐磨性；（c）腐蚀磨损三维轮廓；（d）腐蚀磨损磨痕深度

四、应用情况与效果

该项目获得授权发明专利15件，主持制订国家标准2项，产品标准46项，出版专著2部；产品广泛应用于新能源汽车、精密电子、半导体封装、医疗器械、高玻纤工程塑料、精密光学器件等关键领域。FS136LN、FS236HN、Cor-Wear等核心产品性能达到或超过进口材料水平，批量替代进口，并出口欧美。近三年新增销售额37.3亿，利税6.4亿，累计创效64.5亿。项目产品被评为中国钢铁工业“十四五”十大引领产品、2022年“中国钢铁工业产品市场开拓奖”、连续10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。

信息来源：钢铁研究总院有限公司