塑料模具钢材选用和热处理工序应用时应注意的几个问题.docx
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塑料模具钢材选用和热处理工序应用时应注意的几个问题
塑料模具钢材选用和热处理工序应用时应注意的几个问题
一、塑料模具钢的分类、钢号及其性能、用途
模具的使用寿命取决于正确的设计制造和使用。
虽优质的钢材质量对模具的性能有很大影响，但我们还要选择合理的热处理工艺，这样才能充分发挥模具材料的各种性能。
注塑模具钢材的选用根据“注塑模具钢材的选用的原则和要求”、“应用热处理工序时应注意的问题”，以及参照以下内容来选用。
（1）塑料模具钢分类及性能简介：
1）碳素结构钢：
通用型塑料模具钢：
生产批量较小，尺寸精度和表面粗糙度无特殊要求，采用碳素结构钢，如钢号20、45、50、55、SM50,SM钢。
2）碳素工具钢：
如钢号T8、T8A、T10、T10A、高级YCS3、YK30,小型模具零部件。
3）耐磨塑料模具钢：
采用耐磨性好的模具钢，生产强化工程塑料制品，4Cr5MoSIV1、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等钢，并经淬火、回火后使用。
为了提高耐磨性，可进行表面处理。
4）渗碳型塑料模具钢：
采用冷挤压反印法制造模具型腔，可以采用合金渗碳钢,冷挤压后需要进行渗碳.然后进行淬火和低温回火。
这种模具表面具有高的硬度和耐磨性，含碳量一般在0.1%～1.2%左右，而心部具有很好的韧性，而且模具互换性好.常用钢号如美国:
ASTM–A681的标准钢号P2–P6;国际标准化组织ISO标准中的5CrNo4、7CrmoNi，我国常用的20Cr、12CNi2、12cNi3、20CrMnTi、20Cr2Ni4等。
5）耐蚀型塑料模具钢：
用于制造腐蚀性较强的塑料成型模具（如聚氯乙烯、氟化塑料、及阻燃塑料），低碳镍铬型耐蚀钢1Cr17N12、中碳高铬型耐蚀钢（代表性钢种4Cr13）、高碳高铬型耐蚀钢9Cr18Mo。
国外各主要新钢种，如BOHLER的M300、M310、M314等,美国的CRUCIBLE公司的420MOD，瑞典STAVAXV、欧洲2083。
我国各举耐蚀塑料模具钢，相对于其他类型的塑料模具钢，主要使用PCR、2Cr13、3Cr13、4Cr13、4Cr13mO、PCr18、PCr18moV，近些年来引进了3Cr17Mo,开发了5Cr17MoV钢，该钢具有良好的综合使用性能。
6）高镜面塑料模具钢：
对精度和表面粗糙度数值要求很低的塑料制品（型腔模具表面粗糙度数值要求很低）;如PMS、3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo、4Cr5MoSiVl、Cr12Mo1Vl、25CrNi3MoA1等，或马氏体时效钢，如18Ni（250）,18Ni（300）及低镍马氏体时效钢06Ni6CrMoVTiA1等。
7）预硬化易切削塑料模具钢（钢号后写有“H”字代表预硬钢）：
一般在HRC30～40（38～42），不需再热处理可直接加工动定摸，热处理到28～40HRC，在预淬硬的条件下供货，用户可直接加工使用，如P20（3Cr2no）、如BOHLER的M200，TEW的1.2311、1.2312、1.2344瑞典718（3Cr2MnNiMo）、618H、718H等钢,蒂森GS738、GS312、SNiCaS、2738H、日本FDS5、NAK80、SKD61,美国的H13等。
国外开发的易切削塑料模具钢主要是S系,如日立金属的HPM2和大同特殊钢的PDS5等。
我国研制了一些含硫易切削预硬化塑料模具钢5NiSCa,8Cr2MnWMoVS,P20BSCa等。
8）无磁塑料模具钢：
压制磁性塑料的模具，如18–8不锈钢，其型腔经氮化处理后使用，或采用Mn13型耐磨奥氏体钢、如无磁塑料模具钢7Mn15Cr2A13V2WMo等。
9）非调质型预硬塑料模具钢：
硬度一般为30～40HRC,国内25CrMnVTiSCaRE（代号FT）、2Cr2MnMoVS和2Mn2CrVCaS。
10）时效硬化塑料模具钢：
常用的钢材，在热处理时，通过时效处理，使模具硬度升到40HRC以上。
时效处理变形小，可以在加工后进行时效处理，如大同特殊钢公的NAK55、NAK80、BOHLER的M261、日立金属的HPMl、HPM50等。
这类钢成本高,目前国内外普遍应用较多的就是lONi3MnCuAI钢。
11）整体淬火高硬度塑料模具钢：
如Cr12、Cr12MoV、SKDll、SKD12、SKD61等,如日立金属的HPM31、FDAC，高周波的KD21和大同特殊钢的PD613、DH2F等钢种。
12）高可焊性塑料模具钢：
国外发展一些专用钢种，焊前可不预热，焊后可不后热，尤其是日本大同特殊钢公司发展的PXZ和PX5钢。
13）铍青铜：
PCR、AMPCO940。
（2）塑料模具主要构件的材料及热处理选择
1）塑料模具用钢及适应的工作条件表1。
2）塑料模具主要构件的材料及热处理选择参照表2。
3）动模、定模、镶块的材料及热处理硬度选择参照表3。
表1塑料模具用钢及适应的工作条件
钢的类型
牌号
适应的工作条件
渗碳钢
12CrNi2、12CrNi3A、20Cr、20CrMnMo、20Cr2Ni4A
生产批量较大，承受较大动载荷，受磨损较重的模具
10、20
生产批量较小，精度要求不高，尺寸不大的模具
调质钢
45、55
大型、复杂、生产批量较大的塑料注射或挤压成型模
3Cr2Mo、40CrNiMoA、40CrNi2Mo、40CrMnMo、45CrNiMoVA、5CrNiMo、5CrMnMo、40Cr、4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si、35SiMn2MoVA
高碳工具钢
Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9Mn2V、9CrWMn、Cr6WV、Cr4W2MoV、GCr15、SiMnMo
热固性塑料模具，生产批量较大，精度要求高及要求高强度、高耐磨的塑料注塑模
耐蚀钢
4Cr13、9Cr18、9Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14MoV
要求耐腐蚀及表面要求较高的模具
沉淀硬化不锈钢
17-7PH、PH15-7Mo、PH14-8Mo、AM-355
杨氏体时效钢
Ni18Co8Mo5TiA1、Ni20Ti2A1Nb、Ni25Ti2A1Nb、Cr5Ni12Mo3TiA1
复杂、精密、耐磨、耐腐蚀、超镜面的模具
表2塑料模具主要构件的材料及硬度选择
构件名称
材料
热处理硬度（HRC）
定模座板
30#.35#.45#钢
55～60
动模座板
30#.35#.45#钢
55～60
斜销
T8A.T10A.GCr15
55～60
弯销
T8A.T10A.GCr15
55～60
热流道板
45#.50#.55#钢
30～35
滑块
45#钢.3Cr2Mo.40CrNiMo
35～45
推件板
45#钢.3Cr2Mo.40CrNiMo
30～35
斜滑块
45#钢.3Cr2Mo.40CrNiMo
30～35
型芯固定板
30#.35#.45#钢
45～50
滑块导板
45#钢.T8A
45～50
支承板
45#.50#钢.T7A
40～45
锲紧块
45#钢.T8A.CrWMn
50～55
推杆固定板
30#.35#.45#钢
45～50
斜槽导板
45#.50#钢.T7A
45～50
推板
45#.50#钢.T7A
40～45
定距拉杆
45#钢.T8A
45～50
垫块
30#.35#钢
45～50
定距拉板
45#钢.T8A
45～50
定位圈
45#.50#钢
40～50
限位钉
45#钢
30～35
浇口套
T8A.T10A
50～55
限位块
45#钢
50～55
复位杆
T8A.T10A
50～55
拉料杆
T8A.T10A
50～55
支承柱（d＞4mm）
T8A.T10A.GCr15
55～60
支承柱（d≤4mm）
65Mn.0CrV
45～50
导柱
20#钢（渗碳0.5～0.8）
55～60
推杆（d＞4mm）
T8A.T10A
50～55
分流道拉料杆
65Mn.50CrVA
45～50
精密定位件
CrWMn.Cr12MoV.GCr15
55～60
3动模、定模、镶块的材料及热处理选择
钢厂编号标准规格硬度一般特性,用途适用模具零件备注8407H-13（改良型）热处理HRC48-52热模钢，高韧性，耐热性好，适合PA、POM、PS、PE、EP塑胶模。
金属压锛，挤压模上下内模，行位，模芯镶件，行位镶件，浇口套，斜顶一胜百钢材2344H-13热处理HRC48-52热模钢，高韧性，耐热性好，适合PA、POM、PS、PE、EP塑胶模。
金属压锛，挤压模上下内模，行位，模芯镶件，行位镶件，浇口套，斜顶LKM2344superH-13（改良型）S136420热处理HRC48-52高镜面度，抛光性能好，高锈防酸性佳，适合PVC、PP、EP、PC、PMMA塑胶模上下内模，行位，模芯镶件，行位镶件，浇口套，斜顶一胜百钢材S136H不需热处理（预加硬）2083420热处理HRC48-52防酸，抛光性能良好，适合酸性塑料及要求良好抛光模具上下内模，行位，模芯镶件，行位镶件，浇口套，斜顶LKM2083H不需热处理（预加硬）718P20（改良型）不需热处理（预加硬）高抛光度，高要求内模性，适合PA、POM、PS、PE、PP、ABS塑料模具上下内模，行位，模芯镶件，行位镶件一胜百钢材718H738P20加镍不需热处理（预加硬）适合高韧性及高磨光性塑料模具上下内模，模芯镶件LKM738HP20HHP20（改良型）不需热处理（预加硬）高硬度，高光洁度及耐磨性能，适合PA、POM、PS、PE、PP、ABS塑料模具上下内模，模芯镶件美国芬可乐NAK80P21（改良型）不需热处理（预加硬）高硬度，镜面效果佳，放电加工良好，焊性能佳，适合电蚀及抛光性能模具上下内模，行位，模芯镶件，行位镶件，斜顶日本大同NAK55P21加硫（改良型）不需热处理（预加硬）高硬度，易切削，加厚焊接性良好。
适合高性能塑胶模具下内模、模芯镶件日本大同2311P20不需热处理（预加硬）适合一般性能塑胶模具钢上下内模、模芯镶件国产相应代号（P20）638P20不需热处理（预加硬）加工性能良好适合高要求大型模架及下模下内模、下模芯镶件国产相应代号（P20）DF20-1热处理HRC54-56微变型油钢，耐磨性好压条、耐磨板、大推圈齿条、滚轮等国产相应代号（0-1）2510
《宁海模具》2010第35期..
技术园地MouldIndustryAssociationofNinghai
钢厂编号标准规格硬度一般特性,用途适用模具零件备注S50C-S55C1050不需热处理（预硬）贡牌钢适合模架配板及机械配件模板、拉板、支板、撑头、定位块等国产相应代号（1050）Moldmax30BE-CU预硬HRC26-32合金铍铜，优良寻热性，散热效果好，适合需快速冷却的模芯及镶件上下模芯镶件、斜顶行位镶件价格高美国合金铍铜Moldmax40预硬HRC36-42C1100PJISH3100（改良型）HV80电蚀红铜（紫铜），导电性能特佳电极、镶块日本三宝
注：
相对滑动零件使用不同钢材及硬度要求相差HRC2。
美国模具行业、斜顶一般用加硬钢材，或斜顶用铍铜料，除特别说明外。
二、注塑模具钢材选用的原则和要求
塑料模具钢的选用应根据所成型的塑料种类，被成型塑料制品的形状、尺寸、精度、质量及数量的不同要求考虑。
同时要考虑制造模具的条件和加工方法，选用不同类型的钢材，如渗碳钢、调质钢、高碳工具钢、耐蚀钢、低碳马氏体时效钢等。
模具材料的选用应遵循“满足制品要求，发挥材料潜力，经济技术合理”的原则。
具体来说应该从以下六个方面加以考虑：
⑴选用较理想的、使用性能、工艺性能好的材料：
①机械加工性能优良，易切削，适用于深孔、窄缝等难加工和三维较复杂形面的雕刻加工。
②抛光性能优良，没有气孔等内部缺陷，显微组织均匀且有一定的使用硬度（能达到镜面光泽，钢材必须具有≥38HRC的硬度，最好为40-46HRC而达到55HRC为最佳）。
③良好的表面腐蚀加工性，要求钢材质地细而均匀，适于花纹腐蚀加工。
④耐磨损有韧性，可以在热多变负荷的作用下长期工作。
对于塑料有腐蚀性物质产生的塑料模，必须考虑钢材耐腐蚀性，如聚氯乙烯要求钢材具有抗腐蚀性。
⑤电火花加工性好，放电加工后表面的硬化层要浅，以便于抛光。
⑥耐摩擦焊接性能好，具有焊接性好，焊后硬度不发生变化，且不开裂变形等。
⑦热处理性能好，具有良好的淬透性和很少的变形，易于渗氮等表面处理。
⑧膨胀系数少，热传导效率高，防止变形，提高冷却效果。
⑨尺寸稳定性好。
⑩价格比较合理，市场容易买到，供货期短。
⑵在满足制品质量前提下，要考虑模具的整体经济性。
⑶模具工作寿命因素的考虑在保证制品质量的前提下，模具工作寿命往往是选择模具材料考虑的主要因素。
⑷选择钢材要考虑可持续发展的综合因素：
①外观要求高的塑件选用镜面钢材料。
②形状复杂，体积较大，选用易切削钢。
③加工批量大（注塑件）尺寸精度高的选用优质模具钢。
⑸客户指定用钢，不能随意代用更改，如代用须经客户同意。
热处理要按客户要求做到，因为很多模具失效是由材质和热处理处理达不到要求等原因而引起的。
⑹在选用动定模材料时最好尽量选用预硬钢（H），不采用调质较好。
三、热处理
在模具设计制造时会出现材料选用不当和热处理应用等问题，其原因对热处理的工序较模糊，或者对钢材性能不熟悉。
或者存在着理念上的错误，认为钢材材质好，热处理硬度高，模具质量就好。
下面谈谈容易忽视而经常出现的问题，也就是说模具钢材选用和热处理应用所存在的误区。
一、复杂模具的型芯、型腔加工好后，采用正火工序去除应力。
模具零件在金加工后产生应力，为了消除应力、稳定其形状和尺寸、防止变形、开裂，用时效处理。
（1）时效处理：
时效处理分天然时效和人工时效。
钢件长期（一至三年）露天放在空气中任其风吹雨打日头晒，为天然时效。
（2）把工件加热到0～200C，保持10～20小时或更多时间称人工时效。
（3）去除应力有如下多种办法。
1）退火处理：
把零件加热到临界变相温度以上，保温一定时间，然后随炉缓慢地冷却，其目的是降低硬度，改善加工性能。
增加塑件和韧性，消除内应力，改善内部组织，而退火工序方法有很多种，有球化退火、等温退火、完全退火、低温退火、去应力退火等。
模具零件退火是用去应力退火。
2）正火处理：
把钢件加热到临界温度以上，保温一定时间，均温后，在空气中冷却，钢材经过正火处理能使强度，韧性等提高外，消除残余应力。
3）钢件经低温或常温回火可达到去除应力。
钢材经淬火后高温回火后的调质工序，也能达到消除应力，但有的注塑模具不需要淬火这道工序的。
了解以上几种消除应力的热处理工序，并且进行比较得知，正火的冷却速度比退火的冷却速度要大，组织要细少些。
因此硬度强度稍高些，在生产中，由于正火与退火相比，有机械性能高，操作简便，生产周期短，能耗量少，成本低等优点。
故在可能条件下，塑料模的动定模的消除应力，尽量优先考虑正火处理。
在宁海模具2010年第1期的一文中“复杂的模具型芯，型腔加工后，为什么要时效处理”在这里顺便勘误。
应该改用“正火”处理。
因为从广义上说是不错的，但在陕义上说是不妥当的。
注塑模具制造周期较短，在时间上不允许，所以采用正火工序去除应力较妥当。
二、氮化处理和氮化钢材的选用。
将氮（Ｎ）渗入钢材表面的过程称为氮化或渗氮。
渗入钢件表面的氮元素形成氮化层以提高模具零件的硬度，耐磨性和疲劳强度，红硬性及抗咬合性及抗腐蚀性。
氮化分气体氮化和软氮化，前者是单纯渗氮过程。
后者是碳氮共渗的过程，碳氮共渗一般用于含碳量低于0.3%的碳素钢，如10、15、20、30等级碳素钢。
气体氮化对纯铁或纯碳钢的硬化程度甚微，如果用含有铬Cr、钼Mo、铝Al、钒V等元素的合金钢气体氮化，其元素就会与氮的合力较强的合金元素结合，则被渗透时会产生铁、氮合金三元素的混合物，被渗氮层可获得极高之硬度。
其氮化层一般为0.01～0.60。
含有铬、钼、铝、钒的合金元素的钢有38CrMoAl、4Cr5MoSiV1、Cr12MoV、Cr6WV、P20、40Cr等。
从上分析可知道，不是什么钢都可氮化，我们要达到氮化目的和效果，并且氮化方法不能一概而论。
同时，不同的钢材用不同的氮化方法，图纸上标注氮化硬度和厚度，标注要合理。
不是氮化层标注越厚越好，而是氮化层要适当。
氮化层越厚，氮化费用就越高，时间就越长，同时要注意零件有尖角或薄件时，氮化层越厚脆性就大。
另外要注意对耐腐蚀钢不主张氮化处理，这样会降低它的耐腐蚀性。
三、钢材的选用应注意热轧流线方向。
特别是冲模的凹模用材要注意钢材的热轧流线方向。
钢材如同木材有纵横方向。
这样取材就不易折断。
如图1的凹模俯视图，其钢材热轧方向是与长边A垂直的方向，这样取材就不易折断。
图1
四、热处理硬度值的标注要合理。
有人认为热处理硬度值标注越高越好，如H13、SKD61、HRC可达63～65，设计图上就标注最高值，认为硬度值越高越好，模具用的时间就越长，实际不是这样的。
硬度值的标注要根据模具的要求加工零件（塑件或冲件）的批量来定，只要硬度值满足生产使用的情况下就可以了，硬度高了不一定模具就不会提前失效。
对于调质钢材一般硬度值标注在HRC28～32。
有的在图纸上标注调质HRC42～45这样就不妥。
有的在预硬钢的零件图纸上，技术要求写上调质硬度要求。
这是错误的，因预硬钢本身就是调质钢。
五、模具零件热处理外协工作要规范。
笔者发现有的模具厂对热处理这个环节不够重视。
把模具零件送到热处理厂，有的没有图纸，口头上交待一下热处理的要求，什么时候来拿，这种现象应该克服。
因为热处理厂要根据图纸上的钢材牌号、热处理要求、零件的形状尺寸等来编制热处理工艺卡。
正确选择热处理工艺、冷却方向、冷却介质。
假如没有图纸，如果热处理容易出问题。
零件热处理后出现庇病又怎么去交涉？
模具厂应重视热处理零件的质量，并须8点硬度检验规则验收，并经超声波探伤。
同时应检查零件热处理后有否变形、开裂、硬度是否达到要求，有否淬火软点，外表面有否脱碳、氧化、过热、过烧，表面腐蚀等庇病存在，检查合格方可入库以备使用。
模具的动定模零件经热处理后，要求热处理厂家提供质保单。
六、合理正确的选用模具钢材。
有人认为钢材用的越好，模具寿命就越长，但这不符合钢材选用的原则。
怎样选用模具钢材详见“塑料模具钢的分类、钢号及其性能、用途”和“注塑模具钢材选用的原则和要求”。
这里只着重讲2个问题。
有时，客户订单的模具钢材一时采购不到，事前没有经得客户同意就任意代用。
认为所用的钢材比订单的钢材还要优质，就没有问题。
但是，如果配套的汽车部件模具，不是同一钢材模具制造，注塑件外表面如要烂花、皮纹，那么它们的质量就会不一致，严重的还可能造成模具报废。
早在70-80年代，45#钢普遍应用在注塑模具的型腔和型芯，45#是优质碳素结构钢，现在普遍被别的钢材取代。
但是在满足批量生产的前提下，经得客户同意，建议采用45#钢材，经初加工后调质使用。
这样可降低制造成本，只要制造精度高，45#钢材制造的注塑模具，制塑件也可达到五六十万次以上。
七、动定模如是整体的不采取镶块结构的，要特别注意模架的定模材料是否符合客户要求。
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