塑料模具材料

塑料模具材料随着塑料产量的提高和应用领域的扩大，对塑料模具提出了越来越高的要求，促进了塑料模具的不断发展。目前塑料模具正朝着高效率、高精度、高寿命方向发展，推动了塑料模具材料迅速发展。我国目前用于塑料模具的钢种，可按钢材特性和使用时的热处理状态分类，见表3-2表3-2塑料模具用钢分类类别钢种类别钢种渗碳型20,20Cr,20Mn,12CrNi3A,20CrNiMo,DT1,DT2,0Cr4NiMoV预硬型3Cr2Mo,Y20CrNi3AlMnMo(SM2),5NiSCa,Y55CrNiMnMoV(SM1),4Cr5MoSiVS,8Cr2Mn－WMoVS(8CrMn)调质型45,50,55,40Cr,40Mn,50Mn,S48C,4Cr5MoSiV,38CrMoAlA耐蚀型3Cr13,2Cr13,Cr16Ni4Cu3Nb(PCR),1Cr18Ni9,3Cr17Mo,0Cr17Ni4Cu4Nb(74PH)淬硬型T7A,T8A,T10A,5CrNiMo,9SiCr,9CrWMn,GCr15,3Cr2W8V,Cr12MoV,45Cr2NiMoVSi,6CrNiSiMnMoV(GD)时效硬化型18Ni140级,18Ni170级,18Ni210级,10Ni3MnCuAl(PMS),18Ni9Co,06Ni16MoVTiAl,25CrNi3MoAl对于我国传统常用的塑料模具钢，已有很多书藉资料作过详细的论述，本节主要介绍我国近年研制和从国外引进并已在生产中推广使用的塑料模具钢。一、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形的塑料模。为了便于冷挤压成形，这类钢在退火态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含碳量，为了提高模具的耐磨性，这类钢在冷挤压成形后一般都进行渗碳和淬回火处理，表面硬度可达58～62HRC。此类钢国外有专用钢种，如瑞典的8416、美国的P2和P4等。国内常采用工业纯铁（如DT1和DT2）、20、20Cr、12CrNi3A和12Cr2Ni4A钢，以及国内最新研制的冷成形专用钢0Cr4NiMoV（LJ）。现介绍两个典型钢种。（一）0Cr4NiMoV（LJ）钢1.化学成分：表3-3是LJ钢的化学成分。表3-3LJ钢的化学成分（质量分数）（%）CMnSiCrNiMoV≤0.08＜0.3＜0.23.6～4.20.3～0.70.2～0.60.08～0.15该钢含碳量很低，因而塑性优异、变形抗力低。钢中主加元素为铬，辅加元素为镍、钼、钒等，合金元素的主要作用是提高淬透性和渗碳能力，增加渗碳层的硬度和耐磨性以及心部的强韧性。2.工艺性能：LJ钢具有良好的锻造性能和热处理工艺性。锻造工艺：加热温度1230℃，始锻温度1200℃，终锻温度900℃。退火工艺：加热880℃，保温2ｈ，随炉缓冷至（冷速约40℃／h）650℃后出炉空冷，退火硬度100～105HBS，可顺利地进行冷挤压成形。固体渗碳工艺：加热930℃×（6～8）ｈ，渗后在850～870℃油淬，再进行200～220℃×2ｈ的低温回火，热处理后表面硬度58～60HRC，心部硬度为27～29HRC，热处理变形微小。LJ钢渗碳速度快，渗层深度比20钢深一倍。3.实际应用：LJ钢冷成形性与工业纯铁相近，用冷挤压法成形的模具型腔轮廓清晰、光洁、精度高。LJ钢主要用来替代10、20钢及工业纯铁等冷挤压成形的精密塑料模。由于渗碳淬硬层较深，基体硬度高，不会出现型腔表面塌陷和内壁咬伤现象，使用效果良好。（二）12CrNi3A钢1.化学成分：12CrNi3A钢是传统的中淬透性合金渗碳钢，其成分见表3-4。该钢含碳量较低，加入镍、铬合金元素，以提高钢的淬透性和渗碳层的强韧性，尤其是镍，在产生固溶强化的同时，明显增加钢的塑韧性。与其它冷成形塑料模具钢相比，该钢的冷成形性属于中等。表3-412CrNi3A钢的化学成分（质量分数） （%）CSiMnCrNiP、S0.09～0.160.17～0.370.30～0.600.60～0.902.75～3.25≤0.0252.工艺性能：锻造加热温度为1200℃，始锻温度1150℃，终锻温度大于850℃，锻后缓冷，锻后必须软化退火。退火工艺：740～760℃加热，保温4～6ｈ后以5～10℃／ｈ的速度缓冷至600℃，再炉冷至室温，退火后的硬度＜160HBS，适于冷挤压成形。正火工艺：870～900℃加热并保温3～4ｈ后空冷，正火后硬度≤229HBS，切削加工性良好。12CrNi3A钢采用气体渗碳工艺时，加热温度为900～920℃保温6～7ｈ，可获得0.9～1.0ｍｍ的渗碳层，渗碳后预冷至800～850℃直接油淬或空冷，淬火后表层硬度可达56～62HRC，心部硬度为250～380HBS，变形微小。3.实际应用：12CrNi3A钢主要用于冷挤压成形的形状复杂的浅型腔塑料模具。也可用来制造大、中型切削加工成形的塑料模具，为了改善切削加工性，模坯须经正火处理，二、淬硬型塑料模具用钢（一）常用钢种及热处理常用的淬硬型塑料模具钢有：碳素工具钢（如T7A、T8A）、低合金冷作模具钢（如9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15、7CrSiMnMoV钢）、Cr12型钢（如Cr12MoV钢）、高速钢（如W6Mo5Cr4V2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45～50HRC以上。（二）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；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；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；W6Mo5Cr4V2钢适于制造要求强度高和耐磨性好的塑料模；热作模具钢适合于制造有较高强韧性和一定耐磨性的塑料模。另外，GD钢也是近年新推广使用的一种淬硬型塑料模具钢。由于该钢强韧性高、淬透性和耐磨性好，淬火变形小，价格低，用此钢取代Cr12MoV钢或基体钢制造大型、高耐磨、高精度塑料模，不仅降低了成本，而且提高了模具的使用寿命。三、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。这类钢的特点是在硬度30～40HRC的状态下可以直接进行成形车削、钻孔、铣削、雕刻、精锉等项加工，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。我国近年研制的预硬化型塑料模具钢，大多数是以中碳钢为基础，加入适量的铬、锰、镍、钼、钒等合金元素制成。为了解决在较高硬度下切削加工难度大的问题，通过向钢中加入硫、钙、铅、硒等元素，以改善切削加工性能，从而制得易切削预硬化钢。有些预硬化钢可以在模具加工成形后进行渗氮处理，在不降低基体使用硬度的前提下使模具的表面硬度和耐磨性显著提高。下面介绍几种典型预硬化塑料模具钢。（一）3Cr2Mo（P20）塑料模具钢3Cr2Mo钢是引进的美国塑料模具钢常用钢号，也是GB1299—85《合金工具钢技术条件》中正式纳标的唯一一种塑料模具钢。1.化学成分及相变点化学成分见表3-5所示。表3-53Cr2Mo钢的化学成分（质量分数） （%）CSiMnCrMoP、S0.28～0.400.20～0.800.60～1.001.40～2.000.30～0.55≤0.030相变点为Ａc1770℃、Ac3825℃、Ar1640℃、Ar3760℃、Ｍs300℃、Ｍf120℃。2.工艺性能（1）锻造：加热温度1100～1150℃，始锻温度1050～1100℃，终锻温度≥850℃，锻后空冷。（2）退火：加热温度850℃，保温2～4h，等温温度720℃，保温4～6h，炉冷至500℃，出炉空冷。（3）淬火及回火：淬火加热温度860～870℃，油淬，540～580℃回火。预硬态硬度为30～35HRC。（4）化学热处理：P20钢具有较好的淬透性及一定的韧性，可以进行渗碳，渗碳淬火后表面硬度可达65HRC，具有较高的热硬度及耐磨性。3.力学性能850℃淬火，550℃回火的P20钢室温力学性能见表3-6所示。表3-6P20钢室温力学性能硬度HRCσb/Mpaσ0.2/MPaδ5(%)ψ(%)αk/(J/cm2)3012501140145811.54.实际应用P20钢适宜制造电视机、大型收录机的外壳及洗衣机面板盖等大型塑料模具，其切削加工性能及抛光性能均显著优于45钢，在相同抛光条件下，表面粗糙度比45钢低1～3级。如制造的“飞跃”牌14吋黑白电视机外壳塑料模具，已成型24万模次，模具仍完好无损。还制造过18吋彩色电视机外壳塑料模具，大型收录机模具，电唱机盘罩模具，以及洗衣机面板盖模具等。（二）3Cr2NiMo（P4410）塑料模具钢1.化学成分及相变点3Cr2NiMo钢是3Cr2Mo钢的改进型，是在3Cr2Mo钢中添加了质量分数为0.8%～1.2%的镍，其化学成分见表3-7所示。国内试制的P4410钢实际成分，与瑞典生产的P20钢改进型718钢一致。表3-7P4410的化学成分（质量分数）（%）CMnSiCrMoNiPS0.28～0.400.60～1.000.20～0.801.40～2.000.30～0.550.80～1.20≤0.020≤0.015相变点Ac1725℃、Ac3810℃、Ms280℃。2.生产工艺碱性平炉粗炼→真空脱气、钢包喷粉精炼→水压机锻造→粗加工→超声波探伤→调质热处理→检验出厂。经此工艺生产出的钢材达到较高的洁净度，组织细密，镜面抛光性能好，表面粗糙度可达Ra0.05～0.025μm。3.性能特点经860℃淬火，650℃回火后，室温及高温力学性能见表3-8所示。表3-8P4410钢的力学性能试验温度/℃σb/MPaσs/MPaδ(%)ψ(%)αk/(J/cm2)HRC室温1120102016619635200100688213.656——40088281114.067——P4410钢在硬度值为32～36HRC范围内，具有良好的车、铣、磨等加工性能。P4410钢也可采用火焰局部加热淬火，加热温度800～825℃，在空气中或用压缩空气冷却，局部表面硬度可达56～62HRC，可延长模具使用寿命。也可对模具进行表面镀铬，表面硬度可由370～420HV提高到1000HV，显著提高模具的耐磨性和耐蚀性。P4410钢制造的模具，局部损坏后也可用补焊法修补，焊接质量良好，可以进行加工。4.应用P4410钢在预硬态（30～36HRC）使用，防止了热处理变形，适于制造大型、复杂、精密塑料模具。该钢也可采用渗氮、渗硼等化学热处理，处理后可获得更高表面硬度，适于制作高精密的塑料模具。（三）8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）钢8Cr2MnWMoVS属易切削精密塑料成形模具钢，是为适应精密塑料模和薄板无间隙精密冲裁模之急需而设计的，其成分设计采用了高碳多元少量合金化原则，以硫作为易切削元素。8Cr2S钢的化学成分及性能在第一章第二节已经介绍过，这里就使用方面再进一步介绍。1.钢的特点（1）热处理工艺简便，淬透性好：空冷淬硬直径φ100mm以上，空淬硬度为61.5～62HRC，热处理变形小。当860～900℃淬火，160～300℃回火时，轴向总变形率＜0.09%，径向总变形率＜0.15%。（2）切削性能好：退火硬度为207～239HBS，切削加工时，可比一般工具钢缩短加工工时1/3以上。硬态40～45HRC时，用高速钢或硬质合金刀具进行车、铣、刨、镗、钻等加工，相当于碳钢调质态，硬度为30HRC左右的切削性能，远优于Cr12MoV钢退火态硬度为240HBS时的切削性能。（3）镜面研磨抛光性好：采用相同的研磨加工，其表面粗糙度比一般合金工具钢低1～2级，最低表面粗糙度为Ra0.1μm。（4）表面处理性能好：渗氮性能良好，一般渗氮层深达0.2～0.3mm，渗硼附着力强。2.应用8Cr2S作为预硬钢适宜于制作各种类型的塑料模、胶木模、陶土瓷料模以及印制板的冲孔模。该钢种制作的模具配合精密度较其它合金工具钢高1～2个数量级，表面粗造度低1～2级，使用寿命普遍高2～3倍，有的高十几倍。（四）5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）钢5NiSCa属易切削高韧性塑料模具钢，在预硬态（35～45HRC）韧性和切削加工性良好；镜面抛光性能好，表面粗糙度低，可达Ra0.2～0.1μm，使用过程中表面粗糙度保持能力强；花纹蚀刻性能好，清晰，逼真；淬透性好，可作型腔复杂、质量要求高的塑料模。该钢在高硬度下（50HRC以上），热处理变形小，韧性好，并具有较好的阻止裂纹扩展的能力。1.化学成分及相变点5NiSCa钢采用中碳加镍，其主要化学成分见表3-9。表3-95NiSCa钢的化学成分（质量分数）（%）CCrNiMnMoVSCa0.570.891.031.190.520.260.0280.0036加热时相变点695～735℃，冷却时相变点378～305℃，Ms220℃。2.工艺性能（1）锻造：加热温度1100℃，始锻温度1070～1100℃，终锻温度850℃，锻后砂冷。（2）球化退火：加热温度770℃，保温3h，等温温度660℃，保温7h，炉冷到550℃出炉空冷。退火硬度≤241HBS，加工性能良好。（3）淬火：淬火温度880～900℃，小件取下限，大件取上限，油冷或260℃硝盐分级淬火。3.力学性能5NiSCa钢经880℃和900℃淬火后的力学性能，见表3-10所列。表3-105NiSCa钢不同温度淬火及回火后的力学性能淬火/℃回火/℃σ0.2/Mpaσb/MPaσbc/MPaδ(%)ψ(%)αk/(J/cm2)HRC8805751240.71274.01271.18.842.146.145.56251240.71274.01271.18.842.146.1396501008.41045.71011.49.045.356.8369005751364.21430.81442.67.939.642.1476251252.41291.61355.38.341.74941.56501061.31084.91110.310.547.066.6374.生产应用5NiSCa钢可用作型腔复杂、型腔质量要求高的注射模、压缩模、橡胶模，印制板冲孔模等效果显著。（五）Y55CrNiMnMoV（SM1）SM1属易切削调质型预硬化塑料模具钢，预硬态交货，预硬硬度为35～40HRC。易切削效果明显、性能稳定、综合性能明显优于45钢，还具有耐蚀性较好和可渗氮等优点。1.化学成分及相变点Y55CrNiMnMoV钢的化学成分，见表3-11。表3-11SM1钢化学成分（质量分数）(%)CMnSPCrNiMoVSi0.50～0.600.80～1.200.080～0.150＜0.0300.80～1.201.00～1.500.20～0.500.10～0.30＜0.40相变点Ac1712℃、Ac3772℃、Ｍs290℃。2.工艺性能（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。（2）软化处理：800℃加热、保温3ｈ，680℃等温加热5ｈ，硬度≤235HBS。（3）淬火、回火：800～860℃加热油淬，600～650℃回火。3.力学性能经上述处理后，SM1的力学性能见表3-12所示。表3-12SM1钢的力学性能σb/MPaσ0.2/Mpaδ5(%)ψ(%)αk/(J/cm2)硬度HRC1176980154544354.实际应用Y55CrNiMnMoV钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。四、时效硬化型塑料模具钢此类钢的共同特点是含碳量低、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。但是将此固溶体进行时效处理，即加热到某一较低温度并保温一段时间后，固溶体中就会析出细小弥散的金属化合物，从而造成钢的强化和硬化。并且，这一强化过程引起的尺寸、形状变化极小。因此，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形加工，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。此外，此类钢往往采用真空冶炼或电渣重熔，钢的纯净度高，所以镜面抛光性能和光蚀性能良好。这一类钢还可以通过镀铬、渗氮、离子束增强沉积等表面处理方法来提高耐磨性和耐蚀性。下面介绍几种时效硬化型塑料模具用钢。（一）25CrNi3MoAl钢25CrNi3MoAl属低镍无钴时效硬化钢，这是参考了国外同类钢的成分，并根据我国冶炼工业的特点及使用厂对性能的要求加以改进而研制的一种新型时效硬化钢，为我国时效硬化型精密塑料模具专用钢种填补了空白。1.化学成分及相变点25CrNi3MoAl钢的化学成分见表3-13。表3-1325CrNi3MoAl钢的化学成分（质量分数）（%）CCrNiMoAlSiMnS、P0.2～0.31.2～1.83.0～4.00.2～0.41.0～1.60.2～0.50.5～0.8≤0.03相变点Ac1740℃、Ac3780℃、Ｍs290℃。2.力学性能（1）硬度：25CrNi3MoAl钢经不同温度固溶及时效处理后的硬度分别见表3-14及表3-15。表3-1425CrNi3MoAl钢经不同温度固溶处理后的硬度加热温度/℃（保温30min）8309209601000硬度HRC5048.546.445.6表3-1525CrNi3MoAl钢时效处理后的硬度时效温度/℃500520540硬度HRC35.5～3839～4139～42（2）室温力学性能：25CrNi3MoAl钢经880℃固溶，680℃回火，540℃时效处理8ｈ后的力学性能见表3-16。表3-1625CrNi3MoAl钢的室温力学性能HRCσb/Mpaσs/MPaδ(%)ψ(%)αk①/(J/cm2)39～421260～13501170～120013～16.855～5945～52①αk值为夏比U形试样冲击韧度值。3.热处理工艺（1）用作一般精密塑料模具：淬火加热温度880℃，空冷或水冷淬火，淬火硬度48～50HRC，再经680℃，4～6ｈ高温回火，空冷或水冷，回火硬度22～23HRC，经机加工成形。再经时效处理，时效温度520～540℃，保温6～8ｈ，空冷，时效硬度39～42HRC。再经研磨、抛光或光刻花纹后装配使用。时效变形率大约为-0.039％。（2）用于高精密塑料模具：淬火加热温度880℃，再经680℃高温回火，其余工艺同上。但在高温回火后对模具进行粗加工和半精加工，再经650℃保温1ｈ，消除加工后的残留内应力，然后再进行精加工。此后的时效、研磨、抛光等工艺仍同上。经此处理后时效变形率仅为-0.01%～-0.02%。（3）用于对冲击韧度要求不高的塑料模具：对退火的锻坯直接经粗加工、精加工，进行520～540℃、6～8ｈ的时效处理，再经研磨、抛光及装配使用。经此处理后，模具硬度40～43HRC，时效变形率≤0.05%。（4）用作冷挤型腔工艺的塑料模具：模具锻坯经软化处理后，即对模具挤压面进行加工、研磨、抛光。然后对冷挤压模具型腔和模具外形进行修整，最后对模具进行真空时效处理或表面渗氮处理后再装配使用。4.特点及应用综上所述，25CrNi3MoAl钢有如下特点：（1）钢中含镍量低，价格远低于马氏体时效钢，也低于超低碳中合金时效钢。（2）调质硬度为230～250HBS，常规切削加工和电加工性能良好。时效硬度为38～42HRC，时效处理及渗氮处理温度范围相当，且渗氮性能好，渗氮后表层硬度达1000HV以上，而心部硬度保持在38～42HRC。（3）镜面研磨性好，表面粗糙度可在Ra0.2～0.025μm，表面光刻浸蚀性好，光刻花纹清晰均匀。（4）焊接修补性好，焊缝处可加工，时效后焊缝硬度和基体硬度相近。25CrNi3MoAl钢可用以制作普通及高精密塑料模具，经十多家工厂试用，技术经济效益显著。(二)18Ni类钢这类钢属于低碳马氏体时效钢，其成分和力学性能见表3-17。表3-1718Ni类钢