1研究背景与问题

模具是工业基石，是衡量国家制造业水平高低的重要标志之一。我国模具工业起步较晚，但发展十分迅速。改革开放后三十多年的发展使我国成为世界模具制造及消费大国并建立起了较为完整模具工业体系。

随着塑料应用范围的扩大及种类的增加，塑料制品的多样化和模具加工技术的快速发展，塑料模具钢的需求在模具钢总量中所占比例超过40%。塑料模具的使用环境复杂，产品表面光洁度要求高，而且要承受炽热的塑料熔融液的冲刷磨损，承受氯、氟等有害气体的腐蚀，因此要求塑料模具钢具有良好的耐蚀性能、镜面抛光性能、硬度均匀性。

国际著名塑料模具钢生产厂家有瑞典一胜百、德国葛利兹、奥地利百禄、日本大同特钢及日立金属等。国外企业为了生产出高端塑料模具钢，通常采用电渣重熔工艺对钢质纯净度进行控制，甚至采用加压电渣重熔工艺生产高氮模具钢，因此产品具有良好耐蚀性能、镜面抛光性能和硬度均匀性，如葛利兹开发的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呈现出高速追赶状态，相继开发的Cr系马氏体型模具钢成为应用最广泛的耐蚀塑料模具钢，包括2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr17等，但总体仍然存在三个主要问题：1）低端产品市场供大于求，国内生产企业之间为争夺市场已陷入恶性竞争；2）同类高端产品严重依赖进口；3）大部分国内特钢企业在生产设备和技术运用上无法实现对产品的长期稳定控制，不同批次产品的质量参差不齐。从使用性能看，国内塑料模具钢产品主要在抛光性能、耐蚀性能及硬度均匀性三大关键指标与国外产品差距较大，不能满足汽车、家电、电子信息等高端行业的需要。

为了发挥企业优势助推我国塑料模具材料升级换代，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，专门针对电炉-LFVD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系统的理论计算与试验研究，包括化学成分设计、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。

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（抛光性能、耐蚀性能、硬度均匀性等）的关键因素开展系统的理论与试验研究，具体包括以下几个方面：

1）含氮塑料模具钢氮含量计算及相关基础研究；

2）含氮塑料模具钢冶炼工艺研究，包括夹杂物控制技术、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。

通过上述研究，开发了含氮塑料模具钢生产关键技术并应用于工业生产，产品抛光性能、耐蚀性能、硬度均匀度等关键指标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、镜面抛光性能、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（3Cr13[N]、4Cr13[N]、3Cr 17NiMo[N]）全工序关键技术，有效解决了高品质含氮塑料模具钢钢质纯净度控制、氮含量稳定控制、成分均匀性控制、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。本项目在电炉-LF-VD传统经济流程条件下开发出高品质含氮塑料模具钢整套核心生产技术，取得以下创新：

1）高合金含量塑料模具钢钢质纯净度控制技术：针对电炉-LF-VD传统流程高合金钢冶炼过程夹杂物难去除及钢中氧难以稳定控制的技术难题，创新设计了脱氧合金化工艺及SiO₂-CaO-Al₂O₃-MgO系精炼渣的组成成分，成功将钢液氧含量≤30ppm的合格率从研究初期的30%提高到了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。

2）含氮塑料模具钢氮元素气相合金化技术：针对电炉-LF-VD传统流程中常压下氮难以稳定控制的技术难题，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，钢材中氮元素成分合格率达到94%以上。

3）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“钢锭加热-保温-降温-轧制-中间坯高温扩散退火-降温-轧制”的工艺均质化退火工艺，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，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，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%。

4）自主开发塑料模具钢在线预硬冷却设备及工艺：针对常规冷却方式下冷却均匀性差造成硬度不均、冷速过快产品开裂问题，创新提出了上部水幕式，无边部、棱角以及头尾遮蔽的设计思想并自主设计开发了在线预硬冷却装置及“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，既节省了能源，缩短了产品生产周期，又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。

本项目已实现中国发明专利受理25项、欧洲发明专利受理2项、乌克兰发明专利受理4项、韩国专利受理2项，获中国发明授权17项。

4应用情况与效果

通过上述钢质纯净度控制、氮合金化工艺、成分均匀性控制、在线预硬装备与工艺等关键技术的集成创新，开发出了系列含氮塑料模具钢，产品抛光性能、耐蚀性能、硬度均匀性等关键指标达到国际一流水平，具体如下：

1）硬度均匀性：根据用户需求，产品以预硬态交货，硬度范围30-36HRC，同一产品硬度差≤3HRC；

2）抛光性能：产品抛光后表面粗糙塑Ra值在0.03-0.039μm；

3）耐蚀性能：在酸性盐雾环境中72h不发生红锈；

4）夹杂物级别：非金属夹杂物达到A类0级、B类0级、C类0级、D类0-0.5级水平，[O]≤30ppm达标率稳定达到94%以上。

近三年采用项目工艺技术生产含氮塑料模具钢7.58万吨，产品广泛应用于汽车、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达到45%左右，支撑了我国塑料模具产业快速发展及竞争力提升。

项目开发的相关工艺技术，如高合金钢钢质纯净度控制技术、成分均匀化控制技术等在攀钢集团江油长城特殊钢公司得到全面推广应用，带动了整个模具钢（热作模具钢、冷作模具钢及塑料模具钢）产品质量的显著提高，产品市场竞争力得到大幅提升，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（钢质纯净度控制技术、成分均匀化控制技术）开发的口罩机熔喷布专用模具钢4Cr13H（耐蚀性、抛光性、硬度均匀性要求极高）快速交付用户，为疫情防控做出了突出的贡献，创造了显著的经济和社会效益。（攀钢集团）