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常用塑料模具钢的发展现状及应用X倪亚辉,丁义超成都电子机械高等专科学校国家实训基地,四川成都610031摘要简要介绍了我国模具工业和模具钢的发展概况;介绍了常用塑料模具钢的种类和适用范围,并对一些新型塑料模具材料的牌号、成分、热处理工艺、性能和应用作了简介。关键词塑料模具;模具钢;常用钢种中图分类号TB31文献标识码A文章编号10055770200809000504DEVELOPMENTANDAPPLICATIONOFCOMMONUSEDSTEELSFORPLASTICMOULDNIYA2HUI,DINGYI2CHAONATIONALTRAININGBASE,CHENGDUELECTROMECHANICALCOLLEGE,CHENGDU610031,CHINAABSTRACTTHESURVEYOFTHEDEVELOPMENTOFTHEMOLDINDUSTRYANDMOLDSTEELINOURCOUNTRYISINTRODUCEDBRIEFLY,THEVARIETYOFCOMMONUSEDPLASTICMOLDSTEELANDITSAPPLICATIONAREDESCRIBEDTHETRADEMARK,INGREDI2ENT,HEATTREATMENTTECHNOLOGY,PERFORMANCEANDAPPLICATIONOFSOMENOVELPLASTICMOULDMATERIALSAREALSOINTRO2DUCEDKEYWORDSPLASTICMOLD;MOULDSTEELS;COMMONUSEDSTEELS随着近半个世纪以来石油化工工艺的迅猛发展,塑料产量迅速增加。塑料已经和钢铁、木材、水泥一起构成现代社会的四大基础材料。大量塑料制品在生产过程中需要采用模具压制成型,在很大程度上促进了模具工业的发展。模具材料是影响模具质量、性能和使用寿命的关键因素,也是模具工业发展中十分重要的一环。目前,塑料模具材料仍以模具钢为主,模具钢的发展推动了工业产品向高级化、多样化、个性化、高附加值的方向发展。世界各国都把模具钢产量统计到合金工具钢中,其产量约占合金工具钢的70~801。各工业发达国家合金钢产量约占国产量的011。我国模具钢已基本形成较完整的钢种体系,并有相应的国家标准GB/T129920002。1塑料模具钢特点塑料制品成型模具按塑料品种不同,可分为热固性塑料压模胶木模和热塑性塑料注射模。由于两者成型工艺的差异各自相应的塑料模具钢也有所不同前者模具使用过程中受力较大,磨损严重,易受侵蚀,在相应选材中主要考虑材料的耐磨性、强韧性和一定的光整性;而后者注射过程会析出含氯、氟等腐蚀气体,侵蚀模具型腔表面,同时还会受到一定热压、磨损,选材就主要考虑材料耐蚀性和光整性方面34。一般说来塑料模具钢应具有下列特点1具有一定的综合力学性能模具钢材料纯洁,组织均匀致密,无网状带状碳化物、孔洞疏松及白点等缺陷。热处理后具有良好的耐磨性、足够的强韧度和高的硬度。2具有优良的可加工性材料切削加工容易、热处理变形小、尺寸稳定性好、淬透性高和良好的等向性,一些模具还要求有一定的可焊接性。3具有良好的热导性和低的热膨胀系数,硬化状态下具有良好的镜面抛光性成型表面粗糙度RA≤01100ΜM和花纹图案刻蚀性。4具有较高的耐氯氟腐蚀性和一定耐热性。2塑料模具钢种类及应用58塑料模具钢一般可分为时效硬化型塑料模具钢含镜面模具钢、耐蚀型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢、预硬型塑料模具钢含易切削钢、调质型塑料模具钢和淬硬型塑料模具钢六个大类。目前应用较多的是时效硬化型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢和预硬型塑料模具钢。211时效硬化型塑料模具钢一般含碳量较低,合金度较高,生产中多采用真空冶炼和电渣重熔工艺。时效硬化型塑料模具钢经固5第36卷第9期2008年9月塑料工业CHINAPLASTICSINDUSTRYX作者简介倪亚辉,女,44岁,副教授,研究方向为机械结构与设计、模具设计。CHENGDUDYC1631COM19942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP//WWWCNKINET表1无钴低镍时效硬化钢TAB1LOWNICKELEFFECTIVENESSHARDENEDSTEELCNICRMOVTIALMNSI06NI≤01065150~61501130~11600190~11200108~01160190~11300150~0190≤0150≤015025CRNI3MOAL0120~0130310~4101120~11800120~01401100~11600150~01800120~0150溶处理后变软一般为28~35HRC,可以进行切削加工,模具制造成型后进行时效处理,可获得很高的综合力学性能,且时效处理的变形小一般仅有0101~0103。时效硬化型塑料模具钢具有很好的焊接性能,可进行表面氮化处理等,主要应用于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具和透明塑料制品模具等。时效硬化型塑料模具钢主要包括马讼体时效钢和无钴低镍时效硬化钢两类。1马氏体时效钢典型钢号为18NI马氏体时效钢,属于高镍钢。18NI马氏体时效钢有18NI140、18NI170、18NI210、18NI250、18NI300、18NI350、18NI9CO等钢种。由于马氏体时效钢含有大量的钴和镍,价格昂贵,应用范围大大受限。目前主要应用在高耐磨、高精度、超镜面、型腔复杂的塑料模具。2无钴低镍时效硬化钢典型钢号有国产PMS10NI3MNCUALMO、06NI06NI6CRMOVTIAL和25CRNI3MOAL等,其主要合金元素含量见表1。国外主要有美国的P2120CRNI4ALV和日本的HPM1、N5M、N3M、NAK5515NI3MNMOALCUS等钢种。这类钢由于无钴和较低的镍含量,在我国应用范围较广。无钴低镍时效硬化钢的热处理工艺一般包括固熔处理、二次固熔处理高温回火和时效处理三个步骤。212渗碳型塑料模具钢渗碳型塑料模具钢的碳含量一般在011~0125范围内,退火后硬度低、塑性好,具有良好的切削加工性能。成型后可进行渗碳、淬火、回火模具心部韧性好、表面硬度高、耐磨性能好。常用钢号国产有10、20、20CR、20CRNIMO、20CRMOTI、12CR2NI2、12CRNI3A等;美国P2~P6系列;日本CH1、CH2、CH41;原西德21MNCR5、X19NICRMO4、X6CRMO4、WE5、CNS2H等钢种。10、20渗碳钢价格便宜,渗碳后表面具有高硬度和耐磨性,但其淬透性差,心部强度低,适宜做承受小载荷,要求不高的塑料模具。20CR钢淬透性高,淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能。20CR渗碳处理后再进行淬火和低温回火,能达到具有很好的心部韧性和表面的高硬高耐磨性,适宜用于中小型塑料模具。12CRNI3A是另一典型渗碳钢,该钢退火后硬度低、塑性好,可进行切削加工也可冷挤压成型塑料模具。模具成型后进行渗碳处理,再进行淬火和低温回火,适宜用于制造大中型塑料。213预硬型塑料模具钢预硬型塑料模具钢属于低中碳钢,含碳量一般在013~015范围内,添加有CR、MO、MN、NI、V等合金元素。预硬型塑料模具钢在供货状态下已经进行过调质处理,达到模具所要求的硬度和使用性能。加工成模具后不再需要淬火、回火处理,避免了热处理带来的变形、开裂、脱碳等缺陷。常用钢号有P203CR2MO、H134CR5MOSIV1、7183CR2MNNIMO、KTV、40CR、42CRMO、5CRNIMO、5CRMNMO、4CR5MOSIV等。P20是国际广泛使用的预硬型塑料模具钢,最早由美国提出,其综合力学性能好、淬透性高,钢材可在较大截面上获得均匀硬度,并具有良好的镜面加工性能。P20预硬化后硬度为28~35HRC,可经冷加工成型模具,适合于制造大中型精密的长寿命塑料模具。基于P20的改良型钢种有很多,瑞典718钢在P20基础上添加1NI,增加了淬透性;德国蒂森克虏伯公司的GS738和专利钢材P20M比P20具有更高的光整性;添加元素B、S、CA后的P20BSCA具有优良的切削性能。40CR是机械制造业使用最广泛的钢种之一,调质处理后具有良好的综合力学性能、低温冲击韧性和低的缺口敏感性。40CR能进行渗氮和高频淬火处理,切削加工性能良好,适用于制作中型塑料模具。国产8CR2S8CR2MNWMOVS和5NISCA5CRNIMN2MOVSCA在预硬型塑料模具钢中加入S、CA等元素,具有优良的切削加工性能。5NISCA与P20BSCA性能相近,适用制造各种尺寸的注塑模。214耐蚀型塑料模具钢耐蚀型塑料模具钢具有中、高的碳含量和高的铬含量,属于档次较高的塑料模具钢材。耐蚀型塑料模具钢对氯氟等气体有很好的抗腐蚀能力,同时有较好的强硬度和耐磨性,我国常用的钢种有2CR13、3CR13、4CR13420和9CR18、9CR18MO、1CR17NI2、6塑料工业2008年19942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP//WWWCNKINET表2新型塑料模具钢主要成分1TAB2PRINCIPALCONSTITUENTOFNOVELPLASTICMOLDSTEEL钢种LJSM1SM2PMSPCRT23152C≤01080155~017≤0130105~012≤01070165~0175MN0120~0130110~115≤115015~211415~1615NI0130~0170112~210≤5210~43~5CR3160~4120110~115≤1152100~2150SI≤41200141018MO0120~0160≤110≤1012~0180150~0180W017~1110150~0180AL≤2015~115≤013P、S2130~3130V0108~0115≤110≤013P215~315CU1150~2100其他≤012≤012S018~115CU012~014NB注1若无特别说明P、S≤0103。3CR17及1724PH钢0CR17NI4CU4等。国外有德国蒂森克虏伯公司GS2083系列和瑞典的168S钢种等。4CR13420属于典型的中碳高铬马氏体型耐蚀钢,4CR13机械加工性能较好,热处理淬火及回火后具有较高的强度和耐磨性、抛光性能和优良的耐腐蚀性能,但其可焊性能较差。适用于制造承受高负荷、高耐磨及在腐蚀介质作用下的塑料模具、透明塑料制品模具。9CR18MO属于高碳高铬马氏体耐蚀钢,是在9CR18钢的基础上添加MO发展起来的,具有高的硬度、高耐磨性、抗回火稳定性和耐蚀性。9CR18MO高温尺寸稳定性较好,但热加工时需采用较高的变形比以改善不均匀的共晶碳化物偏析而对模具使用寿命的影响。适用于腐蚀环境下高负荷、高耐磨的塑料模具。1CR17NI2属于低碳铬镍马氏体型耐酸不锈钢,具有较高的强硬度,对氧化性的酸以及有机酸容易具有良好的耐腐蚀性能,但其焊接性能不好,易产生裂纹。1CR17NI2适宜制造腐蚀介质作用下的塑料模具和透明塑料模具。215调质型塑料模具钢调质型塑料模具钢碳含量一般在014~016,属于中碳钢。调质处理后模具钢具有较好的综合力学性能,适用于大多数对使用寿命、精度要求不高的中小型模具。调质型塑料模具钢碳包括碳素型调质钢和合金型调质钢,主要有下列一些钢种45、50、55、40CR、40MN、50MN、S48C、4CR5MOSIV、38CRMOALA、3CR2MO、42CRMO等。216淬硬型塑料模具钢淬硬型塑料模具用钢属于高碳含量的钢种,热处理淬火、回火后硬度通常高于45~50HRC,适用于受力大、易磨损,并受到周期性脱模冲击和碰撞的热固性塑料成形模。常用的淬硬型塑料模具钢有碳素工具钢T7~T12,低合金冷作模具钢9MN2V、CRWMN、9CRWMN、9SICR、7CRSIMNMOV,CR12型钢CR12、CR12MO1V1、CR12MOV,热作模具钢5CRNIMO、5CRMNMO、4CR5MOSIV、4CR5MOSIV1,高速钢W6MO5CR4V2和基体钢。碳素工具钢仅适用于制造耐磨性较高,但尺寸不大,受力较小,形状简单以及变形要求不高的塑料模。一般用于制造要求表面耐磨而心部有一定韧性的凹模是十分有利的。低合金冷作模具钢主要用于制造尺寸较大、形状较复杂和精度较高、生产批量大及耐磨性好的塑料模。CR12型钢适用于制造要求高耐磨性含有固态粉末或玻璃纤维的大型、复杂和高寿命的精密塑料模。热作模具钢适于制造有较高强韧性、使用温度较高和一定耐磨性的塑料模。对于大型、精密、形状复杂的型腔及嵌件,要求热处理后即有优良耐磨性的模具可考虑选用基体钢。3塑料模具钢的新发展911塑料模具钢新的发展主要表现在模具钢品种规格多样化和产品的精料化、制品化,模具钢质量和性能高级化。国内外先后成功研制出一批使用性能较好的钢种,使得塑料模具在材料上有了很大的选用空间,对塑料制品的生产起了极大地推动作用。一些典型钢种成分如下表2所示。LJ钢0CR4NIMOV属渗碳型塑料模具钢,具有优异的冷挤压成型性能。经渗碳淬火和低温回火后,表面可得到回火马氏体及少量残余奥氏体的基体组织并均匀分布着粒状碳化物,心部是粒状贝氏体组织。表面硬度可达到62HRC,具有高硬度高和耐磨性;心部硬度达到28HRC,具有很高的强韧性。LJ钢适宜用冷挤压成型方法生产复杂型腔的塑料模具。SM1钢Y55CRNIMNMOV是上海钢铁研究所按照调质加易切削元素硫研制开发的一种易切预硬型塑料模具钢。该钢经800~850℃油淬,600~650℃回火预硬化处理后,硬度为HRC35~45。具有满意的切削性能和良好的抛光性,表面粗糙度可达RA0110以上,在预硬状态下可顺利地进行刨、车、铣、钻、镗、钳等切削加工。模具面光洁,用户一般不再热处7第36卷第9期倪亚辉等常用塑料模具钢的发展现状及应用19942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP//WWWCNKINET理便可直接使用,保证了模具尺寸的绝对精度。该钢具有一定耐蚀能力,足够的强度和韧性使用寿命是45钢的4~5倍,高达120万模次。SM1钢是热塑性塑料成型模专用材料,兼作热固性塑料模、线路板中模、塑料包封模等材料。SM2钢Y20CRNI3ALMNMO属含硫时效硬化易切削预硬钢。经870~930℃固熔处理后,硬度HRC≥40;再经680~700℃的软化处理,硬度为HRC28,可进行各种机械加工。最后经过500℃时效处理后,可析出弥散的金属化合物NI3AL,使硬度上升到HRC40左右。SM2钢不论在软化态或是时效态其切削性都与退火态或调质态的碳结构钢相似,有着良好的抛光性,表面粗糙度为RA0110以上,相当于日本的HPM1钢水平。SM2钢主要用于制造高精度模具。PMS钢10NI3MNCUAL是一种NICUAL析出硬化型高级镜面模具钢。PMS具有良好的冷热加工性能和综合力学性能,热处理工艺简便,变形小,淬透性高,适宜进行表面强化处理,在软化状态下可进行模具型腔的挤压成型。锻造空冷后不需退火,即可进行机械加工。固熔淬火后,硬度在30HRC左右,便于机械加工。时效处理后可获得40~45HRC的较高硬度,抛光处理表面可以达到镜面光亮度,具有洁净抗蚀能力,图案蚀刻性特别好。PMS钢是制造高镜面、高精度、蚀刻性能优良的热塑性塑料模具用钢,也可用于部分增强工程塑料模具。适用于使用温度在400℃以下,硬度为HRC30~45的各种透明塑料制品、光学镜片、外观要求高度光亮、表面有花纹图案的各种热塑性精密塑料模具。如光学透镜、汽车灯具、磁带盒、仪表面板及电话机、收录机、微型电视机等家用电器塑料制品的成型模具。PCR钢0CR16NI4CU3NB钢属马氏体沉淀硬化不锈钢,在1050℃固熔空冷后得到单一的板条马氏体,硬度为32~35HRC,可以进行切削加工,经460~480℃时效后,硬度为42~44HRC,有较好的综合力学性能和抗蚀性能,在含氟、氯等离子的腐蚀性介质中耐蚀性明显优于不锈钢,其耐蚀性比1724PH钢0CR17NI4CU4提高3倍左右。适用于制造含氯、氟或加入阻燃剂的热塑性塑料的注射模具。7MN15CR2AL3V2WMO钢ISC代号为T23152属高MN2V系无磁塑料钢。该钢在各种状态下都能保持稳定的奥氏体,具有低的导磁率,高的硬度、强度和较好的耐磨性。但高锰钢特有的冷作硬化效应较强烈,切削加工比较困难,通过高温退火处理,可以改变钢中碳化物的颗粒尺寸、形状和分布,从而改善钢材的切削加工性能。T23152适宜制造生产磁性塑料制品和其它磁性材料制品用的压制成型模具、无磁轴承及其它要求在强磁场中不产生磁感应的结构件。4结论1模具设计时材料的选用很关键。对于生产小批量制品的模具可以选用一般的材料,以降低模具成本;但对于强度差、容易损坏的模具,模具材料还是要选用较好的材料,虽然模具加工时成本增加了,但模具的寿命提高了,相对而言总的成本是降低的。2塑料制品尺寸日趋多样化、形状复杂化和表面装饰美观化,致使塑料模具正朝着多样化、复杂化、精密化和多腔化方向发展。新型塑料模具专用钢具有良好的力学性能、机械加工性能及镜面抛光性能等,在提高模具设计、加工水平的同时,应注意加强采用新型塑料模具钢。3国内研制的一些新型塑料模具材料的性能和寿命已达到或接近国外先进水平,极大地促进了我国模具钢钢种系列的完善,但这些新钢的推广数量和应用范围还不够大,因此急需大力推广高纯净度、高精度、高均匀性、质量稳定的新型塑料模具材料。参考文献1崔中国模具钢现状及发展Ⅰ~ⅡJ机械工程材料,2001,251~2152陈再枝,马党参塑料模具钢应用手册M北京化学工艺出版社,20053宋鸣,倪亚辉塑料模具钢的性能和选用J塑料工业,2004,321037404崔国内外模具用钢发展概况J金属热处理,2007,3211115申开智,叶淑静塑料成型模具M北京中国轻工业出版社,19986薄鑫涛,陈汉辉,邢励大型P20系列塑料模具钢模块预硬化工艺探讨J武钢科技,2001235417吴晓春易切削非调质塑料模具钢的研究D武汉华工中理工大学,19958赵建生,乔学亮预硬型塑料模具钢P20BSCA的切削性能J机械工程材料,1996,20136389赵建生,乔学亮塑模钢P20BSCA合金化特点及热处理工艺的研究J热加工工艺,19951485010孙培祯,乔学亮微量无素钙在预硬型塑料模具钢中的行为及作用J华中科技大学学报自然科学版,1992S1212611赵昌盛国外模具材料的应用及发展J模具制造,200486567本文于20080603收到8塑料工业2008年19942009CHINAACADEMICJOURNALELECTRONICPUBLISHINGHOUSEALLRIGHTSRESERVEDHTTP//WWWCNKINET
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