一

开发背景

图1 Q2311Ni模具钢的抛光效果图

近年来，国内塑料模具钢市场规模持续扩张，年消费量达一百多万吨，年均增速约10%，其中1.2311(P20、3Cr2Mo)和1.2738（718）是全球应用最广泛的传统塑料模具钢，含0.15%以上钼，组织为回火马氏体，预硬态硬度达HRC28以上。

现有塑料模具钢产品存在三大技术痛点：首先，它们含有至少0.15%Mo，合金成本高；其次，在热加工后需600℃左右高温长时间回火，工序成本高，生产效率低，碳排放也高；最后，由于碳含量0.35%以上，碳偏析较为严重，导致钢板组织和硬度不均，影响切削性能和抛光性能。

青拓集团基于红土镍矿资源优势，通过无钼贝氏体合金设计和工艺流程创新，全球首发了低碳含镍贝氏体塑料模具钢Q2311Ni，相比传统塑料模具钢具备更优异的硬度和组织分布均匀性、力学性能、切削性能和抛光性能。

二

技术创新点

为解决传统塑料模具钢合金成本高，工序成本高、合金偏析严重、组织和硬度分布均匀性较差、切削性能和抛光性能不足等行业痛点，青拓集团利用红土镍矿开展了合金成分创新，并结合轧后控冷工艺创新，获得了均匀的贝氏体组织和硬度分布，优异的切削性能和抛光性能。

（1）基于红土镍矿原料的低碳含镍无钼贝氏体

青拓集团全球首创了基于红土镍矿的塑料模具钢成分体系，其具有低碳、无钼等特点，其中的铬镍锰合金元素组合可以替代钼调控贝氏体相变，相关合金成分标准对比如表1所示，其中1.2311和1.2738为典型值。该合金体系Q2311Ni在热轧后控冷条件下，无需离线高温回火，钢板全截面可获得均匀的贝氏体组织和预硬态（HRC30-35）性能。

表1 Q2311Ni和传统塑料模具钢成分及硬度对比（wt%）

（2）基于合金成分偏析控制的连铸工艺

为了解决连铸坯合金成分偏析导致厚度截面组织和硬度不均的问题，通过优化连铸拉速和过热度等工艺参数，提炼了合金成分偏析当量指数（3.5×? + 4.5×? + (2×?n)/6 + (1.3×?r)/5 + ?i/15）。通过工艺和合金成分偏析指数的成分优化设计，显著降低了铸坯截面的合金成分偏析，为组织和硬度分布的均匀性创造了有利条件。

（3）基于贝氏体相变的控冷工艺

轧后冷却工艺是决定塑料模具钢性能和冶金质量的关键一环。基于相变动力学计算模拟，开发了轧后控冷工艺，获得全板厚均匀的贝氏体组织和硬度分布。Q2311Ni和1.2311模具钢的组织如图2所示，可以看出Q2311Ni为均匀的粒状贝氏体，1.2311为板条状马氏体组织。与传统的轧后热处理工艺流程相比（图3），Q2311Ni无需经过长达20h的600℃左右的高温回火热处理，提高了生产效率，降低了工序成本，吨钢碳排放降低0.24吨CO2，节能减排效果显著。

图2 塑料模具钢组织（EBSD）对比

(a) Q2311Ni; (b) 1.2311

图3 Q2311Ni控冷工艺与传统模具钢的轧后处理工艺对比

三

产品性能

基于红土镍矿的合金设计、减少偏析的连铸工艺和免高温回火的控冷工艺，Q2311Ni塑料模具钢获得了优异的性能，具体表现如下。

1、硬度分布

通过合金成分–控冷工艺-相变组织的三位一体硬度控制模型，15~120mm厚Q2311Ni钢板截面硬度水平HRC32-34之间，最大硬度差≤2HRC，硬度分布均匀。以32mm厚钢板为例，Q2311Ni和对比钢的整个截面硬度分布如图4所示。显然，Q2311Ni的截面最大硬度差值仅1.3HRC，其分布均匀性显著优于1.2311（最大硬度差值为2.2HRC）和1.2738（最大硬度差值2.5HRC）。实际上，钢板越厚，1.2311和1.2738钢板的截面硬度差越大，分布均匀性更差，而Q2311Ni依然保持均匀的硬度分布。

图4 32mm厚Q2311Ni和传统塑料模具钢截面硬度分布对比

2、使用性能

Q2311Ni塑料模具钢相比1.2311和1.2738具有更高的塑韧性、切削加工效率、抛光性能和力学性能，如图5所示，Q2311Ni的抗拉强度达到1154MPa，相比1.2311提高约15%，可承受更大载荷；伸长率提高30%；冲击吸收能达到18.8J，提升57%以上，切削加工效率提升15%，抛光后粗糙度Ra=0.019μm，降低56%，表面抛光效果如图1所示。

图5 Q2311Ni与传统模具钢使用性能对比

四

结语

青拓集团以红土镍矿为原料，利用其中的镍铬锰等合金元素促进贝氏体相变的作用，在降低碳含量、不添加昂贵金属钼的基础上，结合轧后控冷工艺成功开发了低碳含镍贝氏体塑料模具钢Q2311Ni，实现了塑料模具钢的高性能、低成本和低碳排放，授权了一项产品发明专利“一种基于红土镍矿的贝氏体塑料模具钢及其制造方法”（CN202511409065.6），助推塑料模具钢行业高质量发展。