1、第3章 塑料模具材料 本章將介紹典型塑料模具用鋼的性能及熱處理方法，為正確、合理地選用塑料模具提供依據。3.1塑料模具的工作條件、失效形式及性能要求1.塑料模具的工作條件按照塑料件的原材料性能和成形方法，可把塑料模分為兩大類： (1)熱固性塑料模：主要用于酚醛塑料、三聚氰胺樹脂等各種膠木粉的壓制成形。(2)熱塑性塑料模：主要用于熱塑性塑料注射成形和擠出成形。塑料模的工作條件：(1)熱固性塑料壓縮模熱固性塑料壓縮模的工作溫度一般為160250，工作時模腔承受壓力大，一般為160200MPa，個別的要達到600MPa。工作中型腔面易磨損、并承受一定的沖擊負荷和腐蝕作用。用這類模具壓制各種膠木粉制件

2、時，在原材料中加入一定量的粉末填充劑，并在熱壓狀態下成形，所以熱負荷和機械負荷較大，而填充劑致使模腔磨損也嚴重。(2)熱塑性塑料注射模熱塑性塑料注射模的工作溫度在150以下，承受的工作壓力和磨損不像壓縮模那樣嚴重。有些塑料在加熱后的熔融狀態下能分解出氮化氫和氯化氫氣體，對模具型腔面有較大的腐蝕性。成形硬性塑料或含有玻璃纖維填料的增強塑料的塑料模具，則大大加劇對流道和型腔面的磨損。 塑料模失效形式主要有磨損、腐蝕、變形和斷裂等。(1)磨損熱固性塑料對模具表面產生嚴重摩擦，結果導致模具表面拉毛，粗糙度變大而失去光澤，這會影響到塑料制件的外觀質量。在此情況下，模具應定期卸下拋光，經過多次拋光后，型腔

3、尺寸將會超差而失效。特別是塑料中含有云母粉、硅砂、玻璃纖維等固體無機填料時，會明顯加劇型腔的磨損，不僅會使型腔表面粗糙度值增加，也會使模具型腔尺寸變大。(2)腐蝕塑料模受腐蝕后將導致模具表面的腐蝕磨損，從而加劇其磨損失效。(3)變形模具在持續受熱、受壓條件下工作，會發生局部塑性變形而失效。例如，生產中常用的滲碳鋼或碳素工具鋼制膠木模，在棱角處受負荷最大而產生塑件變形，出現表面起皺、凹陷、麻點甚至棱角塌歪等；或者分型面變形間隙擴大導致飛邊增大而使塑件報廢。(4)斷裂塑料模多數形狀復雜，存在許多凹角、薄邊等，這些部位易造成應力集中，當韌性不足時，就會導致開裂。斷裂的主要原因是由于結構、溫差而產生的

4、結構應力、熱應力，或回火不足，在使用溫度下，殘余奧氏體轉變為馬氏休，引起局部體積膨脹，在模具內部產生的組織應力所致。2.對塑料模具材料的性能要求 根據上述塑料模的工作條件和失效形式，塑料模具材料應有下列性能要求。(1)較高的耐熱性塑料件高速成形溫度在200350之間，如果塑料流動性不好，成形速度又快，會使模具部分成形表面溫度在極短時間內超過400。為保證模具在使用時的尺寸穩定性，模具材料應具有較高的耐熱性能、導熱性能和低的熱脹系數。(2)足夠的強度和硬度塑料注射成形壓力很大，需要模具材料有較高強度和硬度，才能保證模具正常工作而不變形。(3)良好的耐磨性塑料中添加玻璃纖維等無機材料時，加重模具磨

5、損，需較高耐磨性，才能保證模具具有足夠長的壽命。(4)良好的耐蝕性含氟和氯的塑料在成形過程小會放出腐蝕性氣體，使模具產生銹蝕、加重磨損而損壞，故要求模具材料應具有良好的耐蝕性。(5)良好的切削加工性因塑料模具型腔的幾何形狀大多比較復雜，型腔表面質量要求高，難加工部位相當多，所以模具材料應具有良好的切削加工性能。(6)良好的鏡面拋光性一般塑料模型腔面的表面粗糙度Ra值為0.160.08m左右，粗糙度低于0.4m時可呈鏡面光澤。尤其是用于透明塑料制品的模具，對模具材料的鏡面拋光性能要求更高。鏡面拋光性能不好的材料，在拋光時會形成針眼、空洞和斑痕等缺陷。模具的鏡面拋光性能主要與模具材料的純潔度、硬度

6、和顯微組織等因素有關。(7)良好的電加工性模具材料在電加工過程中有時會出現一般機械加工不會出現的問題：例如有的模具材料電火花加工后，表面會留下510m深的溝紋，使加工面的粗糙度變大；有些材料線切割時會出現炸裂，產生較深的硬化層，增加拋光的難度。所以模具材料必須要有良好的電加工性能。(8)良好的花紋圖案光蝕性很多塑料制品要求設置各種花紋、圖案，這就要求模具材料性能同樣要求材質純凈，組織細致均勻，否則腐蝕或光蝕后效果不佳。3.2塑料模具用鋼3.2.1塑料模具用鋼分類在實際生產中，用來制造塑料模具的鋼材還廣泛應用傳統的常用鋼種，這些鋼難以滿足對塑料模具越來越高的多方面的性能要求。為此，近年來我國研制

7、了一些新型塑料模具鋼，并引進了一些在國外已通用的鋼種。現按照鋼材特性和使用時的熱處理狀態分類，塑料模具用鋼可以分為滲碳型塑料模具用鋼、調質型塑料模具用鋼、淬硬型塑料模具用鋼、預硬型塑料模具用鋼、耐腐蝕型塑料模具用鋼和時效硬化型塑料模具用鋼。3.2.2塑料模具用鋼的性能特點 1.滲碳型塑料模具用鋼滲碳型塑料模具用鋼主要用于冷擠壓成形的塑料模。為了便于冷擠壓成形，這類鋼在退火態需有高的塑性和低的變形抗力，成形復雜型腔時，其退火硬度100HBS，成形淺型腔時，其退火硬度160HBS。因此，對這類鋼要求有低的或超低的含碳量，同時鋼中加入能提高淬透性而固溶強化鐵素體效果又小的合金元素，如鉻、鎳。為了提高

8、模具的耐磨性，這類鋼在冷擠壓成形后一般都進行滲碳和淬回火處理，表面硬度可達58-62HRC。 國內常采用工業純鐵（如DTl、DT2)、20、20Cr、12Cr2Ni3A和12Cr2Ni4A鋼，以及國內最新研制的冷成形專用鋼0Cr4NiMoV(LJ)?，F介紹兩個典型鋼種。 （1）0Cr4NiMoV(LJ)鋼LJ鋼的C0.08，主加元素是鉻，Cr為3.64.2，主要作用是提高淬透性和滲碳能力，增加滲碳層的硬度和耐磨性。LJ鋼冷成形性與工業純鐵相近，用冷擠壓法成形的模具型腔輪廓清晰、光潔、精度高。LJ鋼具有良好的鍛造性能和熱處理工藝性。鍛造工藝是：加熱溫度為1230，始鍛溫度為1200，終鍛溫度為9

9、00。退火工藝是：加熱溫度為800，保溫2h，隨爐緩冷(冷卻速度約40h)至650后出爐空沖。退火硬度為100105HBS，可順利地進行冷擠壓成形。LJ鋼滲碳速度快，滲層深度比20鋼深一倍。固體滲碳工藝是：加熱溫度為930，保溫68h，滲后出爐預冷至850870油淬，再進行200220的低溫回火，回火保溫時間為2h。熱處理后表面硬度為58-60HRC，心部硬度為27-29HRC，熱處理變形微小。 LJ鋼主要用來替代10、20鋼及工業純鐵等冷擠壓成形的精密塑料模。由于滲碳淬硬層較深，基體硬度高，不會出現型腔表面塌陷和內壁咬傷現象，使用效果良好。 （2）12CrNi3A鋼 12CrNi3A鋼是傳統

10、的中淬透性合金滲碳鋼。該鋼C0.090.16，Cr=0.60.9，Ni2.753.25。由于碳含量低，鎳含量較高，該鋼塑韌性較高，適于冷擠壓成形。12CrNi3A鋼鍛造性能良好，鍛造加熱溫度為1200，始鍛溫度為1150，終鍛溫度大于850，鍛后緩冷。為了提高冷成形性，鍛后必須經軟化退火，退火工藝是：740760加熱，保溫46h后以510h的速度緩冷至600，再爐冷至室溫。經此處理，退火后的硬度<160HBS，適于冷擠壓成形。為了改善切削加工性，模坯須經正火處理，正火工藝是：870900加熱并保溫34h后空冷。正火后硬度229HBS，切削加工性良好。 12CrNi3A鋼采用氣體滲碳工藝時

11、，加熱溫度為900920，保溫6-7h，可獲得0.91.00 mm的滲碳層，滲碳后預冷至800850直接油淬或空冷。淬火后表層硬度可達5662HRC、心部硬度為250380HBS，變形微小。 12CrNi3A鋼主要用于冷擠壓成形的形狀復雜的淺型腔塑料模具和大、中型切削加工成形的塑料模具。 2.淬硬型塑料模具用鋼對于負荷較大的熱固性塑料模和注射模，除了型腔表面應有高耐磨性之外，還要求模具基體具有較高強度、硬度和韌性，以避免或減少模具在使用中產生塌陷、變形和開裂現象。這類模具可選用淬硬型塑料模具用鋼來制造。常用的淬硬型塑料模具鋼有：碳素工具鋼(如T7A、T10A)、低合金冷作模具鋼(如9SiCr、

12、9Mn2V、CrWMn、GCrl5、7CrSiMnMov鋼等)、Crl2型鋼(如Crl2MoV鋼)、高速鋼(如W6Mo5Cr4V2鋼)、基體鋼和某些熱作模具鋼，等等。這些鋼的最終熱處理一般是淬火和低溫回火(少數采用中溫回火或高溫回火)，熱處理后的硬度通常在45-50HRC以上。碳素工具鋼僅適于制作尺寸不大，受力較小，形狀簡單以及防變形要求不高的塑料模，利用其淬透性低的特點來制作要求表面耐磨而心部有一定韌性的凹模是十分適宜的；低合金冷作模具鋼主要用于制作尺寸較大、形狀較復雜和精度較高的塑料模；Crl2MoV鋼適于制作要求高耐磨性的大型、復雜和精密的塑料模;W6Mo5Cr4V2鋼適于制作要求強度高

13、和耐磨性好的塑料模；熱作模具鋼適合于制作有較高強韌性和一定耐磨性要求的塑料模。 GD鋼也是近年新推廣使用的一種淬硬型塑料模具鋼。由于該鋼強韌性高，淬透性和耐磨性好，淬火變形小，成本低，用此鋼取代Crl2MoV鋼或基體鋼制作大型、高耐磨、高精度塑料模，不僅降低了成本，而且提高了模具的使用壽命。 3.預硬型塑料模具用鋼所謂預硬鋼就是供應時已預先進行了熱處理，并使之達到模具使用態硬度，該硬度變化范圍較大，較低硬度為2535HRC,較高硬度為4050HRC；在這些硬度條件下把模具加工成形后，不再進行熱處理而直接使用，從而保證了模具的制造精度。我國近年研制的預硬化型塑料模具鋼，大多數是以中碳鋼為基礎，加

14、入適量的鉻、錳、鎳、釩等合金元素制成。為了解決在較高硬度下切削加工難度大的問題，通過向鋼中加入硫、鈣、鉛、硒等元素，以改善切削加工性能，從而制得易切削預硬化鋼，它們可使模具在較高硬度下順利完成車、鉆、銑、刨、磨等加工過程。有些預硬化鋼可以在模具加工成形后進行滲氮處理，在不降低基體使用硬度的前提下使模具的表面硬度和耐磨性顯著提高。下面介紹幾種典型預硬化塑料模具鋼。 （1）3Cr2Mo(P20)系列鋼3Cr2Mo(P20)系列鋼中的主要鋼種及化學成分見表4.1。由表可見，該系列鋼屬于中碳低合金鋼。表4.1 部分3Cr2Mo系列鋼化學成分牌號化學成分/CMnSiCrNiMnSP3Cr2Mo0.340

15、.800.501.70-0.430.030.033Cr2NiMo0.360.850.401.851.000.350.020.0153Cr2Mo鋼生產中多采用電爐熔煉、真空除氣和特殊脫氧處理，因此，鋼材具有高的潔凈度。不僅鏡面拋光性好，而且力學性能均勻。該鋼含鉻、鉬量較高，故淬透性好，通常采用調質預硬處理，預硬硬度為3036HRC。為了增加表面耐磨性，可以在成形加工后進行表面處理，如鍍鉻、滲氮處理等。該鋼主要用于中、小型或大型的復雜、精密塑料模。3Cr2NiMo(P4410)鋼該鋼是3Cr2Mo鋼的改進型，即在3Cr2Mo鋼的基礎上添加質量分數為0.81.2的鎳。由于鎳的作用，該鋼具有更高的淬透

16、性、強韌性和抗蝕性。該鋼采用真空脫氣，鋼錠經水壓機鍛造后進行粗加工，再經超聲波探傷后進行調質熱處理。因此，該鋼潔凈度高，組織致密，鏡面拋光性好，表面粗糙度Ra值達0.010.005m。該鋼調質預硬化硬度為32-36HRC，具有良好的車、銑、磨等加工性能。該鋼可采用火焰對局部表面加熱至800825，然后空冷或用壓縮空氣冷卻,使局部表面淬硬至5662HRC,以增加模具的使用壽命。該鋼焊接性良好，模具局部損壞可用補焊法修補。P4410表面鍍鉻后，鍍層與基體金屬結合良好，表面硬度可達1000HV，可顯著提高模具的耐磨性和耐蝕性。P4410鋼由于綜合力學性能好，主要用于截面厚度250mm的塑膠模具，如大

17、型塑料制品、電視機外殼、洗衣機面板等。P20S、P20Ca鋼為了改善3Cr2Mo鋼的切削加工性能，將鋼中硫的質量分數提高至0.10或向鋼中加入少量的鈣，從而研制出易切削的P20S、P20Ca鋼。這兩種鋼預硬化后的硬度為3638HRC，抗拉強度為1330MPa，伸長率大于8.8，斷面收縮率大于43。在預硬態下，這兩種鋼的切削加工性能明顯優于45鋼和3Cr2Mo鋼，并且有良好的磨削和表面拋光性能。 （2）5CrNiMnMoVSCa(5NiSCa)鋼該鋼屬于硫、鈣復合系易切削預硬化模具鋼，其C為0.57，合金元素總質量分數小于4。該鋼采用了噴射冶金技術，從而消除了硫化物分布不均導致的有害影響，有效地

18、提高了該鋼的韌性、均勻性和等方向性。研究表明硫化物夾雜不影響鋼的鏡面拋光性，因此該鋼不僅具有良好的切削加工性，而且鏡面拋光性也好，蝕刻花紋圖案清晰逼真，并在使用中有較強的保持模具鏡面的能力。 5NiSCa鋼預硬化處理后的硬度為3545HRC，在此預硬狀態下可順利地進行各種機械加工，鏡面拋光后表面粗糙度比值可以達到0.050.025m。拋光后的模具，置于大氣中容易銹蝕氧化，應及時鍍鉻或滲氮處理，既保護型腔表面，又增加表面硬度和耐磨性。 （3）8Cr2MnWMoV5(8Cr2S)鋼該鋼具有高碳多元合金化的成分特點，加入硫獲得易切削的性能。淬透性好，熱處理變形小，并具有良好的強韌性和高的耐磨性。8C

19、r2S鋼的預硬處理工藝一般為：860880空淬，550620回火2次，每次2h，硬度為44-48HRC。經此調質預處理后，可用高速鋼或硬質合金刀具進行車、刨、銑、錘、鉆、攻絲等常規加工，其切削加工性能與退火T10A鋼(200HBS)相當。8Cr2S鋼作為預硬鋼適宜于制作各種類型的塑料棍、膠木模、陶土瓷構模以及印刷線路板沖孔模，使用壽命比一般合金工具鋼高2-3倍。4.時效硬化型塑料模具用鋼此類鋼的共同特點是含碳量低、合金元素含量較高，經高溫淬火(固溶處理)后，鋼處于軟化狀態，組織為單一的過飽和固溶體。采用此類鋼制造塑料模具時，可在固溶處理后進行模具的機械成形加工，然后通過時效處理，使模具獲得使用

20、狀態的強度和硬度，這就有效地保證了模具最終尺寸和形狀的精度。 此類鋼的純凈度高，所以鏡面拋光性能和光蝕性能良好，這類鋼還可以通過鍍鉻、滲氮、離子束增強沉積等表面處理方法來提高耐磨性和耐蝕性。 （1）18Ni類鋼該鋼屬于低碳馬氏體時效鋼，經固溶處理和時效處理后，具有很高的強度和韌性，又有良好的耐蝕性，而且時效變形小。主要用來制作高精度、超鏡面、型腔復雜、大截面、大批生產的塑料模具。但這類鋼含鎳量高，價格昂貴，應用受到限制。 （2）25CrNi3MoAl鋼 該鋼是國內研制的一種低鎳時效鋼，適用制作各種塑料模具。用于一般精密塑料模具時，可采用以下熱處理工藝：880加熱空冷或水冷淬火，硬度為4850H

21、RC。再經680，46h高溫回火，硬度降為2223HRC?；鼗鸷罂身樌M行各種機加工。成形后再經520540時效68h，然后空冷，則硬度提高到39-42HRC，變形很小，變形率大約為-0.039。最后，模具型腔經過研磨、拋光或刻蝕花紋、再裝配使用。 該鋼不僅鏡面加工性能良好，圖案蝕刻性能優良，光刻圖案清晰均勻；而且，滲氮工藝性良好。滲氮后表面可達1100HV以上的硬度。 該鋼還可以用于制造冷擠壓型腔的塑料成形模。冷擠壓成形是在模具毛坯經淬火高溫回火軟化處理后進行的。冷擠壓型腔成形后，應進行真空時效處理或滲氮處理。3.3塑料模具的選材及熱處理特點 塑料模具結構和形狀比較復雜，制造成本較高，為了保

22、證模具有較長的使用壽命，合理選用模具材料品種，正確選擇和實施模具的熱處理方法極為重要。3.3.1塑料模具的選材1.塑料模成形件的材料選用選擇塑料模成形件的材料時，根據模具的具體情況可從以下幾方面考慮。(1)根據塑料制品種類和質量要求選用塑料制品種類的不同往往對塑料模的工作條件產生很大影響。 ABS、聚氯乙烯和聚四氟乙烯等塑料成形時，會分解產生具有腐蝕性的氣體而對塑料模產生腐蝕作用。因此，這類塑料模具成形件常選用耐蝕塑料模具鋼，如18Ni及4Crl3等；若選用普通材料制作模具時，則需鍍鉻或其他耐腐蝕的表面處理。 對生產以玻璃纖維作添加劑的熱塑性塑料制品的注射模或熱固性塑料制品的壓縮模，要求模具有

23、高硬度、高耐磨性、高的抗壓強度和較高韌性，以防止模具型腔面過早磨損或受高壓而局部變形。因此，這類塑料模具成形件多選用淬硬型塑料模具鋼，如T10A、9Mn2V、CrWMn、Crl2MoV等；若選用低、中碳鋼，則應進行滲碳淬火處理。 對高速成形的塑料制品，其模具表面的工作溫度在短時間內會超過400。為了保證塑料模的使用精度并防止塑料制件在脫模后由于溫度過高而發生變形，模具材料應有良好的導熱性。為此可選用高強度鋁合金來制造。 透明塑料成形模具，要求模具材料有良好的鏡面拋光性能和高耐磨性，并且要求材料中的非金屬夾雜物和氣孔要極少，顯微組織也要均勻。這時最好選用能獲得高硬度的超純凈鋼。實踐表明，大多時效

24、硬化型模具鋼如PMS、06Ni等都具有優良的鏡面拋光性，是較理想的選用鋼種，而預硬化型鋼P20系列、8Cr2S、5NiSCa等鋼，鏡面拋光性中等或較好，也可選用。對于表面有裝飾花紋的塑料制品，則要求?？h材料有良好的裝飾加工性。(2)塑件生產批量塑料件生產批量很小時，對模具的耐磨性及使用壽命要求不高，可選用鋁合金、鋅合金、碳素鋼及合金結構鋼等制造；對于批量大的塑料件成形模具，應根據其工作條件相對模具質量的要求來選材，一般選用高級優質塑料模具鋼。(3)塑料模的加工方法塑料模具的成形加工方法有多種，一般的塑料模都可通過冷擠壓成形、超塑性成形、鑄造成形、切削加工成形和電加工成形等方法制作。由于大多數塑

25、料模都需經過切削加工成形，因而模具材料的切削加工性往往是最受重視的加工工藝性能。(4)塑料件的尺寸大小及精度要求對于大型高精度的注射成形模具，當塑料件生產批量大時，可選用預硬化鋼制造，如3Cr2Mo、8Cr2S、4Cr5MoSiV、P4410、SM1、PMS鋼等；由于模具加工成形后不再進行熱處理，所以可以保證模具高精度的要求。(5)模具的制造難度和交貨期限對于大制件的塑料模具最好選用易切削鋼。塑料制件較小時，模具型腔體積小，切削量和切削力通常也較小。所以小型模具往往可選用預硬化型模具鋼制造。用戶有時要求塑料模的交貨期越短越好，采用鑄造尤其是精密鑄造方法制造塑料模是縮短加工周期的好方法，此時常需

26、選擇特別適于鑄造成形的鋁合金或鋅合金。對于鋼制塑料模，若選用易切削預硬化鋼，也可大大縮短制模周期。 2塑料模具輔助零件的材料選用 塑料模具的輔助零件，因其拋光性、耐蝕性等要求較低，所以可選用常用的塑料模具鋼材，經過合理的熱處理，使用性能完全能達到要求，因此降低了模具造價。3.3.2塑料模具的熱處理特點1.塑料模具的熱處理基本要求(1)合適的工作硬度和足夠的韌性根據塑料模具的工作條件，模具經過熱處理應獲得適中的硬度和足夠的強韌性。不同種類的塑料模的工作硬度要求見表4.2。 (2)確保淬火微小變形為使塑料模具達到精度要求，要確保熱處理變形極小。淬火時，首先要考慮防止模具型腔發生翹曲變形，為此應對變

27、形量作出一定的限制。(3)表面無缺陷易于拋光塑料模型腔面的光潔程度要求較高。在熱處理過程中，應特別注意保護型腔表面，嚴格防止表面產生各種缺陷(如加熱淬火留下的氧化皮痕跡，表面受到侵蝕、脫碳或增碳、殘余奧氏體量過多等)，否則將給下一步拋光工序造成困難，甚至無法拋光。(4)確保強度要求要求模具在熱處理后，保證有足夠高的抗壓塌和抗起皺紋的能力，即要保證強度要求。 2.塑料模具的熱處理特點(1)滲碳鋼塑料模的熱處理為使塑料模成形件或其他摩擦件有高硬度、高耐磨性和高韌性，在工作中不致脆斷，所以要選用滲碳鋼制造，并進行滲碳、淬火和低溫回火作為最終熱處理。 滲碳技術要求壓制含硬質填料的塑料時，模具的滲碳層厚

28、度要求為1315mm；壓制軟性塑料時，滲層厚度為0.812mm；帶尖角、薄邊等模具，滲層厚度為0.20.6mm。滲碳層的含碳量以0.71.0為宜。滲層組織中應避免出現粗大的未溶碳化物、網狀碳化物、過量的殘余奧氏體等。滲碳工藝方法以采用分級滲碳工藝為宜，即在溫度為900920，保溫11.5h進行高溫快速滲碳，而在溫度為中溫820840,保溫23h滲碳以增加滲碳層厚度。對于碳素滲碳鋼模具，分級滲碳后，需重新加熱淬火；對于優質滲碳鋼模具，分級滲碳后可直接空冷淬火，但應注意此工藝會使型腔表面氧化，應在通入壓縮氨氣的“冷井”中空冷，以保護表面防止氧化。 (2)淬硬鋼塑料模的熱處理淬硬鋼塑料模熱處理時要注意兩點：首先，形狀比較復雜的模具，在粗加工后就進行熱處理時，必須保證熱處理變形最小，對于精密模具，變形應小于0.05。其次，注意保護型腔面的光潔