塑料模具材料

1、塑料模具材料隨著塑料產(chǎn)量的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對塑料模具提出了越來越高的要求，促進 了塑料模具的不斷開展。目前塑料模具正朝著高效率、高精度、高壽命方向開展，推動了 塑料模具材料迅速開展。我國目前用于塑料模具的鋼種，可按鋼材特性和使用時的熱處理狀態(tài)分類，見表3-2表3-2 塑料模具用鋼分類類別鋼種類別鋼種滲碳型20920Cr920Mn5l 2CrNi3A,20CrNiMo,DTl5DT290Cr4NiMoV預(yù)硬型3Cr2Mo9Y20CrNi3AlMnMo(SM2)5 5NiSCa9Y55CrNiMnMoV(SM 1), 4Cr5MoSiVS?8Cr2Mn一WMoVS(8CrMn)調(diào)質(zhì)型45,5

2、0,55,40Cr,40Mn,50Mli,S48C,4Cr5MoSiV938CrMoAlA耐蝕型3Crl3?2Crl3?Crl6Ni4Cu3Nb(PCR)1 Crl8Ni953Crl7Mo50Crl7Ni4Cu4N b(74PH)淬硬型T7AJ8AJ10A,5CrNiMo,9SiC r, 9CrWMn,GCr 1593Cr2W8 V5Cr 12 MoV, 45Cr2NiMoVSi,6CrNiSiMnMoV (GD)時效硬 化型18Nil40 級，18Nil70 級，18Ni210級，10Ni3MnCuAl(PMS)5l 8Ni9Co?06Ni 16MoVTiAl925CrNi3MoAl對于我國

3、傳統(tǒng)常用的塑料模具鋼，已有很多書藉資料作過詳細的論述，本節(jié)主要介 紹我國近年研制和從國外引進并已在生產(chǎn)中推廣使用的塑料模具鋼。一、滲碳型塑料模具用鋼滲碳型塑料模具用鋼主要用于冷擠壓成形的塑料模。為了便于冷擠壓成形，這類鋼 在退火態(tài)須有高的塑性和低的變形抗力，因此，對這類鋼要求有低的或超低的含碳量，為了提 高模具的耐磨性，這類鋼在冷擠壓成形后一般都進行滲碳和淬回火處理，外表硬度可達 5862HRCo此類鋼國外有專用鋼種，如瑞典的8416、美國的P2和P4等。國內(nèi)常采用工業(yè)純鐵 (如DT1和DT2)、20、20Cr、12CrNi3A和12Cr2Ni4A鋼，以及國內(nèi)最新研制的冷成形 專用鋼0Cr4N

4、iMoV (LJ)。現(xiàn)介紹兩個典型鋼種。()0Cr4NiMoV (LJ)專岡1.化學(xué)成分：表3-3是LJ鋼的化學(xué)成分。表3-3 LJ鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))()42 45HRC。.力學(xué)性能測得的不同溫度下06鋼的力學(xué)性能見表3-19o表3-19 06鋼室溫和高溫力學(xué)性能試驗溫度/o b/Mpao 0.2/MPa%)沙()a k/(J/cm2)室溫147814229.337.23.410015032001292126211.254.236.83001238119710.553.341.74001153112813.756.551.9由表3-19可見，隨著試驗溫度的增加，雖然鋼的強度有所下降，但塑

5、性和韌性都迅速 增加。在使用溫度狀態(tài)下，鋼的韌性有較大增加。.實際應(yīng)用馬氏體時效鋼06Ni6CrMoVTiAl已分別應(yīng)用在化工、儀表、輕工、電器、航空航天和 國防工業(yè)部門，用以制作磁帶盒、照像機、電傳打字機等零件的塑料模具，均收到很好效 果。該鋼制作的錄音機磁帶盒塑料模具壽命可達200萬次以上，壓制的產(chǎn)品質(zhì)量可與進口 模具壓制的產(chǎn)品相媲美；制作收錄機磁帶盒塑料模具，其平均壽命達110萬次以上。（四）10Ni3CuAlMoS （PMS）鏡面塑料模具鋼光學(xué)塑料鏡片、透明塑料制品以及外觀光潔、光亮、質(zhì)量高的各種熱塑性塑料殼體件 成形模具，國外通常選用外表粗糙度低、光亮度高、變形小、精度高的鏡面塑料模

6、具鋼制 造。鏡面性能優(yōu)異的塑模鋼，除要求具有一定強度、硬度外，還要求冷熱加工性能好，熱 處理變形小。特別是還要求鋼的純潔度高，以防在鏡面出現(xiàn)針孔、桔皮、斑紋及銹蝕等缺 陷。PMS鏡面塑料模具鋼是一種新型的析出硬化型塑料模具鋼，具有良好的冷熱加工性能 和綜合力學(xué)性能，熱處理工藝簡便，變形小，淬透性高，適宜進行外表強化處理，在軟化 狀態(tài)下可進行模具型腔的擠壓成形。.化學(xué)成分及相變點PMS鋼的化學(xué)成分見表3-20,碳質(zhì)量分數(shù)限制在0.2%以下，保證鋼的熱加工性能及 熱處理后的韌性，Ni、Al的加入是為了保證時效硬化后鋼的硬度（40HRC左右）。表3-20 PMS鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（）CSiMn

7、NiCuAlMoP、S.W0.351.4 1.72.8 3.40.8 1.20.7 1.10.2 0.5W0.01相變點 Aci675、Ac3821 An382 Ar3517 Ms270 0.工藝性能（1）鍛造:PMS鋼有良好的鍛造性能,鍛造加熱溫度1120-1160,終鍛溫度2850C,鍛后空冷或砂冷。(2)固熔處理：固溶處理的目的是為了使合金元素在基體內(nèi)充分溶解，使固溶體均 勻化，并到達軟化，便于切削加工。經(jīng)840850加熱3 h固溶處理，空冷后的硬度為28 30HRCo(3)時效處理：鋼的最終使用性能是通過回火時效處理而獲得的，鋼出現(xiàn)硬化峰值 的溫度約為510 10,時效后硬度為4042

8、HRC。(4)變形率：PMS的變形率很小，收縮量0.05%,總變形率徑向為-0.11%0.041%, 軸向為-0.021%0.026%,接近馬氏體時效鋼。.力學(xué)性能PMS鋼經(jīng)840850c加熱保溫空冷固溶處理，再經(jīng)510c及530時效處理后的力學(xué) 性能，見表3-21所示。表3-21 PMS鋼不同溫度時效后的力學(xué)性能鋼種時效溫度/硬度/HRCOb/MPa。JMPa3 5(%)火)a k/(J/cm2)PMS鋼(含S)51042.51303.51169.11649.214.7 17.153041.41292.71194.61552.720.6PMS鋼(低S)51042.71331.91264.51

9、4.747.821.653041.81252.51191.714.655.721.6.實際應(yīng)用PMS鏡面塑料模具鋼適于制造各種光學(xué)塑料鏡片，高鏡面、高透明度的注射模以及外 觀質(zhì)量要求極高的光潔、光亮的各種家用電器塑料模。例如 機殼體模具，生產(chǎn)出的 機塑料殼體制品外觀質(zhì)量到達國外同類產(chǎn)品的先 進水平，模具使用壽命也明顯提高。又如大型雙卡收錄機注射模，生產(chǎn)出的機殼外觀質(zhì)量 高，原用45鋼制造注射模，模具壽命15萬模；而PMS鋼制造的注射模，壽命達40萬模。PMS鋼是含鋁鋼，其滲氮性能好，時效溫度與滲氮溫度相近，因而，可以在滲氮處理 的同時進行時效處理。滲氮后模具外表硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可

10、用于注射玻璃 纖維增強塑料的精密成形模具。PMS鋼還具有良好的焊接性能，對損壞的模具可進行補焊修復(fù)。PMS鋼還適于高精 度型腔的冷擠壓成形。(五)Y20CrNi3AlMnMo (SM2)鋼.化學(xué)成分及相變點Y20CrNi3AlMnMo (SM2)屬時效硬化型塑料模具鋼，其化學(xué)成分見表3-22。表3-22 SM2鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))()CMnSPCrNiMoAlSiCMnSiCrNiMoV0.080.30.23.6 4.20.08 0.15該鋼含碳量很低，因而塑性優(yōu)異、變形抗力低。鋼中主加元素為倍，輔加元素為保、 鋁、鈕等，合金元素的主要作用是提高淬透性和滲碳能力，增加滲碳層的硬度和耐磨性以

11、及心部的強韌性。.工藝性能：LJ鋼具有良好的鍛造性能和熱處理工藝性。鍛造工藝：加熱溫度1230,始鍛溫度1200C,終鍛溫度900。退火工藝：加熱880C,保溫2h,隨爐緩冷至（冷速約40C/h） 650后出爐空冷, 退火硬度100105HBS,可順利地進行冷擠壓成形。固體滲碳工藝：加熱930 X （68） h ,滲后在850870油淬，再進行200220c X2h的低溫回火，熱處理后外表硬度5860HRC,心部硬度為2729HRC,熱處理變形 微小。LJ鋼滲碳速度快，滲層深度比20鋼深一倍。.實際應(yīng)用：LJ鋼冷成形性與工業(yè)純鐵相近，用冷擠壓法成形的模具型腔輪廓清晰、 光潔、精度高。LJ鋼主要

12、用來替代10、20鋼及工業(yè)純鐵等冷擠壓成形的精密塑料模。由 于滲碳淬硬層較深，基體硬度高，不會出現(xiàn)型腔外表塌陷和內(nèi)壁咬傷現(xiàn)象，使用效果良好。（二）12CrNi3A 鋼.化學(xué)成分：12CrNi3A鋼是傳統(tǒng)的中淬透性合金滲碳鋼，其成分見表3-4。該鋼含碳 量較低，加入銀、銘合金元素，以提高鋼的淬透性和滲碳層的強韌性，尤其是銀，在產(chǎn)生 固溶強化的同時，明顯增加鋼的塑韌性。與其它冷成形塑料模具鋼相比，該鋼的冷成形性 屬于中等。表3-412CrNi3A鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（）CSiMnCrNiP、S0.09 0.160.17 0.370.30 0.600.60 0.902.75 3.25W0.025

13、.工藝性能：鍛造加熱溫度為1200C,始鍛溫度1150C,終鍛溫度大于850,鍛后 緩冷，鍛后必須軟化退火。退火工藝：740760加熱，保溫46h后以510 / h的速度緩冷至600C,再 爐冷至室溫，退火后的硬度V160HBS,適于冷擠壓成形。正火工藝：870900加熱并保溫34 h后空冷，正火后硬度W229HBS,切削加工 性良好。12CrNi3A鋼采用氣體滲碳工藝時，加熱溫度為900920保溫67 h ,可獲得0.9 1.0mm的滲碳層，滲碳后預(yù)冷至800850c直接油淬或空冷，淬火后表層硬度可達56 62HRC,心部硬度為250380HBS,變形微小。.實際應(yīng)用：12CrNi3A鋼主要

14、用于冷擠壓成形的形狀復(fù)雜的淺型腔塑料模具。也可 用來制造大、中型切削加工成形的塑料模具，為了改善切削加工性，模坯須經(jīng)正火處理，二、淬硬型塑料模具用鋼（一）常用鋼種及熱處理常用的淬硬型塑料模具鋼有：碳素工具鋼（如T7A、T8A）、低合金冷作模具鋼（如 9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCrl5、7CrSiMnMoV 鋼）、Crl2 型鋼（如 Crl2MoV 鋼）、高 速鋼（如W6Mo5Cr4V2鋼）、基體鋼和某些熱作模具鋼等。這些鋼的最終熱處理一般是淬 火和低溫回火（少數(shù)采用中溫回火或高溫回火），熱處理后的硬度通常在4550HRC以上。（二）實際應(yīng)用碳素工具鋼僅適于制造尺寸不大，受力較小，形

15、狀簡單以及變形要求不高的塑料模； 低合金冷作模具鋼主要用于制造尺寸較大、形狀較復(fù)雜和精度較高的塑料模；CM2型鋼適 于制造要求高耐磨性的大型、復(fù)雜和精密的塑料模；W6Mo5Cr4V2鋼適于制造要求強度高 和耐磨性好的塑料模；熱作模具鋼適合于制造有較高強韌性和一定耐磨性的塑料模。另外，GD鋼也是近年新推廣使用的一種淬硬型塑料模具鋼。由于該鋼強韌性高、淬 透性和耐磨性好，淬火變形小，價格低，用此鋼取代Crl2MoV鋼或基體鋼制造大型、高 耐磨、高精度塑料模，不僅降低了本錢，而且提高了模具的使用壽命。三、預(yù)硬型塑料模具用鋼所謂預(yù)硬鋼就是供應(yīng)時已預(yù)先進行了熱處理，并使之到達模具使用態(tài)硬度。這類鋼的 特

16、點是在硬度3040HRC的狀態(tài)下可以直接進行成形車削、鉆孔、銃削、雕刻、精鋰等 項加工，精加工后可直接交付使用，這就完全防止了熱處理變形的影響，從而保證了模具 的制造精度。我國近年研制的預(yù)硬化型塑料模具鋼，大多數(shù)是以中碳鋼為基礎(chǔ)，加入適量的銘、鋪、 銀、車目、鋼等合金元素制成。為了解決在較高硬度下切削加工難度大的問題，通過向鋼中 加入硫、鈣、鉛、硒等元素，以改善切削加工性能，從而制得易切削預(yù)硬化鋼。有些預(yù)硬 化鋼可以在模具加工成形后進行滲氮處理，在不降低基體使用硬度的前提下使模具的外表 硬度和耐磨性顯著提高。下面介紹幾種典型預(yù)硬化塑料模具鋼。（一）3Cr2Mo （P20）塑料模具鋼3Cr2M。

17、鋼是引進的美國塑料模具鋼常用鋼號，也是GB129985合金工具鋼技術(shù)條 件中正式納標的唯一一種塑料模具鋼。.化學(xué)成分及相變點化學(xué)成分見表3-5所示。表3-5 3Cr2Mo鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（）CSiMnCrMoP、S0.28 0.400.20 0.800.60 1.001.40 2.000.30 0.55 An640 Ar3760 Ms300 Mfl20o.工藝性能（1）鍛造：加熱溫度11001150,始鍛溫度10501100,終鍛溫度、850,鍛 后空冷。（2）退火：加熱溫度850,保溫24h,等溫溫度720,保溫46h,爐冷至500, 出爐空冷。（3）淬火及回火：淬火加熱溫度8608

18、70C,油淬，540580c回火。預(yù)硬態(tài)硬度 為 3035HRC。（4）化學(xué)熱處理：P20鋼具有較好的淬透性及一定的韌性，可以進行滲碳，滲碳淬火后外表硬度可達65HRC,具有較高的熱硬度及耐磨性。.力學(xué)性能850淬火，550回火的P20鋼室溫力學(xué)性能見表3-6所示。表3-6 P20鋼室溫力學(xué)性能硬度HRCab/Mpa0.2/MPa65(%)沙() k/(J/cm2)3012501140145811.5.實際應(yīng)用P20鋼適宜制造電視機、大型收錄機的外殼及洗衣機面板蓋等大型塑料模具，其切削 加工性能及拋光性能均顯著優(yōu)于45鋼，在相同拋光條件下，外表粗糙度比45鋼低13 級。如制造的“飛躍”牌14時

19、黑白電視機外殼塑料模具，已成型24萬模次，模具仍完好 無損。還制造過18 口寸彩色電視機外殼塑料模具，大型收錄機模具，電唱機盤罩模具，以及 洗衣機面板蓋模具等。（二）3Cr2NiMo （P4410）塑料模具鋼.化學(xué)成分及相變點3Cr2NiMo鋼是3Cr2Mo鋼的改進型,是在3Cr2Mo鋼中添加了質(zhì)量分數(shù)為0.8%1.2% 的保，其化學(xué)成分見表3-7所示。國內(nèi)試制的P4410鋼實際成分，與瑞典生產(chǎn)的P20鋼改 進型718鋼一致。表3-7 P4410的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（）CMnSiCrMoNiPS0.28 0.400.20 0.801.40 2.000.30 0.55W0.020W0.015相

20、變點 Aci725、Ac3810 Ms280 o.生產(chǎn)工藝堿性平爐粗煉一真空脫氣、鋼包噴粉精煉一水壓機鍛造一粗加工一超聲波探傷一調(diào)質(zhì) 熱處理一檢驗出廠。經(jīng)此工藝生產(chǎn)出的鋼材到達較高的潔凈度，組織細密，鏡面拋光性能 好，外表粗糙度可達以0.050.025 m。.性能特點經(jīng)860淬火，650回火后，室溫及高溫力學(xué)性能見表3-8所示。表3-8 P4410鋼的力學(xué)性能P4410鋼在硬度值為3236HRC范圍內(nèi)，具有良好的車、銃、磨等加工性能。試驗溫度/Ob/MPaoJMPa八)沙()g k/(J/cm2)HRC室溫1120102016619635200100688213.65640088281114.

21、067P4410鋼也可采用火焰局部加熱淬火，加熱溫度800825C,在空氣中或用壓縮空氣 冷卻，局部外表硬度可達5662HRC,可延長模具使用壽命。也可對模具進行外表鍍銘， 外表硬度可由370420HV提高到1000HV,顯著提高模具的耐磨性和耐蝕性。P4410鋼制造的模具，局部損壞后也可用補焊法修補，焊接質(zhì)量良好，可以進行加工。.應(yīng)用P4410鋼在預(yù)硬態(tài)（3036HRC）使用，防止了熱處理變形，適于制造大型、復(fù)雜、 精密塑料模具。該鋼也可采用滲氮、滲硼等化學(xué)熱處理，處理后可獲得更高外表硬度，適 于制作高精密的塑料模具。（三）8Cr2MnWMoVS （8Cr2S）鋼8Cr2MnWMoVS屬易切

22、削精密塑料成形模具鋼，是為適應(yīng)精密塑料模和薄板無間隙精 密沖裁模之急需而設(shè)計的，其成分設(shè)計采用了高碳多元少量合金化原那么，以硫作為易切削 元素。8Cr2s鋼的化學(xué)成分及性能在第一章第二節(jié)已經(jīng)介紹過，這里就使用方面再進一步 介紹。.鋼的特點（1）熱處理工藝簡便，淬透性好：空冷淬硬直徑0100mm以上，空淬硬度為61.5 62HRC,熱處理變形小。當(dāng)860900淬火，160300c回火時，軸向總變形率0.09%, 徑向總變形率0.15%。（2）切削性能好：退火硬度為207239HBS,切削加工時，可比一般工具鋼縮短加 工工時1/3以上。硬態(tài)4045HRC時，用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具進行車、銃、包！J

23、、鏈、鉆 等加工，相當(dāng)于碳鋼調(diào)質(zhì)態(tài)，硬度為30HRC左右的切削性能，遠優(yōu)于Crl2MoV鋼退火態(tài) 硬度為240HBS時的切削性能。（3）鏡面研磨拋光性好:采用相同的研磨加工，其外表粗糙度比一般合金工具鋼低1 2級，最低外表粗糙度為用0.14m。（4）外表處理性能好：滲氮性能良好，一般滲氮層深達0.20.3mm,滲硼附著力強。.應(yīng)用8Cr2s作為預(yù)硬鋼適宜于制作各種類型的塑料模、膠木模、陶土瓷料模以及印制板的 沖孔模。該鋼種制作的模具配合精密度較其它合金工具鋼高12個數(shù)量級，外表粗造度 低12級，使用壽命普遍高23倍，有的高十幾倍。（四）5CrNiMnMoVSCa （5NiSCa）鋼5NiSCa

24、屬易切削高韌性塑料模具鋼，在預(yù)硬態(tài)（3545HRC）韌性和切削加工性良 好；鏡面拋光性能好，外表粗糙度低，可達凡0.20.1 m,使用過程中外表粗糙度保持 能力強；花紋蝕刻性能好，清晰，逼真；淬透性好，可作型腔復(fù)雜、質(zhì)量要求高的塑料模。 該鋼在高硬度下（50HRC以上），熱處理變形小，韌性好，并具有較好的阻止裂紋擴展的 能力。.化學(xué)成分及相變點5NiSCa鋼采用中碳加保，其主要化學(xué)成分見表3-9。表3-9 5NiSCa鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)）（）加熱時相變點695735C,冷卻時相變點378305, Ms220oCCrNiMnMoVSCa0.570.891.031.190.520.260.02

25、80.0036.工藝性能(1)鍛造：加熱溫度1100C,始鍛溫度10701100C,終鍛溫度850,鍛后砂冷。(2)球化退火：加熱溫度770C,保溫3h,等溫溫度660,保溫7h,爐冷到550 出爐空冷。退火硬度W241HBS,加工性能良好。(3)淬火：淬火溫度880900C,小件取下限，大件取上限，油冷或260硝鹽分 級淬火。.力學(xué)性能5NiSCa鋼經(jīng)880和900淬火后的力學(xué)性能，見表3-10所列。表3-10 5NiSCa鋼不同溫度淬火及回火后的力學(xué)性能淬火/回火/。0.2/Mpabc/MPa八)砂()Q k/(J/cm2)HRC8805751240.71274.01271.18.842.

26、146.145.56251240.71274.01271.18.842.146.1396501008.41045.71011.49.045.356.8369005751364.21430.81442.67.939.642.1476251252.41291.61355.38.341.74941.56501061.31084.91110.310.547.066.637.生產(chǎn)應(yīng)用5NiSCa鋼可用作型腔復(fù)雜、型腔質(zhì)量要求高的注射模、壓縮模、橡膠模，印制板沖孔 模等效果顯著。(五)丫55CrNiMnMoV (SM1)SM1屬易切削調(diào)質(zhì)型預(yù)硬化塑料模具鋼，預(yù)硬態(tài)交貨，預(yù)硬硬度為3540HRC。易 切削效

27、果明顯、性能穩(wěn)定、綜合性能明顯優(yōu)于45鋼，還具有耐蝕性較好和可滲氮等優(yōu)點。.化學(xué)成分及相變點丫55CrNiMnMoV鋼的化學(xué)成分，見表3-11。表3-11 SM1鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù))()CMnSPCrNiMoVSi0.500.600.0800.1500.0300.200.50 Ac3772 Ms290o.工藝性能(1)鍛造：鍛造性能良好，鍛造無特殊要求。(2)軟化處理：800加熱、保溫3h, 680c等溫加熱5h,硬度W235HBS。(3)淬火、回火：800860c加熱油淬，600650回火。.力學(xué)性能經(jīng)上述處理后，SM1的力學(xué)性能見表3-12所示。表3-12 SM1鋼的力學(xué)性能oJMPa。

28、0.2/Mpa6 5(%)沙()a k/(J/cm2)硬度HRC117698015454435.實際應(yīng)用Y55CrNiMnMoV鋼生產(chǎn)工藝簡便易行，性能優(yōu)越穩(wěn)定，使用壽命長。經(jīng)電子、儀表、 家電、玩具、日用五金等行業(yè)推廣應(yīng)用，效果顯著。四、時效硬化型塑料模具鋼此類鋼的共同特點是含碳量低、合金度較高，經(jīng)高溫淬火（固溶處理）后，鋼處于軟 化狀態(tài)，組織為單一的過飽和固溶體。但是將此固溶體進行時效處理，即加熱到某一較低 溫度并保溫一段時間后，固溶體中就會析出細小彌散的金屬化合物，從而造成鋼的強化和 硬化。并且，這一強化過程引起的尺寸、形狀變化極小。因此，采用此類鋼制造塑料模具 時，可在固溶處理后進行模具的機械成形加工，然后通過時效處理，使模具獲得使用狀態(tài) 的強度和硬度，這就有效地保證了模具最終尺寸和形狀的精度。止匕外，此類鋼往往采用真空冶煉或電渣重熔，鋼的純潔度高，所以鏡面拋光性能和光 蝕性能良好。這一類鋼還可以通過鍍鋁、滲氮、離子束增強沉積等外表處理方法來提高耐 磨性和耐蝕性。下面介紹幾種時效硬化型塑料模具用鋼。（一）25CrNi3MoAl 專岡