塑料模具用钢

　　工程塑料是以合成树脂为主要成分的高分子工程材料。由于它具有质轻、耐蚀、绝缘、减摩、美观、自润滑、成型工艺简单、生产效率高等特点，已广泛用于机械的次要受力件和部分主要受力件。诸如镜片、光盘、磁带盒、仪表壳、灯罩、舱盖、风档、液面剂等透明塑料；插头插座、电讯器件、线圈架、接线板、集电环等绝缘件；贮槽、管道、泵阀、化工容器等耐蚀件；轴承轴瓦、蜗轮蜗杆、齿轮凸轮、活塞环、联轴器等减摩件和传动件以及手柄手轮、油管垫片、保温管和包装材料等通用件都能用工程塑料来制造。塑料制品已广泛应用于汽车、家电、化工、仪表、电讯、建材、军工等行业，世界已进入了以塑代钢的新时代。

　　为了适应和满足上述产品的成型要求，根据不同模具类型和模具零件的性能需要，塑料模具用钢应具有如下特性：强度、硬度、耐磨、耐热、耐蚀等使用性能；良好的抛光性、尺寸稳定性、易于氮化和热处理变形小等工艺性能；良好的导热性和小的线涨系数等物理性能。

　　纯净和均匀是塑料模具钢冶金质量的两大要素。纯净指钢中的氢、氧、氮等有害气体和有害元素磷、硫以及非金属夹杂物应达到一定的允许含量和级别。均匀指化学成分均匀，偏析小，第二相粒子和夹杂物呈小、匀、圆弥散分布。纯净和均匀可以通过炉外精炼（LF等）、真空除气（VD）、大气自耗电极电渣重熔(ESR)、超净提纯（ESRR）、真空自耗电极重熔（VAR）等冶炼工艺，足够锻造比的镦锻与轧制，组织细化的预先热处理来得到保障。模具制造厂应根据零件的具体要求选择不同质量和价格档次的模具用钢。塑料模具用钢低倍组织酸浸试片不得有目视可见的缩孔、夹杂、气泡、发裂和分层。中心疏松和偏析达到相应级别。

　　可以用内柔外刚来形容对模具零件的使用要求。内柔是指零件基体（心部）应该具有一定的屈服强度，相应的硬度和韧性指标，防断裂、耐冲击、不产生塑料变形。外刚是指零件表面应该有更高的硬度，耐磨损、抗咬合、防擦伤、拒腐蚀。为了提高表面硬度、常采用表面强化工艺，如渗碳、碳氮共渗、渗硼等化学热处理；镀层和物理涂层等。温度超过850oC的中、高温下进行的化学热处理，由于受淬火变形的困扰，上述工艺不常在塑料模具零件上采用。经常采用的是在560oC左右进行的渗氮化学热处理。这是因为：处理温度相应较低，可以确保基体硬度不下降；渗层具有较高的硬度值；处理后零件变形小；渗层厚度和深度可以通过工艺参数的调整进行控制；渗后不增加零件尺寸；与基体具有较强的结合力渗层不脱落；渗层具有低的脆性等级，可以反复多次补渗；可以通过退氮消除硬化层方便维修。

　　渗氮也称为氮化，随钢中含碳量的增加，对氮化层硬度和渗层深度的增加是不利的。单就氮化的要求而言，钢中含碳量应以0.3%左右为宜，钢中还应有与氮亲合力较强的铬、钼、铝合金元素，其中铬钼总量以3%为佳。有些塑料模具专用钢，如3Cr2Mo、10CrNi3MoAlcu等在进行钢种化学成分设计时，就考虑到了有利氮化的合金化特点。氮化在业内有硬氮化和软氮化两种说法。无论哪种氮化方法，氮化层都可以由两部分组成：一部分是最表面的化合物层（也称白亮层），它应是Fe2-3N的ε相，另一部分是次表层的扩散层面（也称过渡层）。是Fe4N的r’相与基体的混合组织。硬氮化指的是通氨气体氮化和离子氮化。通氨气体氮化时间较长、渗层较深（一般在0.30左右）；软氮化是氮碳共渗，时间不长，渗层较浅（一般在0.10以内）。它又有气体软氮化和液体软氮化之别。有些零件不希望存在化合物层只需获得扩散层，这样更有利于降低渗层的脆性等级。只有扩散层的合金钢金相照片如图2所示。

　　塑料模具用钢的基体，按其使用硬度的高低可以分成如下几个档次：HB200左右的低硬度、HRC28-32的较低硬度、HRC38-42的中等硬度、HRC48-52较高硬度以及超过Hnc56的高硬度。下面就按此分类法归纳塑料模具用钢。

　　1 低硬度渗碳钢

　　10钢、1010、1.0301、S10c；20号钢、1020、1.1151、S2OC等优质碳素渗碳钢。20Cr、5120、P2、1.7027、SCr420；12CrNi3、3310、1.5752、SNC815；20CrNiMo、8620、1.6523、SNCM220等合金渗碳钢可用于制造塑料模具零件。它们除了相对便宜、规格齐全、便于加工、抛光性能好以外都可以通过冷挤加工成型。如带有枞筋、特殊花纹瓶盖、牙膏管、电插头等模具型腔冷挤成型后经渗碳淬火回火后使用，渗层深度为0.8-1.0mm，渗碳层硬度HRC56-60。因缺乏足够的基体强度支撑，容易产生塌陷，只适用于载荷低、形状简单的小型模具，在传统的书刊中常看到介绍这类渗碳型塑料模具用钢。当今，电火花加工（EDM）已普遍用于模具加工生产中，零件高硬度下也能顺利加工且加工后无影响精度的变形同时也容易抛光，因而采用冷挤成型的工艺方法逐渐减少了。

　　2 较低硬度（HRC28-32）予硬钢

　　这是一类较常用的塑料模具钢，包括调质与非调的碳素结构钢、合金结构钢、合金工具钢以及不锈钢。

　　碳素结构钢与合金结构钢

　　优质碳素结构钢45钢以及S45C、S50C、S55C、S58C；合金结构钢40Cr、5140、1.7035、SCr440；42CrMo、4140、1.7225、SCM440；40CrNiMo、4340、1.6511、SNCM439；38CrMoAl、1.8505。这些钢经调质处理可达HRC28-32；非调质的予硬钢B20、B30、B40也有类似的出厂硬度。它们除了用做模板、模座、模架外，也可用于载荷不大、寿命要求不高的小型模具的型腔和型芯。碳素钢可以进行软氮化，合金钢可以进行气体氮化和离子氮化以提高零件表面硬度。若可以使淬火变形控制在允许范围内，如进行碱浴分级淬火，这类钢也可以采用渗碳、碳氮共渗淬火回火后使用，基体达到HRC45左右，表面硬度Hnc56以上。这也是一种经济实用的选择方案。

　　合金工具钢

　　3Cr2Mo和3Cr2NiMo是两个具有代表性的塑料模具专用钢，市场上可以购买到予硬至Hnc28-32的成品料，用户也可以选用非予硬退火态调质至上述硬度。P20、618、718、M202、M238、1.2738、HPM2、HPM7、KPM30、Px5等也与上述两个国产钢号具有类似的化学成分和使用硬度。这类钢除了做高强度模板、模座外，也可用于大型模具的型腔、型芯和钍块。它们有适应氮化的含碳量和铬、钼合金含量，可获得理想的氮化层硬度和渗层深度，实现零件内柔外刚的使用要求。

　　予硬不锈钢

　　有些塑料如PVC（聚氯乙烯）、PET(聚对苯二甲酸乙二醇脂)加热后注射成型时，会产生腐蚀气体；零件镀铬酸洗时酸蒸汽的侵入；水冷套中水及其添加剂的腐蚀作用以及过大的环境湿度都会对模具材料产生腐蚀作用。在这种场合下需要选用不锈钢制造塑料模零件。

　　Cr13型马氏体不锈钢如1Cr13、2Cr13、3 Cr13、4Cr13以及3 Cr17Mo等都可以调质到Hnc28-32，或在市场上直接选购予硬品或自行进行调质处理，其中4Cr13和3 Cr17Mo是两个常用牌号，与上述钢种类似的还有420、1.2083、GS083、SUS420J2、M310、HPM38、S-STAR； 1.2316、GS316、M300、M34O、HPM77和168。

　　3 中等硬度（Hnc38-42）予硬钢

　　要解决在HRC38-42硬度下顺利完成车、铣、刨、锯、钻攻丝等难题，从改变钢的性能角度有两种方案：一种是向钢中加入易切削的元素S、Ca、Sn、Cu等，使钢的切削加工性能得到很大的改善；另一种是通过时效实现析出硬化。5CrNiMnMoVSCa和8Cr2MnWMoVS是国内研制的中碳与高碳型易切削模具钢。FDAC、QD6F、DH2F也是加了易切削元素的塑料模具钢。它们在HRC38-42硬度下能顺利切削加工，也能通过氮化处理强化表面。时效硬化模具钢本应先通过固溶处理来降低材料硬度，完成粗精加工成型后再进行500oC左右的保温时效处理。由于实效时从钢中析出镍、铝等金属键化合物，使材料的硬度上升到HRc38-42。这就是所谓的时效硬化或析出硬化。若再向这类时效钢中加入铜之类的易切削元素，便成了易切削时效硬化型塑料模具钢且以HRc38-42的予硬态供应市场。也都有良好的氮化性能。10CrNi3MoALCu、NAK55、NAK80、M261、P21、HPM1、HPM50、PCM40、CENA1属于这类钢种类。

　　G-STAR、E-STAR、PLS则是予硬至HRc38-42的不锈钢类予硬态塑料模具钢。

　　4 较高硬度（HRc48-52）整体淬硬型塑料模具钢

　　整体淬硬达到HRc48-52硬度的塑料模零件常选用两类钢：一类是非耐蚀适合氮化处理的热作模具钢4Cr5MoSiV1（H13、1.2344、W302、DHA1、KDA1S、QD61、SKD61、DAC）。另一类是4Cr13、3Cr17Mo等马氏体不锈钢，相应钢中在前节中已经列出。它们都可以通过淬火回火处理达到Hnc48-52的硬度值。这两类钢可采用真空高压气冷淬火，淬火后充分回火使组织转变充分，应力消除彻底。4Cr5MoSiV1类应采用600oC左右的三次高温回火。4Cr13不锈钢常采用260oC左右的低温二次回火。图3所示的是宁波宁兴特钢实业有限公司代理经销的德国乔志玛林葛利兹钢厂生产的1.234ESR大型锻扁钢；图4为宁波宁兴特钢实业有限公司的进口10大气压的高压气淬真空炉；图5为宁波宁兴特钢实业有限公司配送加工厂。

　　还有一些中、高碳类的碳素钢与合金钢通过淬火回火达到Hnc48-52的硬度值，应用与塑料模具零件上。比如，弹簧钢：65Mn、1.1066；碳素工具钢：T10、T72301、1.1645、SK3；热作模具钢：5CrNiMo、L6、1.2713、SKT4；耐冲击钢：5CrW2Si、S1、1.2542、SkS41；冷作工具钢：9CrWMn、O1、1.2510、SKS3；Cr5Mo1V、A2、1.2363、SkD12；Cr12MoV、D2、1.2601、SkD11以及铬轴承钢GCr15、E52100、1.3505、SVJ2。

　　5 高硬度（HRC56以上）整体淬硬塑料模具钢

　　压制环氧胶、聚脂及加入硬质添加料尼龙、玻璃纤维、金属粉的热固、热塑性塑料成型模需要有很高的耐磨性。锁圈、脱模圈、凸轮等零件也需要更高的硬度来提高模具寿命。这需要高硬度整体淬硬并适合高压气淬真空处理的高碳高合金工具钢，如DC53、D2、Cr12MoV、1.2379、PD613、A2、Cr5Mo1V等。9Cr18、9Cr18MoV、SUS440C等则是淬硬至Hnc56以上的不锈钢类塑料模用钢。这些钢种都有比较高的淬透性，有些还存在碳化物偏析，使用中易产生拆断与开裂。这应在钢种选用和热处理工艺上引起注意。

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