塑料模具用钢与热处理

第
五 章
二、12CrNi3钢
塑
料
模
具 中淬透性合金渗碳钢．冷成形性能属于中等。
用
钢 及
合金化原则：碳↓→有利于冷成形；加入Ni、Cr↑钢的淬
热 处
透性和渗碳层的强韧性，尤其是Ni ，在固溶强化的同时。
理 ↑↑钢的塑性。
第 二
锻造工艺：加热温度为1200℃，始锻温度1150 ℃ ，终锻
节 温度≥850 ℃ ，锻后缓冷。
模 具
(760~830 ℃) ，可细化渗碳层中的马氏体晶粒，
钢 获得渗碳层组织为隐晶马氏体以及均匀分布的细
粒状碳化物→提高韧性。
二次淬火会的不足：↑↑↑氧化、脱碳及变形等 缺陷，生产周期长，经济效益低，一般不常采用。
第
五 章
一、渗碳钢及合金渗碳钢
塑
料
模 具
10、20钢是成分最简单、价格最便宜的渗碳钢。
及
工 作
V. 电加工性能：电加工时不会产生电加工硬化层。
条
件
第 五 章
塑 料 模 具 用 钢 及 热 处 理
第 一 节
塑
料
模
具
的
分
类
及
工
作 条
用于塑胶模具的模块可抛光到镜面
件
第
五 章
影响模具材料镜面加工的主要因素
塑
料
模
具 用
I.
钢中第二相（Al2O3、硅酸盐以及碳化物）的数
钢 及
量、尺寸和分布。
节
塑 I. 先在640－670 ℃回火6h后空冷，消除锻造后的残余
料 模
应力
具 钢
II. 然后以大于20 ℃ ／min的速度加热到880-940 ℃ ，空
冷
III. 再在650-770 ℃回火．可获得均匀细小的珠光体和少 量铁索体组织→晶粒细化
IV. 再渗碳、淬火、回火
第
五 章
四、0Cr4NiMoV(LJ)钢
节
塑
料
模 具 钢
渗碳钢中碳的质量分数一般在％％范围内，退火 后硬度较低，具有良好的切削加工性能，也可采
用冷挤压成形法制造模具。
第
五 章
冷挤压成形法
塑
料
模
具 用
冷挤压成形
钢
及 热
无需进行切削加工→少无切削加工
处 理
可大批量生产同形状模具
第
制模周期短、成本低，互换性好
二 节
为了冷挤压成形，这类钢在退火状态必须有高
第
五 章
二次淬火
塑 料
对于性能要求较高的塑料模具
模
具
用 钢
第一次淬火的目的：细化心部组织，并消除渗碳
及 热 处
层中的网状碳化物。为了减小零件的变形，可以 油冷，有时甚至可用正火代替。
理
第 第一次淬火的问题：虽然心部组织细化，但是渗
二 节
碳层马氏体晶粒较粗大，因而脆性较大。
塑 料
第二次淬火工艺与目的：较低的加热温度
热塑性塑料注射模：用于尼龙、聚甲醛、聚
类 及
乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等热塑
工
性塑料的注射成形。
作
条
件
第
五 章
塑料成型模具的工作条件
塑
料
模 具
塑料模具
合模力
用 钢
受力分析 型腔内熔体的压力
及 热
开模力
处
理
主要因素，计算型腔的强 度和刚度时，以此为据。
第 (1)热固性塑料模具：工作温度一般在160－250 ℃ ，快速
塑
料 模 具
特点→冷挤成形的模具轮廓清晰、光洁、精度高
钢
用途→主要用来冷挤成形精密塑料模具。因渗碳
层厚，不会出现鸡蛋壳和内壁咬伤的现象，使用
效果良好。
第 五 章
塑
料
模
具
用
钢
及 热
含碳量一般为0.5%~0.6%，国内普遍采用45钢。
处
理
第 二
随着塑料制品精密化，形状复杂及大型化，成型
节 塑
方法的高速化，碳素结构钢逐渐被合金钢取代。
第
五 章
易切削预硬钢
塑
料
模
具 用 钢
问题：预硬化钢的使用硬度一般在30~42HRC， 切削加工性能较差。
及
热 处
加入S、Se、Ca等元素形成易切削钢，既保证了
渗碳 直接淬火→节能
用
钢 及
热处理→ 淬火→ 一次淬火
热 处
二次淬火
理 第
低温回火→通常为200 ℃左右
二
节
塑 料
使模具获得高的硬度、强度，一定的塑、韧性，
模 具
保证了模具的使用性能，↑模具的寿命。
钢 渗碳后一般应先缓冷，然后进行一次淬火。淬火
温度应根据需要进行选择，通常控制在810~850
℃之间，使模具表面和心部组织同时得到改善。
一
节 成型时，模具的局部温度会较高。模腔承受压力一般为30－
塑
料 模
200MPa，型腔表面易受腐蚀和磨损。
具 的
(2) 热塑性塑料模具：工作温度一般在200 ℃以下，模腔承
分 类
受压力为100－200MPa。在塑料熔体充模时，会受到熔体
及
工 的摩擦、冲刷。
作
条 件
对聚氯乙烯、氟塑料及阻燃级的ABS塑料，成型过程中会
高，因此应具有优良的切削和磨削加工性能。
热
处 理
II. 镜面加工及图案蚀刻性能：在硬态下应具有良好
第
的镜面抛光性能及花纹图案蚀刻性能。
一
节
塑 III. 热加工性能：淬透性高，热处理变形小，尺寸稳定
料 模
性好。热处理后有高强韧性、高硬度和耐磨性。
具
的
分 类
IV. 焊接性能：模具磨损、崩块等修复时，常用焊补。
热
处 理
→第二相硬质点越多，其镜面加工性越差。
第 一
→非金属夹杂物的危害比碳化物还大，因此，塑
节 塑
料模具钢大多为超清净钢。
料
模
具 I. 钢的硬度。一般硬度越高．其镜面加工性能越
的 分
好→因为硬度低会使抛光产生磨痕。
类
及
工 作
II. 模具钢的组织均匀性。组织均匀性越好，镜面
条 件
加工性能越好→ 实际仍是硬度问题。
Interior panels(low-gloss Geloy® CR 5020)内装饰板
第
五 章
第一节
塑料模具的分类及工作条件
塑
料
模
具
用 钢
塑料模具的工作条件及失效形式
及
热
处
理 塑料模具的分类及工作条件
第
一 节
分类
塑 料 模
热固性塑料压模(胶木模)：用于各种胶木粉 的压制成形。
具
的 分
有利于模具材料的标准化、批量化。
第 五 章
塑
料
模
具
用
钢
及 热
含碳量一般为0.3%~0.5%，并含有一定的Cr、
处 理
Mn、V、Ni等合金元素，以保证淬透性。调质处
第 理后，可获得单一组织和所需的硬度。
二 节
塑
料 模
典型钢种H13（4Cr5MoSiV1），较高的耐热性
具 钢
能，适用于聚缩醛、聚酰胺（尼龙）等注射成型。
第
五
章 塑
12CrNi3钢的气体渗碳工艺
料
模
具
用 钢 及
渗碳工艺→900~920 ℃×6-7h，
热 处
可获得的渗碳层。
理
第 淬火工艺→渗碳后预冷至800~850 ℃可直接
二
节 塑
油冷或空冷淬火。
料
模 具
淬火后→
表层硬度可达56~62HRC，
钢
心部硬度为250~380HBS。
主要用于冷挤压成形复杂的浅型腔塑料模具，或 用于切削加工成形大、中型塑料模具。
塑
料
模
具
用 钢
LJ钢为冷挤成形塑料模具专用钢→华工。
及 热
合金化原则
处 理
碳量极低，塑性、变形抗力极低，其冷挤成形
第
性与纯铁相近。
二 节
Cr、Ni、Mo、V等，↑↑淬透性、渗碳层的硬
塑 料
度、耐磨性和心部强度。
模 具
锻造工艺： →锻造加热温度为1230 ℃，始锻温
钢
度为1200 ℃。终锻温度为900℃
用
钢 及
渗碳后
热 处
表面高的硬度和耐磨性
理
第 因淬透性差，淬火后心部强度很低
二 节
适宜要求载荷小、强度低的模具。
塑
料
模 具 钢
钢中碳含量及合金元素含量↑，淬透性将↑↑↑
合金渗碳钢的淬透性较高．淬火时可采用较缓和 的冷却介质，从而减小了模具的热处理变形。
常用的合金渗碳钢牌号有20Cr、12CrNi2、 12CrNi3、12CrNi4和20Cr2Ni4等。
料
模
具
钢
第
五
章
塑
料
模
具
用
钢
及 热
定义：将锻造、轧制的模块预先调质处理到一定
处 理
硬度(20~40HRC) ，直接加工成模使用。 →预硬
型塑料模具钢
第
二 节
特点：完全避免了因热处理而引起的模具变形和
塑 料
开裂。
模
具 钢
适用：模块、模板、中厚板。预硬钢最适宜制作 形状复杂的大、中型精密塑料模具。
第
些：反之，硬度可取低些。
一 节
3) 耐腐蚀，以抵御HCl、SO2、HF等腐蚀性气体
塑 料
的侵蚀。
模 具 的
4)耐热性和尺寸稳定性，模具材料应有稳定的组 织和低的热膨胀系数数→模具变形。
分
类 及 工
5)材料应高度纯净，组织均匀致密，无网状及带 状碳化物，无孔洞、疏松及白点等缺陷。
作
条
件
第
五
章 塑
硬度与耐磨性由这些碳化物提供
第
五 章
三、20Cr2Ni4
塑
料
模
具 用
高强度合金渗碳钢，淬透性、强韧性均超过12CrNi3钢。
钢 及
晶粒粗大的问题：锻后如出现晶粒粗大，即使经正火及随
热 后渗碳加热，在淬火后仍将得到粗大的马氏体组织。而且，
处 理
当表面碳含量较高时，还易于在粗大奥氏体晶粒的晶界上 形成网状碳化物。
第
二 解决措施
料
模
具
用
钢
及
热
处
理
第 一 节
塑 料 模 具 的 分 类 及 工 作 条 件
第 五 章
塑 不同类型塑料模具的工作硬度
料 模 具 用 钢 及 热 处 理
第 一 节
塑 料 模 具 的 分 类 及 工 作 条 件
第
五 章
对加工工艺性能的要求
塑
料
模
具 用
I. 机械加工性能：塑料模具型腔复杂，表面质量要求
钢 及
退火工艺： →880 ℃×2h，随炉冷至650 ℃出炉
空冷，退火硬度为100~105HBS。
第
五
章
塑 料
LJ钢渗碳速度快，比20钢快一倍。
模
具 用
固体渗碳工艺：930 ℃×6-8h．
钢
及 热
热处理：
处
理 渗碳后850~870 ℃油淬，200~220 ℃×2h回火
第
二
节 表硬58~60HRC，心硬27~29HRC
第
五 章
塑
5.2 塑料模具钢
料
模
具 用 钢
塑料模具钢的分类
及 热
按钢种类型分为：
处
理
低碳低合金钢：渗碳型塑料模具钢
第
二 节
碳素结构钢
塑 料
合金结构钢
模 具
合金工具钢
钢
析出硬化钢
马氏体时效钢
第 五 章
塑
料
模
具
用
钢
及
热 处
这类钢的退火硬度较低，经冷挤压成型后进行渗
理
碳和回火处理，使模具具有一定的硬度、强度和
处
理
第 一
• 断裂失效
节 塑
– 由于结构、温差产生的结构应力、热应力，因回火不足，
料
在使用温度下残余奥氏体转变为马氏体引起局部体积膨
模 具
胀，在模具内部产生组织应力所致。
的
分
类
及
工
作
条
件
第
五
章
塑 对塑料模具的性能要求
料
模
具 用
强度与韧性
钢
及 热
使用性能 硬度与耐磨性
处 理
耐腐蚀性、耐热性
第
高度纯净
第 二
耐磨性，表面性能接近4Cr5MoSiV热模钢的水
节 塑
平。
料
模
具
钢 由于这类模具系冷挤压成型，无须再进行切削加
工，故制模周期短，便于批量生产，精度高。
第 五 章
塑
料 模
渗碳型塑模钢→
碳素渗碳钢
具 用
合金渗碳钢
钢
及
热 处
特点→
表面具有高硬度和耐磨性
理
心部具有较好的强韧性
鸡蛋壳
第 二
较好的抛光性能 →硬度与第二相
一
节 塑
性能
料 模
机械加工性能
具
的
镜面加工性能
分
类 及
工艺性能 热加工性能、焊接修补
工 作
电加工性能
条
件
第
五
章 塑
对使用性能的要求
料
模
具 用
1)强度与韧性，使模具能承受开模力、熔体压力、
钢 及
锁模力的作用而不发生变形和开裂。

热 处
2)硬度与耐磨性，通常在38-55HRC范围内。形
理
状简单、抛光性能要求高的模具，硬度可取高
塑 料
的塑性和小的变形抗力，冷加工硬化效应小。
模
具 钢
退火硬度
≤100HBS， 成形复杂型腔时，
≤ 160HBS，成形浅型腔时，
第
五 章
常用渗碳型塑料模具钢的化学成分
塑
料 模
C、Si、Mn、Cr、Ni、 Mo
具
用
钢
及
热
处
理
第 二 节
塑 料 模 具 钢
第
五 章
渗碳型塑料模具钢的热处理
塑
料
模
具
塑料模具用钢与热处理
Wheel Housing PC/ABS 轮罩盖 Baggage Doors (Millennium III®)行李舱门
Front Panel & Bumper facial PC/ABS 前面板/保险杠
Door Housing & Side Panel (Millennium III®)&侧板
塑
料 模
退火工艺为：加热到740-760 ℃，保温4-6h，以5-10 ℃
具 钢
／h的速度缓冷至600 ℃ ，再炉冷至室温。退火后的硬度
≤160HBS便于冷挤压成形。
若切削加工制模，须经正火处理。正火工艺为：加热到
880－900 ℃ ，保温3-4h后空冷。正火硬度≤229HBS，切 削加工性能良好。