塑料模具钢介绍

　　1模具钢的发展历史

　　50年代，我国模具用钢全部袭用国外钢号。进入60年代，为了节约原材料和提高毛坯精度，少无外一些常用钢号和新开发的模具钢进行比较。切削工艺和精密成形技术有了迅速发展，为了提高生产效率，采用了许多高效压力加工设备，锻锤逐渐被压力机替代。原用模具钢的性能常不能满足服役条件对性能的高要求，影响了模具的使用寿命和压力结构新工艺新设备的推广应用。

　　70年代末，精密及大型工程塑料制品的使用日益广泛，对塑料模具用钢的需求量急剧增加，对塑料模具钢的性能也提出了新的要求，而我国当时尚无塑料模具专用钢种。

　　60年代以来，在国家有关部委的支持下，我国科技工作者结合国情，开发出不少新模具钢，其中一些使用性能优异、工艺性能也比较好的性钢种受到模具制造和使用单位的欢迎。在此期间也引进了一些国外通用的钢号，其中有些钢号通过生产试用，取得良好的效果。

　　2塑料模具钢的性能要求

　　随着塑料工业发展的突飞猛进，塑料模具的需求量急剧增加，据报导，不少工业发达国家塑料模具的产值已跃居于模具制造业的首位。为了适应塑料制品的尺寸日趋大型化、形状的复杂化和表面装饰的美观化，塑料模具正朝着大型化、复杂化、精密化和多腔化方向发展。在塑料模具的设计过程中，对于塑料模具钢的性能要求设计人员应该熟知。

　　2.1具有一定的综合力学性能

　　成型模具在工作过程中要承受温度、压力、侵蚀和磨损，因而要求具有一定的强度和塑、韧性。具体体现以下两点：

　　（1）要求材料的纯洁度高，组织均匀致密，无网状、带状碳化物，无孔洞、疏松等缺陷。

　　（2）材料的淬透性好，热处理后应具有较高的强韧性、硬度和耐磨性，并要求等向性好。

　　2.2切削加工性好

　　塑料模形状往往比较复杂，切削加工成本常占到模具的绝大部分（一般约75％），因而要求具有良好切削性能。具体体现在：

　　（1）为提高切削性能，通常要适当降低模具的硬度，但会影响抛光性和耐磨性；

　　（2）要求材料预硬化后还具有良好的切削加工性；

　　（3）加入S、Ca等元素发展易切削钢，或采用时效硬化钢；

　　（4）在硬化状态下材料仍具有良好的电加工性和镜面抛光性、花纹图案蚀刻性。

　　2.3材料具有良好的导热性和低的热膨胀系数

　　材料具有良好的热加工工艺性，如热处理变形小、尺寸稳定性好、在150～250°C的温度下长期工作不变形以及较好的焊接性[2]。

　　3塑料模具钢的分类和应用

　　3.1渗碳型塑料模具用钢

　　用作塑料模具的渗碳钢有10、20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20CrMnT、20CrMnMo等。

　　渗碳钢退火后的硬度低、塑性好。这类钢进行冷挤压成型后进行渗碳淬火和低温回火，表面硬度可提高至58～62HRC，达到表面高硬度、高耐磨性，心部韧性好的要求，主要制作要求耐磨性良好的塑料模具。试验表明不同的奥氏体含量适合不同的磨损环境，在较低应力水平下，奥氏体含量越低，其耐磨性越好；在较高应力水平下，奥氏体含量越高，其耐磨性越好。

　　3.2非合金型塑料模具专用钢

　　非合金型塑料模具专用钢SM45、SM48、SM50、SM53、SM55，目前常见的45钢价格低廉、来源方便。

　　这类钢与优质碳素结构钢相比，钢中的实际S、P含量低，钢材的纯净度好，力学性能稳定。适宜于制造形状简单的小型塑料模具或精密要求不高、使用寿命不需要很长的塑料模具。

　　3.3调质硬化型塑料模具用钢

　　调质硬化型塑料模具用钢大体有三类。

　　（1）中碳合金结构钢型用作塑料模具钢的有40Cr、42CrMo和38CrMoAl钢等。

　　40Cr钢调质后有良好的综合力学性能，比相应的碳钢强度高20％左右，且有良好的低温冲击韧度和低的缺口敏感性，适于制作中型塑料模具。另外，40Cr钢还可结合碳氮共渗工艺处理，进一步提高耐磨性和抗蚀性。

　　42CrMo钢属于高强度钢，调质后具有高强韧性，且有较高的疲劳极限和抗多次冲击能力，低温冲击韧性良好。适于制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。

　　38CrMoAl钢是典型的渗氮钢，调质后渗氮处理，表面硬度高（大于850HV）并具有一定的抗蚀性。适用于聚氯乙烯、聚碳酸脂有腐蚀性气体及耐磨的注射模等。

　　（2）预硬化型塑料模具专用钢，目前，一些厂家能提供该类钢的各种规格尺寸并经预硬处理的模块、扁钢或圆棒（硬度28～40HRC）。用户购置后可以直接加工成型使用。

　　SM3Cr2Mo钢可用于多种塑料的注塑、压缩和吹塑成形的模具，供货硬度一般为28～36HRC，机加工机抛光性好，适于制造大中型精密的塑料模具（一般模具厚度≤400mm）.

　　SM3Cr2NiMnMo钢是3Cr2Mo的改进型钢，加入Ni后进一步提高钢的淬透性，强韧性和抗腐蚀性。预硬化后大模块的整个截面硬度更为均匀，适于制造特大型、大型塑料模具（模具厚度可大于400mm）和精密塑料模具。

　　长钢三厂试制的10Ni3MnCuAl（NAK80）钢类似日本牌号NAK80，属高级镜面塑料模具钢。该钢广泛用于汽车、家用电器、相机、电话、电脑等塑料制品模具。该钢市场前景看好，附加值高。我国一直依靠进口，国内上海某研究所和某厂生产过此钢。长钢三厂预硬化扁钢交货，尤其大截面材（520×203mm）预硬化交货是是国内外型材尺寸的巨大突破。

　　该钢采用低含碳量，并以Ni－Cu－Al三元合金为基础添加少量提高淬透性的合金元素。在热处理过程中通过析出Ni3Alε-Cu等弥散金属间化合物和碳化物的时效硬化效应，获得所需硬度。

　　（3）易切削预硬型塑料模具用钢，塑料模具成型的切削加工量大，其切削加工性能显得十分重要。加入一些元素及变质剂，如S、Ca、Re等来改善钢的切削。

　　5CrNiMnMoVSCa钢采用S-Ca复合易切削元素和喷射冶金技术，有较高的淬透性、高韧度，预硬态（42HRC）仍具有好的切削加工性，而且具有良好的抛光性和焊补性。适用于型腔复杂的塑料注塑模、压缩模或变形要求极小的大型塑料成型模，也可用来制造透明塑料模。

　　Y55CrNiMnMoVS(SM1)改善了糙度和高淬透性，可用于大型镜面塑料模或精密塑料模。

　　8Cr2MnWMoVS(8Cr2S)钢用于预硬态硬度高（40～42HRC），耐磨性好，更适于制造硬质塑料模具，不足之处抗腐蚀性稍差。

　　（4）淬硬型塑料模具用钢，该类钢成型后再热处理（淬回火），硬度通常高于45～50HRC。尤其适用于受力大，易磨损、并受到周期性脱模冲击和碰撞的热固性塑料成型模。

　　常用的淬硬型塑料模具钢有碳素工具钢（T7~T12）,仅适用制造耐磨性较高，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。利用其淬透性低的特点来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（9SiCr、9Mn2V、CrWMn、9Cr-WMn、7CrSiMnMoV），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、耐磨性好的塑料模。

　　Cr12型钢（Cr12、Cr12Mo1V1、Cr12MoV），Cr12型钢适于制造要求高耐磨性的大型、复杂、高寿命的精密塑料模。

　　热作模具钢（5CrMnMo、5CrNiMo、4Cr5MoSiV、4Cr3Mo2MnVbB），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。4Cr3Mo2MnVbB最初是针对铜合金压铸模具而研制的。通过合理的成份配比，使其在达到高的热强度性及热稳定性的同时，又保持了良好的韧性、导热性及工艺性能及抗冷热疲劳性能。

　　基体钢对于大型、精密、形状复杂的型腔及嵌件，要求热处理后具有优良耐磨性的模具可考虑选用。

　　（5）时效硬化型塑料模具用钢，时效硬化型塑料模具钢含碳量较低，并含有Ni、Ti等合金元素，往往先经固溶处理在低硬度下加工，成型后进行时效处理，硬度提高至45～50HRC。适于制造形状复杂、高精度及透明塑料的模具。不同的制件要求，可采用不同的加工工艺。

　　上海材料研究所研制的10Ni3MnCuAl新型塑料模具钢，该钢由于合金元素较少价格低廉，比MA2SIC马氏体时效钢更具有市场竞争力。并且具有优良的镜面性能和加工性能，能满足塑料模具用钢要求，具有良好的发展前景。

　　（6）耐蚀塑料模具用钢，耐蚀塑料模具钢用于成形过程中释放出腐蚀气体的塑料模具。常用有：Cr13型马氏体耐蚀钢、9Cr18高碳高铬马氏体不锈钢、1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢及0Cr17Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢。

　　2Cr13、4Cr13钢适于制造一般抗腐蚀介质条件下的塑料模和透明塑料制品模。4Cr13钢比2Cr13钢有更高强度，可制造要求一定强度、较大截面的塑料模具，但耐蚀性稍差。

　　9Cr18、9Cr18Mo钢淬火后具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性能，适于制造承受高耐磨、高负荷以及在腐蚀介质作用下的塑料模具。

　　1Cr17Ni2钢对硝酸、大部分有机酸及其水溶液都有良好的耐腐蚀性能，适于制造含有这些腐蚀介质作用的塑料模具。

　　（7）无磁塑料模具用钢，国内Mn15Cr2Al3V2Wmo钢属高Mn-V系无磁钢，该钢具有各种状态下都能保持稳定的奥氏体状态，具有非常低的导磁系数，适于制造无磁模具，生产磁性塑料制品。

　　4结论

　　模具钢的材料和制造工艺是制件质量的重要影响因素，研制高性能、完整的系列化模具钢将有利于降低成本、缩短成形周期、提高制件质量，因此可以预知模具钢性能的研究及新模具钢的开发研制将会是将来的重点。

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