第四章 塑料模具用钢及热处理.ppt

马红萍,模具材料与失效分析,专业课,第四章塑料模具用钢及热处理,重点1.了塑料模具材料的服役条件、失效特点和性能要求2.合理地选择塑料模具材料及热处理工艺,第一节塑料模具材料及性能要求,一、塑料模具材料塑料制品成型模按塑料品种不同，可以分为两大类：1)热固性塑料压模（胶木模）用于酚醛树脂、三聚氰胺树脂等各种胶木粉（又称电木粉）的压制成型。2)热塑性塑料注射模用于尼龙、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等各种热塑性塑料的注射成型。,塑料模具分类,近40年来，随着石油化工工业的发展，塑料已成为重要的工业原材料；因此，塑料制品成形用的模具需要量迅速增长，不少工业发达国家塑料模具的产值已经超过冷作模具的产值，在模具制造业中居首位。由于不同类型的塑料制品对模具钢的性能要求有差异，因此在不少国家已经形成包括范围很广的专用塑料模具用钢系列，包括碳素结构钢，渗碳型塑料模具钢，预硬型塑料模具钢，时效硬化型、耐蚀型、易切削型、马氏体时效型塑料模具钢以及适应低表面粗糙塑料制品模具用的镜面抛光型塑料模具用钢。,常用塑料模具材料,二、性能要求,塑料模具材料应具有的性能包括使用性能和工艺性能两方面。（1）塑料模具材料的使用性能要求1.硬度、耐磨性和耐蚀性2.强度、韧性和疲劳强度3.耐热性4.尺寸稳定性5.导热性（2）塑料模具材料的工艺性能要求1.切削加工性和表面抛光性2.塑性加工性3.电加工性4.热处理工艺性5.表面处理工艺性6.表面刻蚀性能和镜面加工性能7.焊接性能,第二节碳素结构钢,SM45钢属优质碳素塑料模具钢，与优质的45碳素结构钢相比，其钢中的硫、磷含量低，钢材的纯净度好。由于该钢淬透性差，制造较大尺寸的塑料模具，一般用热轧、热锻或正火状态，模具的硬度低，耐磨性较差。制造小型塑料模具，用调质处理可获较高的硬度和较好的强韧性。钢中碳含量较高，水淬容易出现裂纹，一般采用油淬。该钢优点是价格便宜，切削加工性能好，淬火后具有较高的硬度，调质处理后具有良好的强韧性和一定的耐磨性，被广泛用于制造中、小型的中、低档次的塑料模具1,2。,SM45,化学成分热加工：加热温度/11501220；开锻温度/11001160；终锻温度/850；坑冷或堆冷预备热处理：退火调质：840加热淬盐水，500回火空冷,第三节渗碳型塑料模具,渗碳型橡塑模具钢的塑性好，主要用于冷挤压成形的橡塑模具。常用渗碳型橡塑模具钢有20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、0Cr4NiMoV(U)钢等。,12CrNi3钢,锻造锻造性能良好，锻造加热温度为1200，始锻温度1150，终锻温度大于850，锻后缓冷。,12CrNi3钢,热处理锻后必须进行软化退火。退火工艺为：加热到740760，保温4-6h后缓冷至600，再炉冷至室温。退火后的硬度850，锻坯空冷后不经退火处理，就可直接进行机加工。,镜面塑料摸具钢PMS,热处理工艺性淬火加热温度为840-860，采用空冷，淬火温度对PMS钢的性能影响不大。在500回火时效，可获得良好的综合力学性能。600软化处理后再时效，钢的强度和硬度仍可接近于直接回火时效的性能，这有利于模具的修复和再处理。热处理变形率0.05，变形呈收缩规律。PMS钢由于含有合金元素铝，因此是一种渗氮性能良好的渗氮钢，经渗氮处理后，可扩大用于制造增强工程塑料制品成形用模具材料。,镜面塑料摸具钢PMS,切削加工性PMS钢的切削加工性能相当于碳含量为0.40.6的碳素结构钢，易于切削，减少了刀具刃磨时间和刀具费用。,镜面塑料摸具钢PMS,镜面加工性PMS钢具有优异的镜面加工性，磨纹致密，粗抛时间较45钢可缩短50以上，且镜面洁净抗锈蚀，无针孔斑块缺陷。为开发高镜面产品、光学透镜、日用产品、磁带等塑料产品创造了条件。,06Ni,06Ni6CrMoVTiAl钢属低合金马氏体时效钢。该钢种的突出特点是固溶处理（即淬火）后变软，可进行冷加工，加工成型后再进行时效硬化处理，从而减少模具的热处理变形。该钢种的优点是热处理变形小，固溶硬度低，切削加工性能好，光洁度高；时效后硬度为HRC4348，综合力学性能好，热处理工艺简便等，适宜制造高精度塑料模具和轻有色金属压铸模具等。,06Ni,06Ni钢具有非常好的表面处理性能，根据模具生产塑料件品种的不同，可分别进行渗氮、镀铬处理、沉积TiN、离子注入N、非晶态NiP合金镀层处理等，以提高表层的耐蚀、耐磨性。,第九节塑料模具材料的选用,在塑料零件成形模具中，被压制的塑料种类、生产的批量、工件的复杂程度、尺寸精度和表面粗糙度等质量要求是决定塑料模具用钢选择的主要因素。塑料大致分为热固性塑料和热塑性塑料两大类，每类又分为不同的品种。由于压制塑料的品种不同，以及对塑料制品的尺寸、形状、精度、表面粗糙度等的不同要求，对塑料模具用钢的耐磨性、抗腐蚀性、耐热性、耐压性、磁学性能、微变形和镜面抛光性能等有不同的要求。,第九节塑料模具材料的选用,1.模具材料选择的基本要求（1）综合性能优良模具材料应具有一定的硬度和耐磨性，使模具在特定的工作条件下能够保持其形状和尺寸的稳定;应具有足够的强度和韧性，既能承受一定的高压又能承受一定冲击载荷的作用;应具有一定的抗热性能，包括一定的热强性和热硬性、热稳定性、热疲劳抗力和抗粘着性等，以承受模具工作时因强烈的摩擦而产生的局部高温。（2）工艺性能良好所选用的模具材料应具有良好的冷、热加工性能及热处理工艺性能，制造简单，加工方便，能够保证供应且经济性合理等。,第九节塑料模具材料的选用,2.模具材料选择时应考虑的因素（1）模具的工作条件包括承载力的大小、速度（冲击状况）、工作温度及腐蚀情况等。（2）模具的失效形式塑性变形失效、磨损失效及断裂失效。（3）模具所加工的产品批量的大小、质量的高低、材质的好坏（4）模具的结构模具的大小、形状、模具工件的工作性质等。模具的工作工件所用的材料应该比其他工件所用的材料好。（5）模具的制造工艺（6）现有的设备及技术水平,通用型塑料模具用钢,通用型塑料模具用钢用于生产通用型塑料（如聚乙烯、聚丙烯）工件的模具。当生产批量较小，尺寸精度和表面粗糙度无特殊要求而且模具截面不大时，可以采用碳素结构钢SM50、SM55钢或低碳钢10、20钢制造，前者采用调质或正火处理，后者采用渗碳加淬回火处理。低碳钢由于变形抗力低、塑性好，主要使用于采用冷挤压成形的方法压制模具型腔制造模具。,通用型塑料模具用钢,当生产批量较大、模具尺寸较大或形状复杂、精度要求高的工件，则采用淬透性较高的合金模具钢，如3Cr2Mo（P20）、3Cr2NiMnMo、4Cr5MoSiV1、5CrNiMnMoVSCa、8Cr2MnSiWMoVS：合金渗碳钢，如20Cr、20Cr2Ni4、12CrNi3A、20CrMnMo等制造。前者采用淬火、高温回火处理；后者采用渗碳加淬回火处理。但采用冷挤压方法压制模具型腔的生产工艺制造模具时，则采用合金渗碳钢。,耐磨塑料模具用钢,为了生产强化工程塑料制品（如加入纤维强化的热塑性工程塑料制品）用的或热固性塑料挤压成形用的模具，采用耐磨性好的模具钢。当生产量较大时选用4Cr5MoSiV1，Cr12MoV，Cr12Mo1V1等钢种制造，经淬火回火后使用。为了提高耐磨性，可进行表面处理。,渗碳型塑料模具用钢,渗碳型塑料模具用钢主要用于冷挤压成型的塑料模具。为了便于冷挤压成型，这类钢在退火时必须有高的塑性和低的变形抗力，因此，对这类钢要求有低的或超低的碳含量，为了提高模具的耐磨性，这类钢在冷挤压成型后一般都进行渗碳和淬火、回火处理，表面硬度可达5862HRC。介绍典型钢种。12CrNi3A钢,12CrNi3A,12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件。该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260320时，相对切削加工性为60%70%。另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。但该钢有回火脆性倾向和形成白点的倾向。,渗碳型塑料模具钢,采用冷挤压反印法制造模具型腔，可以采用合金渗碳钢。这类钢种在退火状态下塑性很好，较容易挤压成型，为提高型腔的耐磨性，冷挤压后需要进行渗碳，然后淬火和低温回火。这种模具表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有很好的韧性，而且模具互换性好。常用的钢号，如美国ASTMA681的标准钢号P2P6；ISO标准中的5CrMo4、7CrMoNi；我国常用的20Cr、12CrNi2、12CrNi3、20CrMnTi、20Cr2Ni4等。,耐腐蚀塑料模具用钢,生产聚氯乙烯、氟化塑料或添加阻燃剂的阻燃塑料模具，由于在压制过程中模具接触腐蚀介质，应选用耐蚀性好的塑料模具钢，其中有代表性的如4Cr13、9Cr18、Cr17Mo、Cr14Mo等，经淬火后使用。,耐蚀型塑料模具用钢,0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属于析出硬化不锈钢，硬度为3235HRC时可进行切削加工。该钢再经460480时效处理后，可获得较好的综合力学性能。,高镜面塑料模具钢,压制对精度和表面粗糙度数值要求很低的塑料制品，如光学仪器零件，家用电器零件等，对成形模具型腔表面的粗糙度数值要求很低，需要采用纯净度和致密度很高的模具钢（如3Cr2Mo,3Cr2NiMnMo,4Cr5MoSiV1,Cr12Mo1V1,25CrNi3MoAl等）或马氏体时效钢如18Ni(250),18Ni(300)及低镍马氏体时效钢（06Ni6CrMoVTiAl）等。,无磁塑料模具用钢,用于压制磁性塑料的模具，一般选用无磁模具钢制造，如18-8不锈钢，其型腔经氮化处理后使用，或采用Mn13型耐磨奥氏体钢，或无磁模具钢如7Mn15Cr2Al3V2WMo等。,淬硬型塑料模具用钢,1.常用钢种及热处理常用的淬硬型塑料模具用钢有碳素工具钢、低合金冷作模具钢、Cr12型钢、高速钢、基体钢和某些热作模具钢等。这些钢的最终热处理一般是淬火和低温回火(少数采用中温回火或高温回火)，热处理后的硬度通常在45HRC以上。,淬硬型塑料模具用钢,2.实际应用碳素工具钢仅适于制造尺寸不大，受力较小，形状简单以及变形要求不高的塑料模具;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的塑料模具;Cr12型钢适于制造要求高耐磨性的大型、复杂和精密的塑料模具;热作模具钢适于制造有较高强韧性和一定耐磨性的塑料模具。另外，GD钢也是近年新推广使用的一种淬硬型塑料模具钢。该钢强韧性高、淬透性和耐磨性好，淬火变形小，价格低，用其取代Cr12MoV钢或基体钢制造大型、高耐磨、高精度塑料模具，不仅降低了成本，而且提高了模具的使用寿命。,时效硬化型塑料模具用钢,时效硬化型塑料模具用钢的共同特点是碳含量低、合金度较高，经高温淬火(固溶处理)后，钢处于软化状态，组织为单一的过饱和固溶体。采用此类钢制造塑料模具时，可在固溶处理后进行模具的机械成型加工，然后通过时效处理，使模具获得使用状态的强度和硬度，这就有效地保证了模具最终尺寸和形状的精度。介绍几种时效硬化型塑料模具用钢。25CrNi3MoAl钢18Ni类钢06Ni6CrMoVTiAl（06Ni）钢10Ni3MnCuAlMoS（PMS）镜面塑料模具钢Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢,预硬型塑料模具用钢,所谓预硬钢就是供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态硬度的钢。这类钢的特点是在硬度3040HRC的状态下可以直接进行成型车削、钻孔、铣削、雕刻、精锉等加工，精加工后可直接交付使用，这就完全避免了热处理变形的影响，从而保证了模具的制造精度。介绍几种典型预硬型塑料模具用钢。3Cr2Mo（P20）钢3Cr2NiMo（P4410）钢8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）钢5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）钢Y55CrNiMnMoV（SM1）钢,塑料成型模具用钢,塑料模具的选用,依塑料品种选用模具钢,依塑件产量选用模具钢,第十节塑料模具的热处理及实例,选用不同品种钢做塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。,一、塑料模具的制造工艺路线,1.低碳钢及低碳合金钢制模具例如20，20Cr，20CrMnTi钢的工艺路线为:下料锻造模坯退火机械粗加工冷挤压成型再结晶退火机械精加工渗碳淬火、回火研磨抛光装配。2.高合金渗碳钢制模具例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为:下料锻造模坯正火并高温回火机械粗加工高温回火精加工渗碳淬火、回火研磨抛光装配。3.调质钢制模具例如45，40Cr钢的工艺路线为:下料锻造模坯退火机械粗加工调质机械精加工研磨抛光装配。,4.碳素工具钢及合金工具钢制模具例如T7AT10A，9CrWMn，9SiCr钢的工艺路线为:下料锻造模坯球化退火机械粗加工去应力退火机械半精加工机械精加工淬火、回火研磨抛光装配。5.预硬钢制模具例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）钢。对于直接使用棒料加工的，因其已进行了预硬化处理，故可在加工成型后直接抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成型的，其工艺路线为:下料改锻球化退火刨或铣六面预硬处理（3442HRC）机械粗加工去应力退火机械精加工研磨抛光装配。,一、塑料模具的制造工艺路线,二、塑料模具的热处理特点,1.渗碳钢塑料模具的热处理2.淬硬钢塑料模具的热处理3.预硬钢