干货_国内外塑料模具钢研究现状与发展趋势
点击上方↑模具工业,关注我们吧关于提醒广大读者、作者谨防诈骗的声明有删减,如需全文,请购杂志或前往知网下载塑料模具钢在模具钢的用量中占有很高比例,主要用于制造生产塑料制品的模具。塑料模的工作特点是:既要承受炽热的塑料熔融液的冲刷磨损,又要承受氯、氟等有害气体的腐蚀,其工作环境复杂,合金元素种类较多,内部的影响机制多样化。为提高塑料制品质量和扩大应用领域,塑料模具钢正向着高精度、高效率、长使用寿命的方向发展。目前,新型塑料模具钢的开发主要有2个途径:①根据钢的合金化成分设计原理并结合我国资源与冶金技术的实情,研制高性能、低成本的新钢种;②引进国外一些性能优良的钢种,进行国产化研制,以取代价格昂贵的进口钢材。我国在“十三五规划”中明确提出:在塑料模具钢方面,针对718类塑料模具钢,要实现大截面模具钢锻材的质量稳定,为模具钢生产企业提供高温均质化、锻造、预先热处理技术输出工艺参数。此外,还要基于成分、工艺、组织与服役性能关系的研究,开发出大截面、高均匀、节能型贝氏体预硬型塑料模具钢和高抛光、易切削、耐腐蚀镜面塑料模具钢。国内外塑料模具钢概况1“现代工业,模具领先”,目前的钢铁强国如瑞典、德国、日本、法国等,其技术先进,模具钢种类齐全,已经形成了几个闻名世界的品牌,除熟悉的瑞典一胜百、日本大同等企业,德国葛利兹、奥地利博乐、日本的高周波和日立金属、瑞典的斯堪纳集团等也都在业界闻名遐迩。相对欧美国家,我国的模具钢研究起步较晚,一开始并没有塑料模具钢专用钢种系列,选用的钢种较多且杂,包括20钢、45钢等碳素结构钢,T8钢、T10钢等碳素工具钢,40Cr、38CrMoAl等合金结构钢,Cr12等合金工具钢,甚至是H13等通用型模具钢,由于不是专钢专用,模具使用寿命短、消耗大且模具成型的产品质量低,虽然从20世纪90年代起,我国塑料模具钢呈现出高速追赶状态,但仍然存在以下3个主要问题:①低端产品市场供大于求,由于低端产品市场准入门槛低,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,进口产品价格达到国内同类产品的3~6倍;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。大截面及高均匀塑料模具钢2用作大截面模具的塑料模具钢P20钢最初由美国提出,属于中碳Cr-Mo型塑料模具钢,其中含1.85%Cr、1.30%Mn、0.40%Mo等合金元素可保证淬透性。目前大型塑料制品包括家电外壳、汽车中控台等,其最大尺寸在600mm以上,为使如此大模块整体硬度均匀,必须进一步提高淬透性,传统的P20和合金结构钢已不能满足大型塑料制品的要求。因此,模具钢生产厂家基于我国的标准在P20钢的基础上不断改进,形成企业自己的牌号,具体的牌号及成分如表1所示。KPM30是高周波推出的P20改良型塑料模具钢,与P20钢相比,其硬度、切削性能和淬透性都更优良,在相同切削长度的条件下,可使刀具磨损量减少50%,对厚500mm的试件表面至心部的硬度均匀性明显改善。一胜百的718系列包括718钢、718H钢、718HH钢等,其中718钢是在P20钢的基础上加入了0.8%~1.2%的Ni,从而使其韧性、塑性以及耐腐蚀性都得以显著提升。FBEAUDET等进一步研究发现,在P20+0.5%Ni钢中,加入0.35%V,能够提高模块的淬透性,在同等组织条件下,模块的尺寸可增加88%,此试验结果同样适用于718钢。葛利兹的1.2738钢在成分上与718钢一致,其出厂硬度为32~36HRC,可应用于保险杠、仪表盘、大型垃圾桶等大型模具零件。738HH钢化学成分为0.27%C、0.30%Si、1.55%Mn、1.35%Cr、1.00%Ni,以34~38HRC预硬态出厂,适用于表面要求更高的保险杠、仪表盘、门板等大型汽车覆盖件的模具零件。在国内“十一五”期间,首先由上海大学先进模具材料及应用技术研发团队联合宝钢特钢、宏晟重工等企业试制成功了大截面预硬型塑料模具钢SDP2738。SDP2738在718钢的基础上降低Ni含量增加Mn含量,降低了生产成本,并采用精确的空冷及水冷淬火技术,使模块最大厚度达到1250mm且截面硬度波动≤4HRC,应用于汽车前后保险杠、大型家电等模具用材料,可替代进口的718HH等大截面预硬化塑料模具钢。上海大学研发的另一种大截面贝氏体预硬型塑料模具钢SDP1(专利授权:ZL2.5),生产周期较718钢缩短一半,厚度可达1100mm,成品硬度波动≤3HRC,可替代进口的718、2738、P20等钢,适用于家用电器大截面塑料模、汽车内饰模具等。江来珠发明的一种贝氏体大截面塑料模具钢通过合金成分优化,加入0.005%~0.008%N和微量Ti元素,Ti/N=3/4,并将碳含量控制在0.20%~0.30%,轧/锻后不必进行调质处理即可获得整个截面的粒状贝氏体和良好的力学性能,模块最大厚度可达500mm。易切削塑料模具钢3降低塑料模具制造成本、缩短模具制造周期、提高力学性能将成为产品研发的主要趋势,针对以上问题,除了提高切削技术和切削刀具质量外,模具材料本身的加工性能也必须进行优化。为改善预硬钢的被切削性能,研究者在钢中添加S、Sn、Pb、Bi、Ca、Cu、Ti、Mg等易切削元素。国外易切削钢的研究起步较早,1920年美国首次研制成功易切削钢并成功生产,距今已有90多年的发展历史,目前国际易切削钢市场,一半以上由日本和美国占领,尤其在易切削塑料模具钢领域,日本占有绝对优势,有代表性的牌号及化学成分如表2所示。日本高周波钢厂目前主推以下2种易切削塑料模具钢:①KAP90F是H13改进型Cu系易切削钢,Cu含量为0.23%~0.28%,其他合金元素含量为0.39%C、1.00%Si、0.45%Mn、5.30%Cr、1.10%Mo、0.55%V,出厂硬度为38~42HRC,主要用作推杆及模具标准件;②KAP65(成分未公开)是Ni-Al化合物析出形成硬化的高级塑料模具钢,硬度达40HRC,主要用作精密成型制品。日本大同的NAK55是S-Cu系易切削时效硬化型塑料模具钢,出厂硬度为37~43HRC,S和Cu的加入使其硬度和切削性能俱佳,可用于高品质、高硬度精密模具。CorroplastFM钢是德国蒂森克虏伯钢厂研发的,在1.2085钢的基础上加入了0.1%S,提高了Mn含量,降低了C含量,从而在保证耐蚀性的条件下,提高了淬透性。DFRIE研究发现,加工1.2085钢的刀具在加工22个凹槽后,出现严重的破损,不能够继续使用;而加工CorroplastFM钢的刀具在加工52个凹槽之后,情况依旧良好,没有出现明显的破损,CorroplastFM钢的切削性能优于1.2085钢。葛利兹钢厂的1.2312钢是在P20的基础上添加了约0.06%S,从而成为硫系易切削塑料模具钢,交货状态为29~34HRC,最大截面尺寸约为400mm,硬度均匀性较好,主要用于生产要求稍高的模架、模芯,加工性能良好。我国在1953年开始研究易切削钢,先研制易切削钢是S系,随后是Ca系和Ti系,之后又研制稀土易切削钢。Cr2MnWMoVS钢是由华中科技大学和首钢特钢联合开发的易切削精密模具钢,硫含量为0.08%~0.15%,S在钢中以MnS型非金属夹杂存在时,在切削加工中不仅可以减小切削力,还能润滑刀具,延长刀具的使用寿命,但如果形成低熔点的FeS-Fe的共晶或MnS和FeS的固溶体,可能会产生热脆现象。叶月华等研究发现,通过控制锰硫含量比≥4可以避免热脆现象,此时钢中的硫和锰全部形成MnS。此外,硅的存在有损切削性能,还会增大脱碳倾向,其含量要控制在0.4%以下。P20S、P20BS、P20SRe、P20BSCa均系上世纪90年代由华中科技大学研发的,都属于P20的改进钢种。其中P20BSCa的合金元素为0.37%C、0.78%Si、1.43%Mn、0.99%Cr、0.22%Mo、0.09%V、0.0023%B、0.075%S、0.0002%Ca,其合金化特点是添加Cr、V、微量B作为强韧化元素,有效保证淬透性,适量的Mo能起到净化晶界的作用,从而抑制回火脆性的发生,S-Ca复合体系是在S系易切削钢的基础上,通过适量Ca的加入,对MnS夹杂物的大小和形态起到变质作用,使MnS夹杂物由条状变为纺锤状,进一步提升切削性能和润滑作用。SDPCu是由上海大学研发的塑料模具钢,其热处理工艺为淬火1030℃+回火500~600℃,淬回火硬度为35~45HRC,该塑料模具钢是通过加入Cu元素的方法提高4Cr13的切削性能,达到4Cr13S易切削钢的水平,同时耐腐蚀性和皮纹蚀刻性能也得到提高,可替代进口的M333钢。耿鸿明等研究发现,Cu能提高切削性能的原因在于产生了铜-石墨复合相,复合相能够起到固体润滑剂的作用润滑刀具,在刀刃上形成一层固体润滑膜,降低切削过程中的切削热和减少刀具的磨损。耐腐蚀型塑料模具钢4塑料制品内含大量的合成树脂及填料、填塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂,这些添加剂在熔融状态下会析出含氯、氟等元素的腐蚀性气体,甚至在高湿度的空气中,模具也会被腐蚀。目前,提高塑料模具钢耐蚀性的主要方式是在钢中添加Cr、N等元素。国外模具制造商通常将马氏体不锈钢用作塑料制品成型材料,其中420马氏体不锈钢是经典钢种,是典型的Cr13型马氏体不诱钢,即2Cr13马氏体不锈钢。Cr13型马氏体不锈钢是指Cr含量在13%左右,含碳量(≤0.45%)较低的不锈钢,也包括为改善不锈钢性能添加其他合金元素的马氏体不锈钢。目前,占据高端不锈耐蚀钢市场的钢种,大多为420不锈钢及其改良型,具体牌号及化学成分如表3所示。葛利兹钢厂在420钢的基础上,结合自身优势,相继开发了1.2083系列和1.2316系列,1.2083钢一般以退火态交货,合金元素主要有0.40%C、13%Cr,主要用于耐腐蚀型塑料模具,且抛光性能优良。1.2083VictoryESR在合金成分上与1.2083钢基本保持一致,但在冶金时采用了更先进的电渣重熔技术,从而能够获得更洁净、组织均匀致密的钢锭,应用上与1.2083钢类似,但可应用于粗糙度要求更高的模具。1.2083VictoryESR+N在1.2083VictoryESR的基础上添加了0.25%V,降低了0.02%C,添加了适量的N,使钢的耐蚀性进一步提高。1.2085钢是一种耐腐蚀型预硬塑料模具钢,其出厂硬度为28~33HRC,合金元素包括0.33%C、16%Cr、0.25%Ni、0.07%S,S的加入提高了钢的加工性能,主要用于镶件、模架等。大同特殊钢的G-STAR是1.2085钢的改良版,其合金元素包括0.35%C、16%Cr、1%Mo及适量的S,出厂时为预硬态31~34HRC,主要用于耐腐蚀模架模座。日立金属的HPM38钢是13Cr系含Mo耐蚀钢,出厂状态为淬火回火态,使用硬度为50~55HRC,主要用作磁带外壳、医疗器械、碗碟等模具。CENAl预硬型不锈耐蚀钢实现了耐蚀性和抛光性能的完美搭配,其中的Cr、Al、Ni等元素以CrNiAl、Cr、NiAl等形式析出,起到析出硬化作用,常用作耐腐蚀、高镜面要求、高光无痕成型模具。一胜百的MIRRAX40是耐腐蚀的预硬型模具钢,出厂硬度可达到360~400HB,合金元素含量为0.21%C、0.9%Si、0.45%Mn、13.5%Cr、0.2%Mo、0.25%V、0.6%Ni、适量的NoN和Ni的加入可有效提高耐蚀性,适用于腐蚀性塑料的注射模与吹塑模。CORRAX的含碳量仅为0.03%,镍含量为9.2%,铝含量为1.6%,可时效硬化至40~51HRC,具有优异的耐蚀性。STAVAXESR是耐蚀性和抛光性俱佳的塑料模具钢材料,研究表明:回火温度越高,其耐蚀性能越差;慢冷试样的耐蚀性能比快冷的耐蚀性能差。在国内,Cr系模具钢是目前应用最广泛的耐蚀塑料模具钢,常见的主要有:2Cr13、3Cr13、3Cr17、4Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2、9Cr18Mo、X36CrMo17、0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)等,其中4Cr13属于中碳高铬型不锈钢,其合金成分为0.36%~0.45%C、Si≤0.60%、Mn≤0.80%、12%~14%Cr、0.60%Ni、S≤0.03%、P≤0.04%,Cr可提高铁-铬合金的淬透性并显著提高耐蚀性,因为Cr的腐蚀电位比铁低,钝化能力比铁更强。在铁铬合金中,Cr含量增加会导致合金的腐蚀电位和临界钝电位向负电位方向移动。致钝电流密度逐渐减小,即表明合金中铬含量越高则越易钝化,耐蚀性越好。PCR钢是由上海材料研究所研制的马氏体时效析出硬化不锈钢,其中加入了约0.3%Zr,可有效细化晶粒,该钢经过高温固溶和时效处理后,具有良好的耐腐蚀性能,其耐蚀性大大优于美国17-4PH钢。高氮钢作为一类新钢种,目前没有统一的标准定义。曼德里将高氮钢定义为一定条件下,氮在钢中的溶解达到饱和的钢;BERNS则将其定义为“不锈钢中含0.9%的氮或工具钢中含2%的氮”。SW333是宝钢特钢自主研制的含氮耐蚀塑料模具钢,其成分特征是降低碳含量增加氮含量,其成分的改进减少了M23C6型高铬含量的碳化物的析出,增加了Cr2N型氮化物的析出[32,33],使基体中的铬含量提高,从而改变腐蚀电位,提高耐蚀性。陈卓等人研究表明,SW333钢的腐蚀速率低于4Cr13钢,自腐蚀电位高于4Cr13钢,即SW333钢耐腐蚀性要优于4Cr13钢。SDP333(3Cr13N)钢是由上海大学在3Cr13钢的基础上研发的,其淬回火硬度为35~45HRC,以氮元素代替了部分碳元素,提高了耐蚀性能、机加工性能,其综合性能优于4Cr13钢,可取代进口的M333钢。张永军等研究发现,高氮马氏体不锈钢3Cr13N耐腐蚀的主要原因是M23C6型夹杂物数量较马氏体不锈钢3Cr13少。镜面抛光用塑料模具钢5随着人们生活品质的提高,对塑料制品的质量要求越来越高,主要通过抛光降低模具型腔的表面粗糙度值保证成型塑件的质量。在生产过程中,光滑的模具型腔表面不仅使成型的制品更加美观,还有利于脱模、缩短生产周期等优点。相关研究发现,模具钢的良好镜面抛光性(成型面表面粗糙度值Ra≤0.11μm)主要取决于钢的硬度、纯净度、晶粒度、夹杂物形态、组织致密性和均匀性等因素。国外生产厂家针对客户的需求,推出了大量的高镜面甚至超高镜面的塑料模具钢,具体牌号及化学成分如表4所示。日本大同钢厂目前主推以下4种镜面抛光用塑料模具钢:①PAT868(成分未公开)是该厂最新研发的多用途塑料模具钢,经硬化后可达到46~50HRC,抛光性能可达到镜面级别,且拥有优良的韧性;②S-STAR钢合金元素含量为0.38%C、Si≤1%、13.5%Cr、0.1%Mo、0.3%V,可预硬至31~34HRC,经抛光后镜面度可达到12000#以上,可用于超镜面耐腐蚀精密模具;③NAK80是大同主推的高镜面性预硬钢,属于Ni-Al-Cu系列合金,成分为0.15%C、0.3%Si、1.5%Mn、0.3%Mo、3%Ni、1%Al、1%Cu,经过油石、砂纸和金刚石研磨膏依次抛光后,镜面度可达到5000#以上,主要用于高性能、精密塑料模及透明塑料制品等重视镜面研磨性的模具;④NAK-PRM作为一种超镜面性、高韧性、耐腐蚀性预硬钢,抛光后镜面度可达到8000#以上。日立金属的HPM-PRO(成分未公开)作为P21的改良预硬钢,是40HRC精密加工用钢,镜面度可达到8000#以上,韧性和精密蚀纹性好,可用于手机框体、汽车车灯相关部分模具。高周波的KAP88(成分未公开)具有40HRC的高硬度,属于Ni-AI化合物析出形成硬化的高级塑料模具钢,经过研磨和抛光后其镜面度可达到8000#以上,主要用于精密塑料模及结构零件等。瑞典斯堪纳集团的ASPM及ASPM-VIP均为镜面级预硬塑料模具钢,二者成分基本相同,均为0.27%C、0.25%Si、1.50%Mn、1.40%Cr、1.1%Ni、0.55%V,但ASPM-VIP采用了电渣重熔技术,具有比ASPM更高的纯净度。前者适用于透明塑件、家用电器及汽车类高抛光、高蚀刻要求、尺寸稳定的塑料模,后者可用于抛光和蚀刻要求更高的透明件等。一胜百的POLMAX具有优异的抛光性、良好的可加工性、良好的耐蚀性和磨损性能,其出厂硬度为200HB,经过1000~1050℃的奥氏体化后,硬度可高达46~52HRC,主要用于成型透镜和CD的模具零件等。国内的镜面抛光用模具钢根据Ni含量的不同可分为低镍和高镍系列。25CrNi3MoAl是由华中科技大学研发的低镍时效硬化高精密塑料模专用钢,该钢原设计成分中S≤0.03%,但纳入YB/T094-1997标准时,改为含S≤0.1%,以改善其切削性能。06Ni钢和上海材料研究所的10Ni3MnCuAl-Mo(PMS)钢也是国产优秀的低镍时效硬化型镜面塑料模具钢。18Ni(250)、(300)、(350)系列是比较常见的高镍马氏体时效钢,根据Ti含量的不同,分200、250、300、350和400ksi五个级别,其实质是经过特殊固溶处理之后,产生一种超低碳Fe-Ni板条马氏体基体,在时效处理时会析出弥散相使钢得以强化,但由于镍的含量较高,价格昂贵,实际使用并不多。SDP80是由上海大学研发的时效硬化型高镜面塑料模具钢,通过调整微观组织构成,控制Ni、Al、Cu等合金元素的添加,提高材料的机加工性能和皮纹蚀刻性能,适用于高抛光或皮纹蚀刻要求较高的模具,可替代进口的NAK80。结束语6“十一五”和“十二五”期间,在国家的大力支持下,国内已经涌现出一批技术先进的大型特钢企业,如宝钢特钢、中信泰富、长城特钢、东北特钢等。一方面,这些企业在成分设计、合金化原理以及炼钢技术上取得了长足进步,部分产品已经达到或接近国际先进水平;另一方面,在塑料模具钢的牌号上,通过引进国外优秀钢种和国产化设计,国标中塑料模具钢的种类已较完善。在取得较大进展的同时,国内的塑料模具钢市场也存在一些不足:①高端模具钢与国外同类产品质量相差较远,因为这些钢企没有完全掌握模具失效规律与组织、性能之间定性、定量的关系;②国内不同企业的同类产品质量参差不齐,目前国内的塑料模具钢市场相对混乱,不同钢企没有统一的产品标准,也没有标准化的生产流程。针对以上出现的问题,对国产塑料模具钢今后的发展方向进行简单的预测。在大截面、高均匀塑料模具钢方面,顺应塑料模大规模发展的趋势,其总体需求量继续增加。鉴于调质硬化钢在生产过程中工艺复杂、能耗高、生产周期长等缺点,经过锻造或轧制后空冷直接达到所需硬度的非调质塑料模具钢将会有广阔的发展前景。在易切削塑料模具钢方面,国产钢和国外优秀产品存在较大差距,主要因为冶金质量不稳定,夹杂物的种类、数量及形态控制较差。国外的经验表明,通过连铸工艺生产易切削钢可有效减少偏析的存在,并改善夹杂物的形态及分布。所以,我国应加强对连铸工艺的研究,进一步改善现有易切削钢的质量。在耐蚀塑料模具钢方面,降低生产成本是关键。增加Mn、Cu、C、N等其他元素来降低耐蚀钢中Ni的含量将是重要的研究方向。我国在高氮钢的研究上还处于落后地位,加强对高氮钢的研究将会提升我国耐蚀塑料模具钢的整体竞争力。在镜面抛光用塑料模具钢方面,控制夹杂和开发稳定的抛光技术将是关键。在提升冶金质量的同时,将机械抛光工艺、电化学抛光工艺、超声波抛光工艺与电沉积工艺和喷涂陶瓷工艺等进行有机结合,最终使钢在成分和组织确定的情况下,达到最佳的镜面效果。综上所述,我国应继续加强高端模具钢的发展和研究,结合自身能源、技术等优势,努力向模具强国发展。国内塑料模具钢市场应逐步规范,完善塑料模具钢应用体系,建立统一的检测、生产标准,并逐步形成自己的系列(如美国的P系列),使我国塑料模具钢的生产达到标准化、精细化。
▍原文标题:国内外塑料模具钢研究现状与发展趋势
▍原文作者:韩永强,吴晓春
▍作者单位:上海大学材料科学与工程学院《模具工业》杂志不接受任何代理方式投稿,本杂志唯一官方网站——模聚网,敬请作者访问网站投稿
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