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模具选材教材

學習目標：

1、使用參考資料查表下，能夠自己選用正確的模具材料。

2、使用參考資料查表下，能夠正確說明腐蝕性模具所使用的模具材料。

材料選用：

模具材料的選用適當與否，不但會直接影響到模具壽命、精度、加工性、價值與成本等有很大之影響，而且也會影響到製成品的品質。

近年來塑膠模具隨著各種塑膠成品的迫切需要，不但年年直線增加，而且在內容上也顯著地趨向於產量化，專業化以及精密化，為了達到模具品質的要求，除了模具在加工過程中之技術與設備為必備的條件外，對於模具所採用的材料也愈來愈有嚴格的要求。

茲將模具材料的要求條件的種類、用法分述於後。

在設計模具時，設計人員需先對目前市面上及廠內現有的模具材料，徹底的有所了解。

模具所用的材料通常大部都是屬於金屬材料，所以在選用模具材料時應考慮到產品的壽命，所採用的樹脂、模具的構造、零件的設計、製造價格、成形品的外觀、物性、尺寸精度以及物理與化學性能等因素。

茲將選用模具材料的幾個原則提供給大家作參考。

1、機械加工性好

　　　　　銑削加工、研磨加工、放電加工等模具主要加工的加工性良好。

2、耐摩耗性佳

　　　此為影響模具壽命及模具精度的主要因素。

3、韌性好

　　　模具零件薄肉部分或受衝擊部分需具此特性。

4、耐蝕性優

　　　視成形材料有些會產生腐蝕性氣體，故模具須能耐這些氣體。

5、熱處理特性好

　　　熱處理變形要小。

6、價廉

　　　具市埸性，能快速而便宜地購得。

7、表面加工性良好

　　　研磨性好，容易獲得鏡面，刻字等加工性佳，且無組織不一、硬

度不勻等缺點。

樹脂種類及模具材料選擇之關係：

樹脂所要求模具鋼料之特性，諸如耐磨損性、耐腐蝕性、鏡面特性或預硬化特性等等，必須事先予以明確化，以便能夠適當地選用各種鋼材。

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模具鋼材之基本特性，基本上以耐磨損性材料、耐腐蝕性材料、鏡面拋光型材料以及預硬鋼材等分類。

下列敘述其特徵及其改良等級鋼材之情形。

1、耐磨損性鋼材

針對一些混有玻璃纖維（glassfiber）或金屬粉末之強化型樹脂，其模具必須要求使用高強度及耐磨損性之材料。

以前多使用SKD11等類似之材料，要求的是極小限度的熱處理變形量，現在，漸漸地被HPM31等鋼材所代替。

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表一　樹脂用模具鋼材依用途之選用基準

用途

代表的樹脂以及製品

模具鋼材之要求特性

適用之鋼材種類

一般

熱可

塑性

，熱

硬化

性樹

脂

一般

聚醛樹脂

耐隆類

ABS

電氣零件

齒輪，軸承機械零件散熱器柵板

高強度+耐磨損性

HPM2HPM1FDAC

以需求而定

DAC

HPM31

PP（聚丙烯）

電扇用葉片基座

紋理

ABS

汽車用內裝飾板音響器材護蓋

上述+蝕紋加工性

HPM2,HPM1

精密飾紋用

HPM17,HPM50

透

明

物

壓克力樹

汽車尾燈

上述+高級拋光加工性

HPM17,HPM50

HPM38（高級拋光）

HPM1（一般拋光）

混入玻璃纖維可塑性，熱硬化性樹脂

熱可塑性

PE（聚乙烯）

ABS

電子零件

汽車用內裝飾板

電動工具外殼

高度之耐磨損性

HPM1

DAC

SLD

熱硬化性

碳酸樹脂

尿素樹脂

氮化石灰樹脂

齒輪類，電氣零件

餐具

化粧品

UL規格用（添加難燃劑型等）

ABC

聚苯乙烯

電視機外殼，陰極射線管覆蓋音響器材基板

適度之強度+耐蝕性

HPM38

PVC

聚氯乙烯

電話器，漏水管，絕緣管，接頭

耐蝕性

HPM38

2、

耐腐蝕性

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聚氯乙烯類（polyvinylchloride）、難燃樹脂、氟素樹脂、發泡樹脂等，均要求模具鋼材的耐腐蝕性。

3、鏡面加工特性

光學用塑膠鏡片，大形透明覆蓋零件類以及彩色樹脂用於表現鮮明色色彩之射出成形時，都需要高度的鏡面加工特性。

這種鋼材首先要求的必要條件是不允許發生氣泡的特性，因此鏡面加工用鋼料，通常多係樹脂成形用專用鋼材，而且係採用特殊溶解法製造而成。

4、預硬化型鋼料

預硬鋼（調質鋼），在模具直接加工後即可使用，可以避免因熱處理時所發生的一切困擾。

而且由於硬度分佈均一之故，鏡面加工及蝕紋加工時不容易發生不均之現象。

5、非磁性用

磁性塑膠（成形時，由於射出成形作業中磁場對模具鋼料之影響，因此應選用非磁性特性之鋼料為宜，適當之鋼料有YHD50（HRC42-47）、（SUS304+氮化）等良好的非磁性及高耐磨損性。

蝕刻加工所必要使用的鋼材

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施以蝕紋加工的製成品，從汽車到家電、化粧品、其他塑廣泛地被使用著。

所使用的模具也由超大型至小型等種類繁多。

此類蝕紋加工所使用鋼材的必要條件乃在於一品質的表面加工特性。

蝕紋的加工原理，乃是利用化學葯品，因浸蝕作用而使模具表面產生各種花紋的飾樣。

浸蝕程度所引起飾紋之不同，可依飾紋樣板來決定，通常可分類為一般飾紋、皮革飾紋、精密飾紋等。

蝕刻加工用的鋼材特性條件有：

1、良好的淬火特性，可以獲得由外至內均一的熱處理硬度。

2、鋼材中所含一次析出碳化物粒子應當分布均勻且細小。

3、鋼材中偏析存在的非金屬介在物成分應保持最低限度，亦即鋼料應採用特殊溶解法之製造材料。

鋼料中應不存有快削之元素。

或是調節快削成分元素及各合金成分之含量，以使快削之特性消失時亦可。

需要耐蝕性之模具所必須使用之鋼材：

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聚氯乙烯樹脂以及家庭電器製品所使用的難燃性樹脂，或密合墊、電線絕緣套等所使用的氟素樹脂，或其它發泡性樹脂原料等等。

塑料在射出成形時，常引發腐蝕性之氣體，都屬於易於在成型中引發腐蝕氣體的樹脂原料。

這些樹脂原料所使用的模具腐蝕問題，便自然而然地發生了。

耐腐蝕最好的對策是使用不銹鋼料。

最近則除了耐蝕性之外，更結合了耐磨損性、熱處理變形防止特性等考慮因素。

要求鏡面加工時必要使用之模具鋼材：

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光學用塑膠鏡片、大型透明覆蓋等必須具備透明特性的樹脂以及化粧品盒等使用具備色彩之樹脂等，都必須使用一些能夠加工得到鮮明表面或高度鏡面加工特性，再兼具適當的機械特性等模具鋼材。

一、不利於鏡面加工特性之各種因素

（1）非金屬性介在物

因特殊溶解法所製成鋼料中所存在的矽酸鹽、鋁、硫化錳等化學物都會給與鏡面加工特性不利之影響。

改善之方法，可改用真空溶解法等特殊法來製造鋼料。

（2）因熱處理而變為粗劣之組織及氣孔

淬火用之鋼材，在加熱至淬火必要溫度以上而施以淬火冷卻時，即產生晶粒之粗化，而使組織形成粗大劣化之現象。

使用這種熱處理後之鋼料，施以鏡面加工時，極可能產生縐紋狀等略為起伏狀態之表面。

此時，若再加以熱處理產生脫碳時，則在施加鏡面加工時，將會發現氣孔現象。

脫碳氣孔將分布於拋光之全體加工之鏡面上，無纖維狀態是其特徵之一。

（3）淬火組織之變化

S50C、SCM3級之鋼料於淬火後，在鋼材表層及內部組織之間，有相當之差異的硬度分布狀態，因此很難在研磨時獲得均一之鏡面特性如圖３所示。

這種現象與特殊鋼料所不同的是，由於淬火性較差之故，使得鋼材心部（中心部）極易產生肥粒鐵及層狀的波來鐵之故。

二、鏡面加工特性及材料

鏡面加工特性，原則上雖然受到合金元素成分的多寡及模具鋼材硬度之影響，但基本上被施以高硬度處理之鋼材，較易達到鏡面性提高的要求。

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鏡面特性之分辨可以由圖４中，容易地加工區別，其中最佳鏡面特性的鋼材YAG，在光學鏡片的使用上最具備優良的性能。

其次是，使用在泛用塑膠鏡片或影碟機，或光碟（雷射）唱盤中等高級鏡面需求的產品模具上的HPM38亦是極為優秀的鋼料。

圖4　HPM系列鋼材的鏡面加工特性區分

三、機械性質及材料

何謂具備快削性的模具用鋼材：

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近年來由於塑膠模具已逐漸應用在類似汽車、家電器具、事務機器等大型製品上，因此在需求增加而導致模具鋼材，除了要求縮短進貨期限以外，並要求減少熱處理上的工時，結果導致預硬鋼材的大量使用。

但是如果使用現有普通構造用鋼時，當施以預先硬化熱理而達到HRC30~40以上時，則必大大地減少低其被削性，結果導致加工工時的提高。

鋼料表面處理之種類及其特性：

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隨著最近樹脂材本身高強度化、耐熱化等特性長足的進步，模具鋼料則更被要求比以往更高的耐磨性、耐蝕性，但是。

由於要在耐磨性及耐蝕性達到兩全其美的境界，仍舊非常困難之故，最終的作法，只好依靠合併使用表面處理的方法。

很幸運的是，最近的表面處理技術顯示飛躍的進步，種種表面處理上的技術問題，如耐磨性、耐蝕性、耐氧化性、密著性、因表面處理加熱引起的變形、耐燒焦性、耐疲勞強度等已逐漸地被解決。

表五顯示表面處理法之種類，碳化物皮膜鍍膜處理法之比較，表面處理之硬及硬化深度等表面處理方法之特性比較.

表五　表面熱處理的方法

分類

表面處理法

供給物

形成層

化學

的

方

法

廣散

滲碳

固體滲碳、氣體滲碳、離子滲碳、氯酸鹽滲碳、真空滲碳。

碳化物+擴散層

氮化

氣體氮化、氣體軟氮化、氯酸鹽化、離子氮化。

氮化物+擴散層

滲碳

硫化物

滲硫氮化

硫化法

S+N

硫化物+氮化物

水蒸氣處理

氧化物

滲硼

滲矽

滲鋁

滲鉻

粉末法，塗附法

溶融氯化鹽浸漬，溶融氯化鹽電解

硼擴散層

矽擴散層

鋁擴散層

鉻固溶體

溶融氯酸鹽法

（厚膜）

（TD程序）

金屬

碳化物

物

理

的

方

法

蒸著

化學蒸著

（CVD）

金屬鹽

碳酸氣

+氮氣

氧氣

碳化物

氮化物

氧化物

電鍍

電氣鍍膜，無電解鍍膜

金屬

電鍍金屬層

蒸著

真空蒸著

噴射法

離子鍍膜

（PVD）

活性化反應蒸著

反應性噴射

高週波噴射

RF離子鍍膜

HCD離子鍍膜

金屬

碳酸氣

+氮氣

氧氣

碳化物

氮化物

氧化物

放電硬化

浸透處理

WC+擴散層

溶射

氣體溶射、電弧溶射、電氣溶線溶射、粉未溶射。

金屬、碳化物、氧化物

鍍金

金屬

混合物

離子注入

金屬

合金層

表面熱處理

高週波淬火、火焰淬火、電射

淬火硬化層

1、表面處理方法之種類

現在，較被採用於塑膠模具上鋼材的表面處理方法以屬於擴散法的氮化表面處理，及溶融鹼性槽浸透法為主。

其他如物理的蒸著鍍模之PVD法及化學蒸著鍍膜的CVD法也漸漸被採用。

2、碳化物皮膜處理法之比較

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溶融氯化鹽法，CVD，PVD之表面皮膜處理法之比較如表７所示。

3、表面處理之硬度及硬化深度

基本上使用浸透處理法所得到的多為較低硬度之表面。

但是硬化深度卻較深。

相反的，蒸著處理法之硬度較高，但硬化深度卻較淺。

（如圖６）

四表面處理方法之比較

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塑模鋼材表面處理之結論如表七敘述一般，對於需要良好耐磨損，耐腐蝕等塑膠模具，以碳化物被覆的處理法較為適當，而一般耐磨損，一般耐腐蝕的塑膠模具來說則可以使用通常採用的氮化表面處理法。

表七碳化物被覆處理法之比較

溶融鹽法

CVD

PVD

方

法

處理溫度

800~1100C

600C以下

處理時間

2~8hr

1~3hr

約1hr

被覆物質

VC，NbC，

，Fe-Cr

碳化物、氮化物

氧化物、硼化物

碳化物、氮化物

氧化物、硼化物

被

處

理

材

形狀

複雜形狀可

對蒸發源言，陰極部份無法產生著之作兼用

化學成分

銅（0.3%C以上）

低融點物質不同

玻璃、非鐵等均可

後處理

可處理並同時淬火，高速鋼要再淬火再回火。

必須再淬火再回火（工具鋼使用時）

高速鋼處理後即可使用。

不必高溫回火（500C以上）之鋼種需要再淬火再回火。

變形

小徑材5

大徑材10

（有熱理處變形）

3~5

（有熱處理變形）

很少

被覆模特性

膜厚

數~10數

數~數mm程度

A~數

硬度

HV1000以上

（依鍍膜物質而不同）

HV1000以上

（依鍍膜物質而不同）

HV1000以上

（依鍍膜物質而不同）

密著性

良好

（有擴散層）

良好

（有擴散層）

密著性仍有不安定之現象

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對於精密耐磨損，耐蝕型的塑膠模具，可以使用PVD表面處理方法，但是對於一些在射出成形時局部感受大熱量之沖擊時的大型模具，由於模具構造複雜之故，於鎖模時，在合模線上極易產生偏負載而發生應力集中的現象。

此種狀況，以使用浸透處理法或CVD方法較佳。

圖６　各種表面處理法之硬度及硬化深度之關係

表八各種表面處理方法之特性比較

處理法

特性

氮

化

碳化物被覆

浸

硼

電

鍍

鉻

浸

透

溶融鹽

CVD

PVD

耐磨損性

耐燒焦性

靭性

疲勞強度

耐熱性

耐蝕性

耐剝離性

熱處理變形

形狀、大小之限制

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　　　　　　　　　（最佳，良好、普通、不佳）

電腦輔助塑膠模具設計製造能力本位訓練教材

材

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料

選

用

附

錄

編號：

PM-CPM0203

附表三　模具構造零件適用材料表

項目

零件名稱

材料

熱處理

硬度

零件側固定板

SS41,SS50,S25C~S55C

鍛壓，正常化或淬回火

固定側型模板

S50C,S55C,SCM4,SK7

退火，正常化或淬回火

可動側型模板

S50C,S55C,SCM4,SK7

退火，正常化或淬回火

流道剝料板

S50C,S55C,SCM4,SK7

退火，正常化或淬回火

剝料板

S50C,S55C,SCM4,SK7

退火，正常化或淬回火

承板

S50C,S55C,SCM4,SK7

退火，正常化或淬回火

間隔塊

SS41,SS50,S25C~S55C

鍛壓，正常化或淬回火

頂出板

SS41,SS50,S25C~S55C

鍛壓，正常化或淬回火

可動側固定板

SS41,SS50,S25C~S55C

鍛壓，正常化或淬回火

心型

S50C,S55C,SCM4,SK7,SNC3,SKS2,SKD11,SKD61

正常化，退火或淬火回火

定位環

S50C,S55C,SK7

鍛壓或正常化，退火

注道襯套

SK5~SK7,SCM4

正常化或淬火回火

導銷

SK3,SK5,SUJ2,SKS2,SKS3

淬火回火

導銷襯套

SK3,SK5,SUJ2,SKS2,SKS3

淬火回火

注道抓套

SK3~SK5,SKS2,SKS3,SACM1

淬火回火，或氮化

頂出銷

SK3~SK5,SKS2,SKS3,SACM1

淬火回火，或氮化

頂出套筒

SK3~SK5,SKS2,SKS3,SUJ2

淬火回火

回位銷

SK3,SK5,SKS2,SKS3

淬火回火

停止銷

S25~S55C,SK3~SK5

鍛壓，正常化，淬火回火

定位銷

S25~S55C,SK3~SK5

鍛壓，正常化，淬火回火

頂出板導銷

SK3~SK5,SKS2,SKS3,SUJ2

淬火回火

支座

S25C,S55C

鍛壓，正常化或淬火回火

頂出桿

S25C,S55C

鍛壓，正常化或淬火回火

止動螺栓

S25C,S55C

鍛壓，正常化或淬火回火

流道抓銷

SK3~SK5,SKS2,SKS3,SACM1

淬火回火或正常化

連桿（張力環）

SS41,SS50,S25C~S55C

淬火回火或正常化

連桿用螺栓

S25C~S55C

淬火回火或正常化

鏈條配件

SS41,SS50,S25C~S55C

淬火回火或正常化

鏈條配件用螺栓

S25C~S55C

淬火回火或正常化

側向心型

SK3,SK7,SKS3,SKD11,SCM3~

SCM4

淬火回火或正常化

側向心型導承塊

SK3,SK5,SKS3

淬火回火

滑動保持件

S50C~S55C

鍛壓，正常化

定位件

S50C,S55C,SK3~SK5,SKS2,SKD11

淬火回火或正常化

斜角銷

SK3~SK5,SKS2~SKS3,SUJ2

淬火回火

斜角凸輪

S50C,S55C,SK3,SKS2

淬火回火或正常化

塞

S20C,S30C

淬火回火或正常化

表十四　模具材料與模具壽命參考表

模具類別

主要模具材料

成形品名稱

使用之成形材料

模具壽命

塑膠模

PDS3

廚具

20萬次

塑膠模

PDS3

面

PS、ABS

30萬次

塑膠模

PDS1

電子儀錶

塑膠

15萬次

塑膠模

KST1（日本神戶）

機車檔板

ABS

5萬次

塑膠模

SKD61

日用五金

尿素

10萬次

塑膠模

化粧品盒

PVC、PC

30萬次

塑膠模

NAK55

化粧品盒

PVC、PC

50萬次

塑膠模

SKT1、SK3、S45C

啤酒箱

HDPE

60萬次

塑膠模

S45C、SCM4

海飄零件

HDPE、PP

15萬次

塑膠模

NAK55、FDAC

照相機等

ABS、PC

50萬次

塑膠模

NAK55、FDAC

縫紉機配件等

PC、尼龍、PET、PBT

30萬次

塑膠模

P20（美國）

玩具

ABS、PC

20萬次

射出模

S45C、SCM、SKD

馬桶

PVC

20萬次

塑膠模

NAK55

錄音帶盒

60萬次

電木模

FDAC（的日本日立）

低壓開關零件

電木

5萬次

電木模

SKD61

低壓開關零件

電木

8萬次

塑膠射出模

PDS3、PDS1

洗衣槽

15萬次

塑膠模

PDS3（日本大同）

計算機

ABS塑膠

20萬次

射出模

PSSAB718（瑞典）

X-YControl

ABS塑膠

50萬次

射出模

TDAC（日本日立）

12m/mCORC

PP塑膠

50萬次

射出模

TDAC

10ψ，13ψ馬達表

Duracon塑膠

50萬次

射出模

NAK55（日本大同）

電話機上下殼

ABS塑膠

50萬次

射出模

HPM1（日本日立）

電腦外殼

NORYL塑膠

50萬次

射出模

PDS5（日本大同）

汽車門鎖

Duracon塑膠

50萬次

酚樹脂模

SKD61

電器配件

酚樹脂（電木）

10萬次

塑膠模

SK3

機車零件

Plastic、橡膠鋁合金

30萬次

塑膠模

PDS3

洗衣機

Plastic

30萬次

塑膠模

ASSAB718、PDS3

電視機外殼

Plastic

30萬次

塑膠模

NAK55

透明鏡片

壓克力PS

20萬次

塑膠模

SKD61、FDAC

BOBBIN、電錶

PC、DELRIN、NORYL

20萬次

塑膠模

SKD11

電腦零件

PC、NORYL

20萬次

塑膠模

ASSAB8407

透明零件

壓克力PS

20萬次

塑膠模

S60C

一般性產品

ABS、PP、PS、AS

20萬次

塑膠模

TDAC

錄影帶

ABS

100萬次

電木射出模

TDAV氣化

電磁

電木

30萬次

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附表１５　硬度換算表

維克氏硬度

勃氏硬度（

）10m/m3000kg

洛氏硬度（

）

蕭氏硬度（

）

抗拉強度

A級

B級

C級

940

85.6

68.0

920

85.3

67.5

900

85.0

67.0

880

84.7

66.4

860

84.4

65.9

840

84.1

65.3

820

83.8

64.7

800

83.4

64.0

780

83.0

63.3

760

82.6

62.5

740

82.2

61.8

720

81.8

61.0

700

81.3

60.1

690

81.1

59.7

680

80.8

59.2

231

670

80.6

58.8

228

660

80.3

58.3

224

650

80.0

57.8

221

640

79.8

57.3

217

630

79.5

56.8

214

620

79.2

56.3

210

610

78.9

55.7

207

600

78.6

55.2

203

590

78.4

54.7

200

580

78.0

54.1

196

570

77.8

53.6

193

560

77.4

53.0

189

550

505

77.0

52.3

186

540

496

76.7

51.7

183

530

488

76.4

51.1

179

520

480

76.1

50.5

176

510

473

75.7

49.8

173

500

465

75.3

49.1

169

490

456

74.9

48.4

165

480

448

74.5

47.7

162

470

441

74.1

46.9

157

460

433

73.6

46.1

155

450

425

73.3

45.3

150

440

415

72.8

44.5

148

430

405

72.3

43.6

143

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