塑料模具材料

小菊 · 发表于 2006-9-29 16:17:52

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wanglinyou · 发表于 2008-12-26 10:36:15

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3-3 LJ钢的化学成分（质量分数）（%）
C Mn Si Cr Ni Mo V
≤0.08 ＜0.3 ＜0.2 3.6～4.2 0.3～0.7 0.2～0.6 0.08～0.15

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3-4 12CrNi3A钢的化学成分（质量分数）（%）
C Si Mn Cr Ni P、S
0.09～0.16 0.17～0.37 0.30～0.60 0.60～0.90 2.75～3.25 ≤0.025

2.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3-5 3Cr2Mo钢的化学成分（质量分数）（%）
C Si Mn Cr Mo P、S
0.28～0.40 0.20～0.80 0.60～1.00 1.40～2.00 0.30～0.55 ≤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3-6 P20钢室温力学性能
硬度HRC σb/Mpa σ0.2/MPa δ5(%) ψ(%) αk/(J/cm2)
30 1250 1140 14 58 11.5

4.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3-7 P4410的化学成分（质量分数）（%）
C Mn Si Cr Mo Ni P S
0.28～0.40 0.60～1.00 0.20～0.80 1.40～2.00 0.30～0.55 0.80～1.20 ≤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3-8 P4410钢的力学性能
试验温度/℃ σb/MPa σs/MPa δ(%) ψ(%) αk/(J/cm2) HRC
室温 1120 1020 16 61 96 35
200 1006 882 13.6 56 — —
400 882 811 14.0 67 — —

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Ra 0.1μm。
（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Ra 0.2～0.1μm，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3-9 5NiSCa钢的化学成分（质量分数）（%）
C Cr Ni Mn Mo V S Ca
0.57 0.89 1.03 1.19 0.52 0.26 0.028 0.0036

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3-10 5NiSCa钢不同温度淬火及回火后的力学性能
淬火/℃ 回火/℃ σ0.2/Mpa σb/MPa σbc/MPa δ(%) ψ(%) αk/(J/cm2) HRC
880 575 1240.7 1274.0 1271.1 8.8 42.1 46.1 45.5
625 1240.7 1274.0 1271.1 8.8 42.1 46.1 39
650 1008.4 1045.7 1011.4 9.0 45.3 56.8 36
900 575 1364.2 1430.8 1442.6 7.9 39.6 42.1 47
625 1252.4 1291.6 1355.3 8.3 41.7 49 41.5
650 1061.3 1084.9 1110.3 10.5 47.0 66.6 37

4.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3-11 SM1钢化学成分（质量分数） (%)
C Mn S P Cr Ni Mo V Si
0.50～0.60 0.80～1.20 0.080～0.150 ＜0.030 0.80～1.20 1.00～1.50 0.20～0.50 0.10～0.30 ＜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3-12 SM1钢的力学性能
σb/MPa σ0.2/Mpa δ5(%) ψ(%) αk/(J/cm2) 硬度HRC
1176 980 15 45 44 35

4.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3-13 25CrNi3MoAl钢的化学成分（质量分数）（%）
C Cr Ni Mo Al Si Mn S、P
0.2～0.3 1.2～1.8 3.0～4.0 0.2～0.4 1.0～1.6 0.2～0.5 0.5～0.8 ≤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3-14 25CrNi3MoAl钢经不同温度固溶处理后的硬度
加热温度/℃（保温30min） 830 920 960 1000
硬度HRC 50 48.5 46.4 45.6

表3-15 25CrNi3MoAl钢时效处理后的硬度
时效温度/℃ 500 520 540
硬度HRC 35.5～38 39～41 39～42

（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3-16 25CrNi3MoAl钢的室温力学性能
HRC σb/Mpa σs/MPa δ(%) ψ(%) αk①/(J/cm2)
39～42 1260～1350 1170～1200 13～16.8 55～59 45～52
① αk 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Ra 0.2～0.025μm，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3-17 18Ni类钢的化学成分和力学性能
18Ni钢级别化学成分（w，％）热处理工艺 σs/MPa σb/MPa δ(%) ψ(%) 硬度HRC
Ni Co Mo Ti Al
140级 17.5～18.5 8～9 3.0～3.5 0.15～0.25 0.05～0.15 815℃±10℃固溶处理1h空冷，经480℃±10℃时效3h，空冷 1350～1450 1400～1550 14～16 65～70 46～48
170级 17～19 7.0～8.5 4.6～5.2 0.3～0.5 0.05～0.15       1700～1900 1750～1950 10～12 48～58 50～52
210级 18～19 8.0～9.5 4.6～5.2 0.55～0.80 0.05～0.15       2050～2100 2100～2150 12 60 53～55

马氏体时效钢碳质量分数极低（约0.03%），目的是改善钢的韧性。因这类钢的屈服强度有1400MPa，1700MPa，2100MPa三个级别，可分别简写为18Ni140级、18Ni170级和18Ni210级，也分别对应国外的18Ni250级、18Ni300级和18Ni350级。
18Ni马氏体时效钢中起时效硬化作用的合金元素是钛、铝、钴，钼。18Ni中加入大量的镍，主要作用是保证固溶体淬火后能获得单一的马氏体，其次Ni与Mo作用形成时效强化相Ni3Mo，镍的质量分数在10%以上，还能提高马氏体时效钢的断裂韧度。
18Ni类钢主要用在精密锻模及制造高精度、超镜面、型腔复杂、大截面、大批量生产的塑料模具。但因Ni、Co等贵重金属元素含量高，价格昂贵，尚难以广泛应用。
（三）06Ni6CrMoVTiAl（06Ni）钢
06Ni6CrMoVTiAl钢属低镍马氏体时效钢。该钢突出优点是热处理变形小，抛光性能好，固溶硬度低，切削加工性能好，具有良好的综合力学性能以及渗氮、焊接性能。因为合金含量低，其价格比18Ni型马氏体时效钢低得多。
1.化学成分及相变点
低碳马氏体时效钢的硬化机理是在马氏体基体中析出金属间化合物而产生硬化，这首先要求低含碳量，并含有时效硬化元素，以提高钢的时效硬度。06钢化学成分见表3-18所示。
　　　　表3-18 06Ni6CrMoVTiAl钢的化学成分（质量分数）（%）
C Ni    Cr Mo Ti Al V Mn    Si P、S
0.06 5.5～6.5 1.3～1.6 0.9～1.2 0.9～1.3 0.6～0.9 0.08～0.16 ≤0.5 ≤0.6 ≤0.03

相变点Ac1705℃、Ac3836℃、Ar1425℃、Ar3525℃、Ms512℃、Mf395℃。
2.热加工工艺
（1）锻造：加热温度1100～1150℃，终锻温度≥850℃，锻后空冷。
（2）软化退火：可采用680℃高温回火处理达到软化目的。
（3）固溶处理：固溶是时效硬化钢必要的工序，通过固溶既可达到软化目的，又可以保证钢材在最终时效时具有硬化效应。固溶处理可以利用锻轧后快速冷却实现，也可以把钢材加热到固溶温度之后油冷或空冷实现。
固溶处理后，采用的冷却方式不同，对固溶及时效硬度影响很大。如820℃固溶后，空冷硬度为26～28HRC，油冷硬度为24～25HRC，水冷硬度为22～23HRC。固溶后冷速越快，硬度越低，但时效后硬度值却更高。
06钢的时效硬度比18Ni类高合金马氏体时效钢固溶硬度（28～32HRC）低，故而切削加工性能优于高合金马氏体时效钢。
推荐的固溶处理工艺：固溶温度800～880℃，保温1～2ｈ，油冷。
（4）时效处理：推荐的时效工艺：时效温度500～540℃，时效时间4～8ｈ，硬度为42～45HRC。
3.力学性能
测得的不同温度下06钢的力学性能见表3-19。
表3-19 06钢室温和高温力学性能
试验温度/℃ σb/Mpa σ0.2/MPa δ(%) ψ(%) αk/(J/cm2)
室温 1478 1422 9.3 37.2 3.4
100 — — — — 1503
200 1292 1262 11.2 54.2 36.8
300 1238 1197 10.5 53.3 41.7
400 1153 1128 13.7 56.5 51.9

由表3-19可见，随着试验温度的增加，虽然钢的强度有所下降，但塑性和韧性都迅速增加。在使用温度状态下，钢的韧性有较大增加。
4.实际应用
马氏体时效钢06Ni6CrMoVTiAl已分别应用在化工、仪表、轻工、电器、航空航天和国防工业部门，用以制作磁带盒、照像机、电传打字机等零件的塑料模具，均收到很好效果。
该钢制作的录音机磁带盒塑料模具寿命可达200万次以上，压制的产品质量可与进口模具压制的产品相媲美；制作收录机磁带盒塑料模具，其平均寿命达110万次以上。
（四）10Ni3CuAlMoS（PMS）镜面塑料模具钢
光学塑料镜片、透明塑料制品以及外观光洁、光亮、质量高的各种热塑性塑料壳体件成形模具，国外通常选用表面粗糙度低、光亮度高、变形小、精度高的镜面塑料模具钢制造。
镜面性能优异的塑模钢，除要求具有一定强度、硬度外，还要求冷热加工性能好，热处理变形小。特别是还要求钢的纯洁度高，以防在镜面出现针孔、桔皮、斑纹及锈蚀等缺陷。
PMS镜面塑料模具钢是一种新型的析出硬化型塑料模具钢，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形。
1.化学成分及相变点
PMS钢的化学成分见表3-20，碳质量分数限制在0.2%以下，保证钢的热加工性能及热处理后的韧性，Ni、Al的加入是为了保证时效硬化后钢的硬度（40HRC左右）。
表3-20 PMS钢的化学成分（质量分数）（%）
C Si Mn Ni Cu Al Mo P、S.
0.06～0.16 ≤0.35 1.4～1.7 2.8～3.4 0.8～1.2 0.7～1.1 0.2～0.5 ≤0.01

相变点Ac1675℃、Ac3821℃、Ar1382℃、Ar3517℃、Ms270℃。
2.工艺性能
（1）锻造：PMS钢有良好的锻造性能，锻造加热温度1120～1160℃，终锻温度≥850℃，锻后空冷或砂冷。
（2）固熔处理：固溶处理的目的是为了使合金元素在基体内充分溶解，使固溶体均匀化，并达到软化，便于切削加工。经840～850℃加热3ｈ固溶处理，空冷后的硬度为28～30HRC。
（3）时效处理：钢的最终使用性能是通过回火时效处理而获得的，钢出现硬化峰值的温度约为510℃±10℃，时效后硬度为40～42HRC。
（4）变形率：PMS的变形率很小，收缩量＜0.05%，总变形率径向为-0.11％～0.041％，轴向为-0.021%～0.026%，接近马氏体时效钢。
3.力学性能
PMS钢经840～850℃加热保温空冷固溶处理，再经510℃及530℃时效处理后的力学性能，见表3-21所示。
表3-21 PMS钢不同温度时效后的力学性能
钢种时效温度/℃ 硬度/HRC σb/MPa σs/MPa δ5(%) ψ(%) αk/(J/cm2)
PMS钢（含S） 510 42.5 1303.5 1169.1 16 49.2 14.7～17.1
530 41.4 1292.7 1194.6 15 52.7 20.6
PMS钢（低S） 510 42.7 1331.9 1264.5 14.7 47.8 21.6
530 41.8 1252.5 1191.7 14.6 55.7 21.6

4.实际应用
PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。
例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。
PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。
PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。
（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢
1.化学成分及相变点
Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。
表3-22 SM2钢化学成分（质量分数） (%)
C Mn S P Cr Ni Mo Al Si
0.17～0.23 0.80～1.20 0.080～0.150 ＜0.030 0.80～1.20 3.00～3.50 0.20～0.50 1.00～1.50 ＜0.40

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。
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： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。
（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。
3.力学性能
经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。
表3-23 SM2钢的力学性能
σb/MPa σ0.2/Mpa δ5(%) ψ(%) αk/(J/cm2) 硬度HRC
1176 980 15 45 54 35

4.实际应用
Y20CrNi3AlMnMo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。
五、耐蚀塑料模具钢PCR
0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。
（一）PCR钢的化学成分及相变点
PCR钢的化学成分见表3-24。

表3-24 PCR钢的化学成分（质量分数）（%）
C Mn Si Cr Ni Cu Nb S、P 其它
≤0.07 ＜1.0 ＜1.0 15～17 3～5 2.5～3.5 0.2～0.4 ≤0.03 添加特殊元素

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。
（二）力学性能
见表3-25。
表3-25 PCR钢时效处理后的力学性能
热处理规程 σb/Mpa σs/MPa σsc/MPa δ5(%) ψ(%) αk①/(J/cm2) HRC
950℃固溶460℃时效 1324 1211 — 13 55 50 42
1000℃固溶460℃时效 1334 1261 — 13 55 50 43
1050℃固溶460℃时效 1355 1273 1442 13 56 47 43
1100℃固溶460℃时效 1391 1298 — 15 45 41 45
1150℃固溶460℃时效 1428 1324 — 14 38 28 46
① C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能
1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。
钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。
2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。
3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。
4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。
（四）实际应用
PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。
具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。
聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。
四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。
六、其它塑料模具材料
（一）铜合金
用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。
（二）铝合金
铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。
（三）锌合金
用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26
表3-26 Zn-4Al-3Cu的化学成分（质量分数）（%）
Al Cu Mg Zn
3.9～4.5 2.8～3.5 0.03～0.06 约92

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。
用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，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。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。
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等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→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等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。
4.碳素工具钢及合金工具钢制模具
例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→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）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。
二、塑料模具的热处理特点
（一）渗碳钢塑料模的热处理特点
1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。
2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。
3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。
4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。
（二）淬硬钢塑料模的热处理
1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。
2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。
3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。
（三）预硬钢塑料模的热处理
1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。
2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。
3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。
表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺
钢号加热温度/℃ 冷却方式回火温度/℃ 预硬硬度HRC
3Cr2Mo 830～840 油冷或160～180℃硝盐分级 580～650 28～36
5NiSCa 880～930 油冷 550～680 30～45
8Cr2MnWMoVS 860～900 油或空冷 550～620 42～48
P4410 830～860 油冷或硝盐分级 550～650 35～41
SM1 830～850 油冷 620～660 36～42

（四）时效硬化钢塑料模的热处理
1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。
2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。
3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。
表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范
钢号固溶处理工艺时效处理工艺时效硬度HRC
06Ni6CrMoVTiAl 800～850℃油冷 510～530℃×（6～8）h 43～48
PMS 800～850℃空冷 510～530℃×（3～5）h 41～43
25CrNi3MoAl 880℃水淬或空冷 520～540℃×（6～8）h 39～42
SM2 900℃×2h油冷+700℃×2h 510℃×10h 39～40
PCR 1050℃固溶空冷 460～480℃×4h 42～44
三、塑料模的表面处理
为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。
1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。
2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。
适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。

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