塑料模具材料.docx

1、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,DT2,0Cr4NiMo V预硬 型3Cr2Mo,Y20CrNi3AlMnMo(SM2, 5NiSCa,丫55CrNiMnMo V(SM1, 4Cr5MoSiVS,8Cr2Mn -WMoVS(8C

2、rMn调质 型45,50,55,40Cr,40Mn,50Mn,S48C, 4Cr5MoSiV ,38CrMo AlA耐蚀 型3Cr13,2Cr13,Cr16Ni4Cu3Nb(PCR, 1Cr18Ni9,3Cr17Mo,0Cr 17Ni4Cu4Nb(74PH淬硬 型T7A,T8A,T10A,5CrNiMo,9SiCr, 9CrWMn,GCr15,3Cr2 W8V,Cr12MoV, 45Cr2NiMoVSi,6CrN iSiMnMoV(GD时效 硬化 型18Ni140 级,18Ni170 级,18Ni210 级, 10Ni3MnCuAI(PMS,1 8Ni9Co, 06Ni16MoVTiAI,25

3、CrN i3MoAl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5862HRC。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

4、冷成形 专用钢0Cr4NiMoVLJ ）。现介绍两个典型钢种。一） 0Cr4NiMoVLJ ）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）%）CMnSiCrNiMoV 0.08v 0.3v 0.23.60.30.20.08 4.20.70.60.15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 C，始锻温度 1200 C，终锻温度900Co退

5、火工艺：加热880C,保温2 h,随炉缓冷至 冷速约 40C/h)650C后出炉空冷，退火硬度 100105HBS，可 顺利地进行冷挤压成形。固体渗碳工艺：加热 930CX 68)h,渗后在 850 870C油淬，再进行 200220CX 2h的低温回火，热处理 后表面硬度 5860HRC ,心部硬度为 2729HRC ,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。因 为渗碳淬硬层较深，基体硬度高，不会出现型腔表

6、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）%)CSiMnCrNiP、S0.09 0.17 0.3 0 0.6 0 2.75 W 0.0250.160.370.600.903.252.工艺性能：锻造加热温度为1200 C,始锻温度 1150 C，终锻温度大于 850

7、C,锻后缓冷，锻后必须软化退火。退火工艺：740760C加热，保温 46 h后以510C /h的速度缓冷至 600 C,再炉冷至室温，退火后的硬度v 160HBS，适于冷挤压成形。正火工艺：870900 C加热并保温 34 h后空冷，正 火后硬度W 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 C保温67h,可获得0.91.0mm的渗碳层，渗碳后 预冷至800850 C直接油淬或空冷，淬火后表层硬度可达 5662HRC，心部硬度为 250380HBS，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

8、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

9、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。因为该钢强韧性高、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

10、度。这类钢的特点是在硬度 3040HRC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） 3Cr2MoP20 ）塑料

11、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 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） %）CSiMnCrMoP、S0.28 0.20 0.6 0 1.40 0.3 0 0.0300.400.80 1.002.000.55 相变点为A c1770 C、Ac3825 C、Ar1640 C、Ar3760 C、Ms300C、M f120 C。2.工艺性能1 ）锻造：加热温度 11001150C，始锻温度 10501100C，终锻温度850 C,锻后空冷。2 ）退火：加热温度

12、 850 C,保温 24h，等温温度720C,保温 46h,炉冷至500C,出炉空冷。3）淬火及回火：淬火加热温度 860870 C,油淬，540580 C回火。预硬态硬度为 3035HRC。书(%ak/(J/cm23012501140145811.54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13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

13、模具等二） 3Cr2NiMoP4410 ）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）书(%ak/(J/cm 2HRC室温1120102016619635200100688213.65640088281114.067P4410钢在硬度值为 3236HRC范围内，具有良好的 车、铳、磨等加工性能。P4410钢也可采用火焰局部加热淬火，加热温度 800825

14、C,在空气中或用压缩空气冷却，局部表面硬度可达 5662HRC，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 370420HV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3036HRC ）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） 8Cr2MnWMoVS8Cr2S ）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

15、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 0100mm以上，空淬硬度为 61.562HRC ,热处理变形小。 当860900C淬火，160300C回火时，轴向总变形率V 0.09%，径向总变形率V 0.15%。2）切削性能好：退火硬度为 207239HBS，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

16、，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 0.1 口 m。4）表面处理性能好：渗氮性能良好，一般渗氮层深达0.20.3mm，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 12个数量级，表面粗造度低12级，使用寿命普遍高 23倍，有的高十几倍。四） 5CrNiMnMoVSCa5NiSCa ）钢5NiSCa属易切

17、削高韧性塑料模具钢，在预硬态 3545HRC ）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 0.20.1卩m，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 V50HRC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）%）CI CrNI Mn I Mo IVSICT0.57 0.89 1.03 1.19 0.52 0.26 0.028 0.003| | | 6加热

18、时相变点695735 C ,冷却时相变点378305 C, Ms220 C。2.工艺性能1 ）锻造：加热温度1100 C ,始锻温度1070 1100 C，终锻温度850 C,锻后砂冷。2）球化退火：加热温度 770 C，保温 3h，等温温度660 C,保温 7h，炉冷到 550 C出炉空冷。退火硬度W 241HBS，加工性能良好。(%a(J/c m2HRC8805751240.71274.01271.18.842.146.145.56251240.71274.01271.18.842.146.1396501008.41045.71011.49.045.356.8369005751364.21

19、430.81442.67.939.642.1476251252.41291.61355.38.341.74941.56501061.31084.91110.310.547.066.6374.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）丫55CrNiMnMoVSM1 ）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3540HRC。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化学成分及相变点丫55CrNiMnMoV 钢的化学成分，见表 3-11。表3-11 SM1钢化学成分 质

20、量分数） （CMnSPCrNiMoVSi0.500.600.801.2000 1 IOO L0000V0.0300.801.201.001.500.200.500.100.30V0.40相变点 AS712C、AC3772 C、M S290C2.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 C加热、保温 3 h, 680 C等温加热 5 h,硬度W 235HBS。书(%a2k/(J/cm硬度HRC1176980154544354实际应用丫55CrNiMnMoV 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

21、、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

22、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） % ）CCrNiMoAlSiMnS、P0.21.23.00.21.00.20.50.31.84.00.41.60.50.80.03相变点

23、 Ac40C、Ac3780C、M s290C。2力学性能1）硬度：25CrNi3MoAI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 25CrNi3MoAI钢经不同温度固溶处理后的硬度加热温度/C 保温30min）8309209601000硬度HRC5048.546.445.6表3-15 25CrNi3MoAI钢时效处理后的硬度时效温度/c500520540硬度HRC35.5 3839 4139 42书(%a k/(J/cm239 421260 1170 1355 5945 521350120016.8a k值为夏比U形试样冲击韧度值。3.热处理工艺1）用作一般

24、精密塑料模具：淬火加热温度 880 C,空 冷或水冷淬火，淬火硬度 4850HRC,再经680C, 46h高温回火，空冷或水冷，回火硬度 2223HRC，经机加工成形。再经时效处理，时效温度 520540C,保温68h,空冷，时效硬度 3942HRC。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 880C，再经680 C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 C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 %

25、 -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 520540C、68 h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4043HRC ,时效变形率W 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，25CrNi3MoAI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 230250HBS，常规切削加工和电加 工性能良好。时效硬度为 3842HRC，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 3842HRC。3）镜面研磨性好，表面粗糙度可在 Ra 0.20.025卩m，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。25CrNi3MoAI钢可用以制作普通及高精密塑料模具，经 十多家工