如何选择塑料模具材料？

1）塑料模成型件的材料选用

（1）非合金塑料模具钢的选用

对于生产批量不大，没有特殊要求的小型塑料成型模具，可采用价格便宜，加工性能好，来源方便的碳素结构钢（如45，50，55钢和20，15钢），碳素工具钢（如T8，T10钢）制造。为了保证塑料模具具有较低的表面粗糙度，有时对制造塑料模具的碳素结构钢和碳素工具钢的冶金质量提出一些特殊要求，有时对钢材的有害杂质含量、低倍组织等提出较为严格的要求。

其中，碳素工具钢主要用于制造要求耐磨性较高的小型热固性塑料成型模具，由于碳素工具钢的淬透性低，淬回火后，模具表面硬度很高，具有良好的耐磨性，而中心区域硬度较低，具有良好的韧性。

碳素结构钢中的低碳钢，经过渗碳淬火回火后使用，表面渗碳层淬回火后硬度高、耐磨性好，中心部分仍具有良好韧性。多用于制造热固性塑料成型的小型玩具。

（2）渗碳型塑料模具钢的选用

渗碳型塑料模具钢的碳含量一般为0.1%～0.2%，硬度低，切削加工性好，塑性好，可以采用冷加压方法用淬硬的凸模在渗碳型塑料模具钢制件上直接压制出型腔来，省去型腔的切削加工，对于成批生产一种模具是十分经济的工艺方法。模具加工后经过渗碳、淬火、低温回火后，具有高硬度、高耐磨性的面积和韧性良好的心部组织，可用于制造各种要求耐磨性良好的模具。

但是上述热处理工艺比较复杂，有可能产生较大的热处理变形，因此，一般用于制造小型的、形状比较简单的模具。

这类钢常用的有15，20钢。但由于其淬透性低、心部的强度低，不得不采用水等冷却能力很强的淬火介质淬火，容易产生严重的热处理变形等缺陷。为了解决这一问题，采用各种合金渗碳钢，如20Cr，12CrNi2，12CrNi3，20CrMnTi等钢种，这些钢淬透性较好，渗碳后可以采用油淬火，避免严重的淬火变形，热处理后的芯部也具有较高的硬度和强度。可以用于制造形状较复杂的、承受载荷较高的塑料件成型模具。

预硬型塑料模具钢的使用硬度一般为30～40 HRC，过高的硬度将使预硬钢的可加工性变坏。

常用的预硬塑料模具钢可分为两类：一类是借用合金钢和一些低合金热作模具钢的成熟钢号，如35CrMo，40CrMo，45CrMo，5CrNiMo，5CrMnMo等钢种；另一类是结合塑料模具钢单独开发的钢种，常用有3Cr2Mo（P20），3Cr2NiMnMo，5CrNiMnMoVSCa，8Cr2MnWMoVS等钢种，当预硬的硬度较高时，为了改善其切削性，往往在这类钢中加入易切削元素，如S，Pb，Ca等，可以使钢在高硬度下的可加工性得到显著的改善。

（3）时效硬化型塑料模具钢的选用

对于复杂、精密、长寿命的塑料模具，为了避免其在淬火热处理中产生的变形，发展了一系列的时效硬化型塑料模具钢。

时效硬化型塑料模具钢在固溶处理后硬度很低（一般≤30 HRC），可以很容易地进行切削加工，待加工完成后再进行较低温的时效处理，获得要求的综合力学性能和耐磨性，由于时效热处理的变形量很小，且有规律性，时效处理后不再进行加工，即可得到很高的模具成品。

其主要靠在时效过程中析出的金属化合物进行强化，因此碳含量较低，一般焊接性良好，可以采用堆焊工艺对失效的模具进行修复。为了进一步提高模具的耐磨性，对模具进行渗氮处理。

时效硬化型塑料模具钢又可以分为两种类型：一种是低合金时效硬化模具钢，如我国自行开发的25CrNi3MoAl钢，美国的P21钢（20CrNiAlV），日本大同特殊钢公司的NAK55（15Ni3MnMoAlCuS）等，这类钢固溶处理后，硬度为30 HRC左右，时效处理后，由于金属化合物Ni3Al脱溶析出而强化，硬度可以上升到38～42 HR，如果进行渗氮处理，可以使表面硬度达到1 100 HV左右，主要用于制造精密复杂的热塑性塑料制件的模具；另一种为合金含量较高的马氏体时效钢，是借用一些超高强度马氏体时效钢，最典型的如18Ni钢，主要用于制造使用寿命要求很长的高精度、高表面质量的中、小型复杂的塑料模具。尽管材料费用比一般模具钢高几倍，但是由于模具寿命长、压制的塑料制品精度好，表面粗糙度低，仍在一定的范围内得到运用。典型的高合金马氏体时效钢有18Ni（250）（00Ni18Co8Mo5TiAl），18Ni（250），（00Ni18Co13Mo4TiAl）等，固溶后形成超低碳马氏体，硬度为30～32 HRC，时效处理后，由于各种类型间金属化合物的脱溶析出得到时效硬化，硬度可上升到50 HRC以上，其在高强度、高韧性的条件下仍具有良好的塑性、韧性和高的断裂韧性。

为了降低材料费用，近年来开发了一些低钴、无钴、低镍的马氏体时效钢，其中，专门设计用于制造塑料模具的钢种是06Ni6MoVAl钢，此钢含镍量大幅度下降，固溶处理后硬度为25～28 HRC，时效处理后硬度可上升到45 HRC左右。由于时效时析出相的数量较高合金马氏体时效塑料模具钢少，因此，时效时尺寸变形也较小（一般为0.02%）（18Ni250钢为0.06%，18Ni350钢为0.08%）。这对于控制模具的变形是有利的。这种贵重元素含量较低、价格较低的马氏体时效塑料模具钢，既具有一般高合金马氏体时效钢的特性，可以适应高精度、复杂、高寿命塑料模具的要求，又有较低的价格，是一种有发展前景的钢。

（4）耐蚀型塑料模具钢的选用(https://www.xing528.com)

生产过程中产生化学腐蚀介质的塑料制品（如聚氯乙烯、含氟塑料、阻燃塑料等）时，模具材料必须具有较好的抗蚀性能。当塑料制品的产量不大、要求不高时，可以采用对模具工作表面镀铬防护，大多数情况下采用相应的耐蚀钢制造塑料模具。由于模具要求有较高的强度、硬度和耐磨性，因此，一般采用中碳或高碳的高铬马氏体不锈钢制造塑料模具，如3Cr13，4Cr13，4Cr13Mo，9Cr18，Cr18MoV等钢种。

为了得到满意的综合力学性能和较好的抗蚀性、耐磨性，要对这类钢制成的模具进行淬火、回火处理。其中，对高碳高铬型耐蚀塑料模具钢，如9Cr18钢，一般采用200℃左右低温回火处理，以防回火温度过高形成过多的铬碳化物，降低基体组织中铬含量，影响其抗腐蚀性。而对中碳的铬不锈钢，如4Cr13钢，由于存在回火脆性倾向，则常采用在650～700℃的高温回火处理。通过高温回火还可以使钢中的铬碳化物（Cr，Fe）向23C6转变，改善钢中的贫铬区现象，使钢得到较高的耐蚀性和较好的综合力学性能。

其中，高碳高铬的钢号属于莱氏体钢，在铸态组织中常存在着分布不均匀的粗大的一次和二次合金碳化物，必须通过锻轧将其破碎，使其分布均匀，并严格控制终锻和终轧温度，避免钢中沿界析出链状碳化物，影响钢的韧性和塑形。

（5）整体淬硬型塑料模具钢的选用

用于压制热固性塑料，特别是一些增强塑料（如添加玻璃纤维、金属粉、云母等的增强塑料）的模具，以及生产批量很大，要求使用寿命很长的模具，一般采用对模具进行整体淬硬，在高硬度下使用。塑料模具材料一般选用高淬透性的冷作模具钢或热作模具钢。制造这类模具常用的模具钢有冷作模具钢9CrWMN，CrWMN，Cr12，Cr12MoV，CrMo1V，Cr12Mo1V1等。热作模具钢则选用5CrMnMo，5CrNiMo，4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1等。

（6）塑料成型用非调质模具钢的选用

原来的预硬型塑料模具钢都要求在热加工以后进行调质处理，而淬火和高温回火工艺复杂、耗能，还可能引起钢材的脱碳、氧化、变形等缺陷。随着结构钢中非调质钢的发展，近年来，我国研制了一系列的非调质模具钢，在热加工以后不需要再进行淬火回火处理，直接得到要求的预硬化性能，可以简化生产工艺、节约能源、降低材料的生产成本。

如近年来发展的3Cr2MnMoVS钢，在空冷条件下，100 mm厚度的截面上，硬度都可以达到40 HRC左右。一些单位研究开发的2MnMoVSa等钢种ϕ100 mm圆钢轧后空冷硬度可达到30 HRC左右。随着工作的进一步深入，这类钢可能会在一定范围内作为预硬钢得到推广应用。

（7）易切削塑料模具钢的选用

在形状复杂的中小型模具生产中，模具的加工费用往往占模具生产成本的60%～70%，因此，提高模具的切削加工效率，成为降低模具生产成本的主要因素之一，相应地发展了一系列的易切削型塑料模具钢。

易切削型塑胶模具钢主要是结合预硬型模具钢和一些马氏体时效钢发展起来的，由于这类钢加工时硬度较高（可达30～40 HRC），切削加工性差，如3Cr2MnMoVS非调质易切削型塑料模具钢，在硬度达40 HRC的情况下，仍然可以顺利地用一般高速钢刀具进行切削加工。日本大同特殊钢公司介绍，其易切削型时效硬化型不锈钢NAK55，在硬度高达40 HRC左右时，其切削性可以与S53C（接近我国55钢）硬度为18 HRC时的可加工性相当。

易切削元素（如硫）加入后，为了抑制其对力学性能的不利影响，往往加入变性剂（如钙、铼等），使钢中的硫夹杂物变成球状或纺锤状的富钙硫化物或稀土矿合物，通过变形处理，可以充分发挥硫对可切削性的有利作用，而抑制其对力学性能和热加工性能的不利影响，如我国研制的5NiCaS钢等。常用塑料成型模具钢的选用见表4-3。

表4-3　常用塑料成型模具钢的选用

2）塑料模具辅助零件材料的选用

塑料模具的辅助材料，因其抛光性、耐蚀性等要求较低，可选用常用的塑料模具钢材，经过合理的热处理，使用性能完全达到要求，降低了模具造价。部分模具零件的材料选用举例及热处理要求见表4-4。

表4-4　部分模具零件的钢选用及热处理要求