塑料模具鋼簡(jiǎn)介

隨著近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)石油化工工藝的迅猛發(fā)展，塑料產(chǎn)量迅速增加。塑料已經(jīng)和鋼鐵、木材、水泥一起構(gòu)成現(xiàn)代社會(huì)的四大基礎(chǔ)材料。大量塑料制品在生產(chǎn)過(guò)程中需要采用模具壓制成型，在很大程度上促進(jìn)了模具工業(yè)的發(fā)展。模具材料是影響模具質(zhì)量、性能和使用壽命的關(guān)鍵因素，也是模具工業(yè)發(fā)展中十分重要的一環(huán)。塑料模具材料仍以模具鋼為主，模具鋼的發(fā)展推動(dòng)了工業(yè)產(chǎn)品向高級(jí)化、多樣化、個(gè)性化、高附加值的方向發(fā)展。世界各國(guó)都把模具鋼產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)到合金工具鋼中，其產(chǎn)量約占合金工具鋼的70% ～80% 。各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家合金鋼產(chǎn)量約占國(guó)產(chǎn)量的0.1%。我國(guó)模具鋼已基本形成較完整的鋼種體系，并有相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T1299-2000E2J 。

1.塑料模具用鋼涵蓋廣泛，從普通鋼材到專用鋼材都有。這在塑料模具初期更加明顯，如今已日趨正規(guī)和高級(jí)。專門用鋼已自成體系，模具用鋼的化學(xué)成分和合金工具鋼的基本相同，但其冶金質(zhì)量更高，加工精良，對(duì)熱處理有利。

2.塑料模具鋼性能要求嚴(yán)格，熱處理難度大。

3.為避免模具零件在強(qiáng)韌化過(guò)程中的變形或其他熱處理問(wèn)題，模具鋼以預(yù)硬化形式供應(yīng)市場(chǎng)已較普遍。

4.以石化產(chǎn)品為原料的塑料制品，某些度不同的腐蝕性，所以耐蝕鋼應(yīng)用也較多。

5.配合預(yù)硬化鋼、非調(diào)質(zhì)剛的應(yīng)用，易切削性也是塑料模具鋼的特點(diǎn) 。

塑料模具鋼一般可分為時(shí)效硬化型塑料模具鋼(含鏡面模具鋼)、耐蝕型塑料模具鋼、滲碳型塑料模具鋼、預(yù)硬型埋料模具鋼(含易切削鋼)、調(diào)質(zhì)型塑料模具鋼和淬硬型塑料模具鋼六個(gè)大類。應(yīng)用較多的是時(shí)效硬化型塑料模具鋼、滲碳型塑料模具鋼和預(yù)硬型塑料模具鋼 。

隨著塑料制品在工業(yè)及日常生活中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，塑料模具工業(yè)對(duì)模具鋼的需求也越來(lái)越大。在塑料成型加工中，模具的質(zhì)量對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的保證作用是不言而喻的。塑料模具已向精密化、大型化和多腔化的方向發(fā)展，對(duì)塑料模具鋼的性能的要求越來(lái)越高，塑模鋼的性能應(yīng)根據(jù)塑料種類、制品用途、生產(chǎn)批量、尺寸精度和表面質(zhì)量的要求而定。

影響塑料磨具鋼選擇的因素

塑料模具的零部件分為兩大類：

一類為結(jié)構(gòu)件，包括：澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向件、頂模板、頂出機(jī)構(gòu)、支承件等；

另一類為成型件，包括：型腔、型芯、嵌鑲件等。

其中第一類零件可按機(jī)械零件的要求進(jìn)行強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料一般選用中低碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼和碳工鋼。而成型件由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求工件的尺寸精度高，表面粗糙度值低，接縫密合性好，對(duì)模具材料的力學(xué)性能、耐磨性及加工工藝都提出了專業(yè)要求。

1.模具的主要失效形式

由于模具的工作溫度較高，壓力較大，有的塑料材料易于與模具表面發(fā)生磨損和腐蝕作用，有時(shí)還會(huì)受到脫模帶來(lái)的碰撞。其主要失效形式有以下三種：

（1）表面磨損

由于塑料中增強(qiáng)樹(shù)脂填料，對(duì)模具型腔表面產(chǎn)生沖刷、磨損和腐蝕作用,從而影響到模具型腔表面粗糙度值升高,尺寸超差。

（2）變形

模具局部產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致表面發(fā)生凹陷、皺紋、麻點(diǎn)和棱角堆塌等損壞。

（3）斷裂

由模具局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂現(xiàn)象。

2.模具的制造和使用要求

塑料模具對(duì)材料在強(qiáng)度和韌度上的要求低于冷作模和熱作模，根據(jù)其失效形式和工作要求，其基本性能要求歸納為：

（1）足夠的耐磨性

由于表面磨損是模具的主要失效形式之一，因此模具應(yīng)當(dāng)有足夠的硬度，以保證模具的耐磨性，保證模具的壽命。通常需要選擇合適的材料和恰當(dāng)?shù)臒崽幚矸椒▉?lái)滿足硬度的要求。但當(dāng)硬度達(dá)到一定值時(shí)，硬度對(duì)耐磨性的提高作用就不明顯。

（2）減少熱處理變形影響

由于注塑零件形狀往往比較復(fù)雜，塑料模具在淬硬后很難加工，有時(shí)甚至無(wú)法加工。為了提高硬度，必須進(jìn)行熱處理。要采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)減低熱處理變形的影響，對(duì)于必須在熱處理后進(jìn)行加工的模具，應(yīng)選用熱處理變形小的材料。

（3）優(yōu)良的切削加工性能

塑料模具的制造中切削加工成本常占大部分，為了延長(zhǎng)切削刀具的使用壽命，保證加工表面質(zhì)量，要求模具材料具有良好的切削加工性，對(duì)于預(yù)硬性材料，要求淬火后也有好的加工性。

（4）良好的拋光性能和刻蝕性

為獲得高品質(zhì)的塑料制品，模具內(nèi)型腔的表面必須進(jìn)行拋光以減小表面粗糙度值，為了保證模具具有良好的電加工性和鏡面拋光性，花紋圖案刻蝕性，模具鋼應(yīng)當(dāng)是材料的純潔度高，組織細(xì)微、均勻、致密，無(wú)纖維方向性。

（5）良好的耐腐蝕性能

注塑PVC或加有阻燃劑等添加劑的塑料制品時(shí)，會(huì)分解出具有腐蝕性的氣體，對(duì)模具的表面有一定的化學(xué)腐蝕作用，制作這類模具時(shí)，應(yīng)選用具有一定抗腐蝕能力的鋼材。

常用模具鋼的類別及特性

1.滲碳鋼

滲碳鋼由于退火后的硬度低、塑性好，可以采用冷擠壓法成型，從而提高工效,減低成本。擠壓復(fù)雜型腔時(shí)，退火后的硬度小于100HBS；擠淺型腔時(shí)，小于160HBS，擠壓成型后，經(jīng)滲碳、淬火和回火處理，表面硬度為53～62 HRC。達(dá)到表面耐磨性高，心部韌性好的要求。08Cr4NiMoV（LJ）是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的冷擠壓成型專用鋼，具有成型性能優(yōu)良、滲碳層深、熱處理變形小、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)。其淬火處理的最佳溫度是850℃，回火溫度可視模具工作條件選擇。

2.調(diào)質(zhì)型模具鋼

工藝要求是在完成模具機(jī)械加工后，再進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，使模具達(dá)到較好的綜合機(jī)械性能。一類是45、55等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，適宜于形狀簡(jiǎn)單或精度要求不高、使用壽命不長(zhǎng)的模具?？梢赃x用SM45、SM55等塑料模具專用鋼（YB/T094—1997、YB/T107—1997、YB/T129—1997），此鋼材的純凈度好,力學(xué)性能穩(wěn)定。另一類是合金鋼，可以在調(diào)質(zhì)后進(jìn)行碳氮共滲，進(jìn)一步提高耐磨性和抗蝕性。其中：40CrMo有良好的低溫韌度和低的缺口敏感性，適于制作中型模具。42CrMo屬于高強(qiáng)度鋼，且有較高的疲勞極限，低溫韌性好，適于制造要求一定強(qiáng)度和韌性的大、中型塑料模具。38CrMoA1是典型的滲碳鋼，調(diào)質(zhì)后滲氮處理，表面硬度高（大于850HV）并具有一定的抗蝕性。適用于PVC，PC的塑料模具。此外5CrNiMo、5CrMnMo等熱作模具鋼，在塑料模具中主要用于使用溫度較高，耐磨性要求高的模具，如熱固性塑料模。

3.預(yù)硬性塑料模具專用鋼

可以直接使用已經(jīng)預(yù)硬處理的模塊、扁鋼進(jìn)行加工,避免了加工后再熱處理所造成的各種缺陷，從而提高了模具的制作精度,同時(shí)縮短了制作周期。塑料模具鋼的主流品種,可以劃分為一般型和易切削型以及非調(diào)質(zhì)型等幾類。

模具鋼的選用及熱處理

塑料模具的制作成本中，加工和拋光占到了70%～80%，因此在選用模具材料時(shí)，應(yīng)在保證模具使用性能要求的同時(shí)，盡可能地提高其加工工藝性能。其選用方法可按以下方式進(jìn)行：

（1）根據(jù)塑料制品的種類和質(zhì)量要求選用。

（2）根據(jù)塑料件的生產(chǎn)批量選用。在其它影響因素確定時(shí),生產(chǎn)批量越小，對(duì)模具的耐磨性和使用壽命要求越低。因此，可選用性能指標(biāo)低的材料。小批量時(shí)，可以選用調(diào)質(zhì)型合結(jié)鋼或碳結(jié)鋼。中等批量（30～100萬(wàn)件）時(shí)，可以選用P20，5NiSCa，SM2等，大批量時(shí)，5NiSCa，PMS等。

（3）根據(jù)塑料件的尺寸大小及精度要求選用。對(duì)大型高精度的注射模，當(dāng)塑料件生產(chǎn)批量大時(shí)，采用預(yù)硬化鋼,以防止熱處理變形。

（4）根據(jù)塑料件的復(fù)雜程度選用。應(yīng)充分考慮模具的加工工藝性，盡量選用易切削，熱處理變形小，耐磨性好的材料 。

隨著中國(guó)模具工業(yè)的迅猛發(fā)展，為國(guó)產(chǎn)模具鋼提供了一個(gè)巨大的市場(chǎng)，帶動(dòng)了國(guó)內(nèi)模具鋼的產(chǎn)量、品種、規(guī)格及品質(zhì)水準(zhǔn)的提高。我國(guó)冶金行業(yè)研制開(kāi)發(fā)和引進(jìn)了大量模具行業(yè)所需的鋼種，但國(guó)產(chǎn)模具鋼無(wú)論在品種還是質(zhì)量上仍難以全部滿足國(guó)內(nèi)模具市場(chǎng)的需求。

以冷作模具鋼為例，我國(guó)只有Cr₁₂、Cr₁₂MoV、CrWMn鋼。我國(guó)的Cr₁₂MoV鋼中，鉬和釩的含量較低，比D2鋼綜合性能差。CrWMn含碳量較高，且不含釩，容易產(chǎn)生嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物，影響使用性能。如今國(guó)外根據(jù)冷沖壓件向高精度、標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的趨勢(shì)，早已開(kāi)發(fā)了高性能模具鋼，其中有二次硬化鋼OCM、DC53、Vasco、Die；火焰淬火鋼SX10570L；空淬微變形鋼A4等。這些新型模具鋼我國(guó)也急需研制開(kāi)發(fā)。

國(guó)產(chǎn)熱作模具鋼同樣存在差距，我國(guó)通用型鋼種中只有2個(gè)鋼號(hào)。而國(guó)外除了通用型鋼種外，還新發(fā)展了YHD3、H26等品種。塑料模具鋼的差距則更大。就品種而言，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)僅1個(gè)鋼號(hào)，而美國(guó)有7個(gè)鋼號(hào)，且形成了較完整的用鋼系列。國(guó)內(nèi)模具鋼年消費(fèi)量至少150萬(wàn)噸，其中，市場(chǎng)是巨大的，但國(guó)內(nèi)模具鋼制造企業(yè)要想在其中占據(jù)更大的份額，就必須在科研開(kāi)發(fā)、技術(shù)改造、市場(chǎng)開(kāi)拓上下更大的功夫。

我國(guó)過(guò)去無(wú)專用的塑料模具鋼，一般塑料模具用正火的45和40Cr經(jīng)調(diào)質(zhì)后制造，因而模具硬度低、耐磨性差，表面粗糙度值高，加工出來(lái)的塑料產(chǎn)品外觀質(zhì)量較差，而且模具使用壽命低；精密塑料模具及硬度高塑料模具采用CrWMo、Cr₁₂MoV等合金工具鋼制造，不僅機(jī)械加工性能差，而且難以加工復(fù)雜的型腔，更無(wú)法解決熱處理變形問(wèn)題。由此，國(guó)內(nèi)對(duì)專用塑料模具用鋼進(jìn)行了研制，并獲得了一定的進(jìn)展。我國(guó)已有了自己的專用模具鋼系列，已納入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的有兩種，即3Cr₂Mo和3Cr₂MnNiMo，納入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的已有20多種，已在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用十多種新型塑料模具鋼，初步形成了我國(guó)塑料模具用鋼體系 。

1. 發(fā)展易加工、拋光性好的材料

隨著光盤、磁盤、棱鏡等精密件的生產(chǎn)，對(duì)易加工鏡面鋼的要求增加。這種鋼含非金屬雜質(zhì)少，金相組織細(xì)致均一，沒(méi)有纖維方向性。它是塑料模具鋼材的主要發(fā)展方向。

2. 耐蝕鋼

模具在長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)和保持過(guò)程中，容易生銹受蝕，而且隨著塑料成型中添加各種成分，模具更容易受蝕。因此要求提高母材機(jī)體的耐腐蝕性能，開(kāi)發(fā)了一些耐蝕不銹鋼材。

3. 馬氏體時(shí)效合金鋼

這種鋼材具有足夠的力學(xué)性能和突出的工藝性能，特別是有較高的強(qiáng)度、韌度、耐磨性、低的熱膨脹系數(shù)，是制造注塑模的好鋼材，但是價(jià)格貴。

4. 硬質(zhì)合金

主要用于制作壽命要求很高，制件生產(chǎn)批量大的模具 。

（1）模具設(shè)計(jì)時(shí)材料的選用很關(guān)鍵。對(duì)于生產(chǎn)小批量制品的模具可以選用一般的材料，以降低模具成本；但對(duì)于強(qiáng)度差、容易損壞的模具，模具材料還是要選用較好的材料，雖然模具加工時(shí)成本增加了，但模具的壽命提高了，相對(duì)而言總的成本是降低的。

（2）塑料制品尺寸日趨多樣化、形狀復(fù)雜化和表面裝飾美觀化，致使塑料模具正朝著多樣化、復(fù)雜化、精密化和多腔化方向發(fā)展。新型塑料模具專用鋼具有良好的力學(xué)性能、機(jī)械加工性能及鏡面拋光性能等，在提高模具設(shè)計(jì)、加工水平的同時(shí)，應(yīng)注意加強(qiáng)采用新型塑料模具鋼。

（3）國(guó)內(nèi)研制的一些新型塑料模具材料的性能和壽命已達(dá)到或接近國(guó)外先進(jìn)水平，極大地促進(jìn)了我國(guó)模具鋼鋼種系列的完善，但這些新鋼的推廣數(shù)量和應(yīng)用范圍還不夠大，因此急需大力推廣高純凈度、高精度、高均勻性、質(zhì)量穩(wěn)定的新型塑料模具材料 。

常用耐蝕型塑料模具鋼分3種。①馬氏體型耐蝕塑料模具鋼。它具有較高的硬度、強(qiáng)度及耐磨性。②鐵素體型耐蝕塑料模具鋼。其具有高的耐蝕性，良好的塑性，但強(qiáng)度較低。③奧氏體型耐蝕塑料模具鋼。為了獲得奧氏體，提高鋼的耐蝕性，使鋼軟化，應(yīng)采用固熔處理，即將鋼加熱到1100℃，使碳化物溶人奧氏體，水淬快冷至室溫。它屬于鉻鎳型耐蝕鋼，具有優(yōu)良的耐蝕性，良好的塑性、韌性、焊接性，但切削加工性較差。

2020年3月6日，《塑料模具鋼第4部分：預(yù)硬化鋼板》發(fā)布。

2020年10月1日，《塑料模具鋼第4部分：預(yù)硬化鋼板》實(shí)施。

中國(guó)牌號(hào)：3Cr2Mo、美國(guó)牌號(hào)：P20（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范 AISIP20改良型）。

出廠狀態(tài) 硬化及回火至硬度約330－370HB

P20是一種模具焊材的型號(hào)，最早的是P20，緊接著P20H，P20Ni相繼問(wèn)世。

標(biāo)準(zhǔn)： AISI-p20 GS-2311 ASSAB-618

特性及適用范圍：熱作模具鋼，是引進(jìn)美國(guó)的 P20中碳 Cr-Mo系塑料模具鋼。適用于制作塑料模和壓鑄低熔點(diǎn)金屬的模具材料。此鋼具有良好的可切削性及鏡面研磨性能。