塑料模具材料选择指南

发布时间：2007-12-30 20:05:30点击率：0

技术类别：模具技术

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,DT2,0Cr4NiMoV    预硬型    3Cr2Mo,Y20CrNi3AlMnMo(SM2),5NiSCa,Y55CrNiMnMoV(SM1),4Cr5MoSiVS,8Cr2Mn－WMoVS(8CrMn)
调质型    45,50,55,40Cr,40Mn,50Mn,S48C,4Cr5MoSiV,38CrMoAlA
        耐蚀型    3Cr13,2Cr13,Cr16Ni4Cu3Nb(PCR),1Cr18Ni9,3Cr17Mo,0Cr17Ni4Cu4Nb(74PH)
淬硬型    T7A,T8A,T10A,5CrNiMo,9SiCr,9CrWMn,GCr15,3Cr2W8V,Cr12MoV,45Cr2NiMoVSi,6CrNiSiMnMoV(GD)
        时效硬化型    18Ni140级,18Ni170级,18Ni210级,10Ni3MnCuAl(PMS),18Ni9Co,06Ni16MoVTiAl,25CrNi3MoAl

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58～62HRC。
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，以及国内研制的冷成形专用钢
0Cr4NiMoV（LJ）。现介绍两个典型钢种。
（一）0Cr4NiMoV（LJ）钢
1.化学成分：表3-3是LJ钢的化学成分。
表3-3LJ钢的化学成分（质量分数）（%）
C    Mn    Si    Cr    Ni    Mo    V
≤0.08    ＜0.3    ＜0.2    3.6～4.2    0.3～0.7    0.2～0.6    0.08～0.15

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℃，始锻温度1200℃，终锻温度900℃。
退火工艺：加热880℃，保温2ｈ，随炉缓冷至（冷速约40℃／h）650℃后出炉空冷，退火硬度100～105HBS，可顺利地进行冷挤压成形。
固体渗碳工艺：加热930℃×（6～8）ｈ，渗后在850～870℃油淬，再进行200～220℃×2ｈ的低温回火，热处理后表面硬度58～60HRC，心部硬度为27～29HRC，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。由于渗碳淬硬层较深，基体硬度高，不会出现型腔表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3-412CrNi3A钢的化学成分（质量分数）    （%）
C    Si    Mn    Cr    Ni    P、S
0.09～0.16    0.17～0.37    0.30～0.60    0.60～0.90    2.75～3.25    ≤0.025

2.工艺性能：锻造加热温度为1200℃，始锻温度1150℃，终锻温度大于850℃，锻后缓冷，锻后必须软化退火。
退火工艺：740～760℃加热，保温4～6ｈ后以5～10℃／ｈ的速度缓冷至600℃，再炉冷至室温，退火后的硬度＜160HBS，适于冷挤压成形。
正火工艺：870～900℃加热并保温3～4ｈ后空冷，正火后硬度≤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℃保温6～7ｈ，可获得0.9～1.0ｍｍ的渗碳层，渗碳后预冷至800～850℃直接油淬或空冷，淬火后表层硬度可达56～62HRC，心部硬度为250～380HBS，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。由于该钢强韧性高、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度。这类钢的特点是在硬度30～40HRC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）3Cr2Mo（P20）塑料模具钢
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3-53Cr2Mo钢的化学成分（质量分数）    （%）
C    Si    Mn    Cr    Mo    P、S
0.28～0.40    0.20～0.80    0.60～1.00    1.40～2.00    0.30～0.55    ≤0.030

相变点为Ａc1770℃、Ac3825℃、Ar1640℃、Ar3760℃、Ｍs300℃、Ｍf120℃。
2.工艺性能
（1）锻造：加热温度1100～1150℃，始锻温度1050～1100℃，终锻温度≥850℃，锻后空冷。
（2）退火：加热温度850℃，保温2～4h，等温温度720℃，保温4～6h，炉冷至500℃，出炉空冷。
（3）淬火及回火：淬火加热温度860～870℃，油淬，540～580℃回火。预硬态硬度为30～35HRC。
（4）化学热处理：P20钢具有较好的淬透性及一定的韧性，可以进行渗碳，渗碳淬火后表面硬度可达65HRC，具有较高的热硬度及耐磨性。
3.力学性能
850℃淬火，550℃回火的P20钢室温力学性能见表3-6所示。
表3-6P20钢室温力学性能
硬度HRC    σb/Mpa    σ0.2/MPa    δ5(%)    ψ(%)    αk/(J/cm2)
30    1250    1140    14    58    11.5

4.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1～3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
衣机面板盖模具等。
（二）3Cr2NiMo（P4410）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

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