塑料模具材料的分类与选用

在设计模具时，如何合理地选用模具钢，是关系到模具质量的前提条件。如果选材不当，则所有精密加工投入的工时和设备费用将会发生浪费。

模具材料选用是否合理，对模具的寿命、精度、加工性、价值等有很大的影响。模具材料的选用一般均依照下列原则：容易获得；机械加工性良好；表面加工性良好；强度、韧性和耐磨性好；无针孔和沉淀杂质等內部缺陷；可焊接性佳；热处理容易、热变形小；耐热性好，热膨胀系数低。

模具生产的单套性使模具工作者经常面临选材和选择强化处理工艺的问题。当前我国模具选材的主要问题是采用老钢种多新钢种少；用常规热处理工艺多，用表面处理新技术少；加工后再热处理多，热处理后再加工少。由此造成模具平均寿命短（仅为国外的1/3），材料消耗多，制造废品率高。中国模协模具材料委员会于1997年4月推出《模具钢使用推荐表》以促使模具企业科学合理地选材。

1.塑料成型模的选材

塑料模一般结构复杂，要求尺寸精确、接缝密合和表面光滑。模膛表面的轻度损伤或腐蚀就需要重新研磨抛光。工作压力大时也会产生塑性变形和疲劳断裂。塑料模的热负荷不高，但当低温回火不足时，工作中模具表面会继续发生回火转变，引起相变内应力和相变诱发塑性，从而在压力和摩擦力作用下产生表面起皱或热疲劳裂纹。因而要求模具材料有较高的强韧性、耐磨性、可加工性和抛光性能好，热处理变形小，尽量不用低温回火或避免回火不足。

塑料成型模的加工费用高，约占总成本的75%，材料费仅占10%左右。因而，塑料模更趋向于优先选用容易切削和抛光，且在制造过程中能减少或消除热处理变形的材料。

过去，塑料模通常借用各类传统钢种来尽量满足其使用性能和成型工艺性能的要求。常用的材料有工业纯铁、20、20Cr、12CrNi3A、45、40Cr、5CrNiMo、T7A、T10A、GCr15、Cr2、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV钢和Cr13型不锈钢等。一般先进行冷压成型或切削加工成型后，再进行热处理和精加工。尽管各种模具用钢各有特点，但都难以同时满足使用性能、加工性能、尺寸精度和表面质量等多方面要求，这促使了新型塑料模具专用钢的研发和生产。

新型塑料模具钢主要分为两大类。一类属于易切削钢，它通过改善预硬调质后的可加工性能来实现先热处理后加工，以保证模具精度要求；另一类属于时效硬化钢，它通过固溶处理→切削加工→时效硬化来解决模具硬度、精度与加工性能之间的矛盾。两类钢均可通过表面强化处理来达到整体强韧表面耐磨的要求。

2.一般预硬型塑料模具钢

这类钢主要包括3Cr2Mo、3Cr2NiMo、4Cr2MnNiMo等钢。它们含碳量不高，淬火温度约830～860℃，在不同温度下回火后硬度至28～36HRC时，仍有良好的可加工性能。P4410和718钢的淬透性、强韧性相对较高，可分别用于截面厚度≥250mm和≥400mm的模具。均可采用渗氮或火焰淬火以提高表面硬度。

3.易切削预硬型塑料模具钢

这类钢包括5NiSCa、SM1、SM2、8Cr2。它们均含S或Ca，调质硬度为36～45HRC时，切削性能与调质态45钢相近。这四种钢除了用作各种塑料模外，还可用于胶木线路板冲孔模及精密冲裁模导向板。分别简单介绍如下：

1）5NiSCa。热处理工艺：880～930℃油冷，550～680℃回火，硬度为30～45HRC；可镀Cr、Ni，镜面抛光性能良好，适于制造透明塑料模具。

2）SM1。热处理工艺：880～930℃油冷，550～680℃回火，硬度为30～45HRC；可镀Cr、Ni，还可渗氮。镜面抛光性能良好，适于制造透明塑料模具。

3）SM2。热处理工艺：880～900℃油冷，500～520℃回火，硬度为40HRC；可镀Cr、Ni，还可渗氮。

4）8Cr2。热处理工艺：860～900℃油冷或空冷，550～620℃回火，硬度为42～48HRC。可镀Cr、Ni，还可渗氮。硬度、耐磨性高，适用于制造耐磨性较好的塑料模具。(www.xing528.com)

4.时效硬化型塑料模具钢

（1）低镍马氏体时效钢06Ni此钢比18Ni型钢便宜很多，工艺简便。其工艺过程为：800～850℃油冷，硬度为20～23HRC，加工成型后经（510～530）℃×（6～8）h时效处理，硬度为43～48HRC，变形率为0.02%～0.05%。用它制造塑料模具比用40Cr、T10A等钢提高模具寿命2倍以上。可进行渗氮强化模具表面。

（2）新型时效硬化钢25CrNi3MoAl此钢为Ni-Mo-Al系时效硬化钢。其工艺过程为：880℃水淬或空冷，硬度为48～50HRC；680℃×（4～6）h回火，硬度为22～23HRC；加工成型后经（520～540）℃×（6～8）h时效，硬度为39～42HRC，变形率为-0.04%，若半精加工后去应力回火，变形率减小至-（0.01～0.02）%；时效的同时可进行渗氮；最后经研磨、抛光或光刻花纹后装配使用。

（3）镜面塑料模具钢PMS此钢为Ni-Cu-Al系时效硬化钢。工艺过程为：800～850℃空淬，硬度为30HRC，易于切削成型，再经（510～530）℃×（3～5）h时效，硬度为41～43HRC，可同时进行渗氮，变形率为-（0.01～0.04）%。

此钢中若加入质量分数为0.04%～0.15%的硫，热处理硬度为38～45HRC时，其可加工性能与正火中碳钢相近，故也可作为预硬钢。它还具有可逆时效性能，650℃回火后硬度为25HRC，适于冷挤压成型高精度模具，再经时效处理仍可将硬度提高至40HRC。

PMS钢适用于制造要求镜面或光刻蚀花纹的各种热塑性塑料成型模，渗氮后可用于含玻璃纤维等硬填料的工程塑料件精密成型模。

（4）耐蚀塑料模具钢PCR此钢系时效硬化不锈钢。1050℃空冷固溶，硬度为32～35HRC；切削成型后经（460～480）℃×4h时效，硬度为42～44HRC，变形率-（0.04～0.05）%，有良好的抛光性能。适于制造含氯、氟的塑件成型模。时效抛光后再于300～400℃进行PVD离子镀，可用于要求高耐磨的耐蚀塑料模。

5.适用于冷挤压成型的塑料模用钢

适用于冷挤压成型的塑料模用钢包括工业纯铁和10、15、20、20Cr钢。

1）其加工工艺路线：锻造→退火→粗加工→冷挤压成型→高温回火→加工成型→渗碳→淬火→回火→抛光→镀铬→装配。

2）对于中小型、且不很复杂的模具，可用T7A、T10A、9Mn2V、CrWMn、Cr2钢等。对于大型塑料模具可采用4Cr5MoSiV或PDAHT-1钢（质量分数为0.8%～0.9%C、8%～2.2%MNi、≤0.35%Si、0.9%～1.1%Cr、1.2%～1.5%Mo、0.1%～0.3%V）在要求高耐磨性时也可采用Cr12MoV钢。

加工工艺路线：锻造→退火→粗加工→调质或高温回火→精加工→淬火→回火→钳工抛光→镀铬→抛光装配。

3）复杂、精密模具。使用18CrMnTi、12CrNi3A和12Cr2Ni4A等渗碳钢。其加工工艺路线同1）。

4）压制成形时易析出有害气体并遇钢发生强烈化学反应的塑料。可采用马氏体不锈钢2Cr13或3Cr13钢。模具加热温度在950～1000℃油淬并在200～220℃回火。热处理后硬度为45～50HRC，这类模具不需要镀铬。

塑料模具在淬火加热时应注意保护，防止表面氧化、脱碳。热处理后最好先镀铝，以防止腐蚀和粘附，这样既易于脱模又可提高耐磨性。