模具用钢

合金鑄鐵
合金鑄鐵係於鑄鐵中加鎳、鉻、釩、鉬、銅、鋁、等合金元素，以改善鑄鐵的耐熱、耐磨、高強度等各種機械性質。

鎳---可促進石墨化，改良切削性能，且使波來鐵或石墨微細化；
鉻---有安定碳化物的作用，能改善耐磨性、耐蝕性及硬度；
鉬---能安定碳化物，增加鑄鐵的抗拉強度、硬度、及加工性；
釩---可促進碳化物的生成，微化晶粒，增加鑄鐵的加工性、流動性、強度、硬度、耐磨性及耐蝕性；
鋁---能促進石墨化，增加鑄鐵的耐熱及耐蝕性，但對鐵水的流動性有不良的影響。

塑膠模用模具材料
模具材料的選用是否適宜，對模具的壽命、精度、加工性、價值等有很大的影響。

故模具材料的選用一般均依照下列原則：
容易取得。

機械加工性良好。

表面加工性良好。

強度、韌性和耐磨性大。

無針孔和沉澱雜質等內部缺陷。

）可焊接性。

〉熱處理容易、熱變形少。

》耐熱性好、熱膨脹係數低。

種類及特性
模具材料的種類很多，在此先將常用的幾種材料作一簡介。

一般構造用輥軋鋼材(SS)
一般構造用輥軋鋼材SS41、SS50，價廉而容易取得，但質軟多針孔，因此用於不需強度、硬度的零件，不適用於模板材料。

機械構造用碳鋼(SC、SCK)
機械構造用碳鋼S25C、S50C、S55C等，價廉而容易取得，加工性也好。

S25C用於模具的承板、定位環、豎澆道、襯套、止動螺栓、支持件等，而少用於模板。

S50C、S55C原則上回火到硬度9～22HRC，以增其加工性，為標準的模板材料。

S9CK、S15CK的含碳量少，因而質軟，所以需作表面滲碳，淬火成HRC45～59的硬度來使用。

碳工具鋼(SK)
碳工具鋼有SK3、SK5、SK7等，含碳量為0〃6%以上的高碳鋼，其淬火硬度是SK3、SK5為HRC50～60，SK7為HRC50～55，H此類鋼材耐磨耗性優良，且為較價宜的工具鋼，用於有滑動部份需高硬度和耐磨耗性的零件，如導銷、襯套、頂出銷、復歸銷等。

合金工具鋼(SKS、SKD)
常用的合金工具鋼有SKS2、SKS3、SKD11、SKD61等。

SKS2與SKS3是碳工具鋼加鉻、鎢增加淬火性、耐磨耗性，用於特別要求硬度與耐磨性的成形模板，其硬度HRC55～60。

SKD11、SKD61是添加釩取代SKS的鎢，其淬火性與耐磨耗性優於SKS，且淬火應變小，其硬度SKD11為HRC55～60，SKD61為HRC45～51，但SKD61的耐熱性、韌性都優於SKD11。

高速鋼(SNC)
此處的高速鋼是指SKC2與SNC3的鎳鉻鋼，係為碳鋼加鎳和鉻，增其韌性與淬火性，回火硬度為22～30HRC，用於成形模板。

鎳鉻鉬鋼(SNCM)
鎳鉻鉬鋼SNCM2是淬火性，耐磨性耗性均好，尤其是強度、韌性特別好的鋼材，其用途與高速鋼相同。

鉻鉬鋼(SCM)
鉻鉬鋼SCM3、SCM4是碳鋼加鉻，鉬的構造用鋼，其強度、韌性優於碳鋼，其價格較SNC及SNCM便宜。

鋁鉻鉬鋼(SACM)
鋁鉻鉬鋼SACM1經氮化處理(氮化層硬度為HRC67)耐磨耗性很高，用於要求硬度和耐磨耗性的滑動部份，如頂出銷等，鋼材本身硬度為HRC20～30。

軸承用高碳鉻鋼(SUJ)
軸承用高碳鉻鋼SUJ2為軸承用的鋼材，耐磨耗性、淬火性均良好，其硬度為HRC55～60，用於滑動部份需有相當的硬度和耐耗性。

（圖1）正常化圖解
（圖2）退火之圖解
不鏽鋼(SUS)
如PVC的塑料，需用耐蝕性高的模具材料，可以增加鉻量，減少碳量的耐蝕性不鏽鋼SUS來製造。

.11鈹銅合金
含鈹2〃5%，含銅97〃5%的鈹銅合金，常用來製作形狀複雜的公模或母模。

其製作的方法是將熔融的合金注入模型內，然後一直加以壓力直到冷卻為止。

表一為塑膠模各構件最廣泛應用之材料，及其熱處理狀態及使用之硬度。

表
二為構造用的合金鋼的化學成份及機械性質。

表三為表二所列的模具材料的的特性、用途及使用的場合，此三表可供學習查考，以選取最適用的模材。

熱處理
鋼材經適當的熱處理可顯著增加硬度、強度、韌度、耐磨耗性等機械性質。

施行電鍍作表面處理，模具精度提高、表面光亮，使脫模更順利，成品表面光度增加。

因此欲模具壽命延長、品質提升，除了事先預選適當的模具材料外，對於加工後，模具的熱處理方法的選定也極其重要，以下分點說明。

正常化
此項熱處理旨在消除鑄造、鍛造、輥軋等高溫高壓處理所產生的粗晶組織，並將加工所生的內部應力消除。

其方法為將工作加熱到變態點AC3或ACm點以上30°～50℃的溫度後，使之在空氣中自然冷卻，如圖1所示。

使用大型構造用鋼，在材料經鍛造成模型後，再施以正常化處理。

退火
退火是為了使鋼料軟化，調整結晶組織，除去內部應力。

其方法為加熱到AC3或AC1變態點以上30°～50℃，保持適當時間後，在爐中或灰中冷卻，如圖2所示。

模具材料退火處理有兩種方式。

消除應力退火
目的在除去加工所引起的內部應力。

適用於粗切削、中切削或需淬火的模具零件。

因淬火時麻田散鐵變態所生的應力將加大，除非先行實施退火消除內部應力，否則將造成巨大的應變，而致淬火罅裂、翹曲。

即使不淬火的零件，若經大量粗重切削，不經此項處理的話，也將因加工應力的殘存，而終致尺寸的精度改變或發生翹曲。

球狀化退火
目的在改善加工性，增加韌性，防止淬火罅裂，使鋼中的碳化物變成球狀組織。

淬火
淬火的目的是為了將鋼硬化、增加強度。

其方法為鋼材加熱到AC3或AC1變態點以上約30°～50℃，保持適當時間後，使它在淬火液中急速冷卻，而產生高硬度的麻田散鐵組織，如圖3所示。

模具零件常用的淬火方法有下列三種。

（圖3）淬火之圖解
普通淬火
加熱到變態點以上的溫度後，在水或油中急冷以得麻田散鐵組織。

此方法，加熱必需防止過熱及氧化脫碳的現象發生。

對於壁厚不均的模具，將會有加熱不均勻。

由於各部份的度差發生熱膨脹差，致影響變態點，引起變態差，而致淬火罅裂。

因此為了達到均勻加熱，最好用鹽浴或惰性氣爐。

氧化、脫碳之防止可採用鹽浴爐或可調整的隋性氣爐。

熱處理變形的防止，宜使用淬火溫度低，自硬性大，有氣冷程度的淬火鋼。

含大量鉻、鎳的合金鋼、高速鋼具有此一空氣中冷卻而硬化的特性，對於加工後再行熱處理的模具、精度、形狀能保持而不致變形，精密度失掉。

麻淬火(marquenching)
如圖4所示，將待處理的材料加熱到淬火溫度後，投入於溫度為Ms點(冷卻時由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵的開始溫度)的熱鹽浴中，待材料的溫度成為均一後，取出氣冷，緩慢引起麻田散鐵變態、材質變硬，不致發生淬火應力及罅裂，最後再施行回火處理。

麻回火(martempering)
如圖5所示，將材料加熱到淬火溫度後，投入於溫度為Ms點及Mf點(冷卻時由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵的終了溫度)間的熱鹽浴內淬火(100～200℃)，長時間保存恆溫，直到變態終了，然後空冷。

利用此法淬火者，麻田散鐵自行回火，淬火應力消除，衝擊值得以提高，韌性較回火處理者強。

工業界一般皆不等待到恆溫變態終了，即行撈出，如圖示，而後段則採氣冷回火。

回火
淬火後的鋼雖然強度大硬度高，但是很脆。

假如淬火鋼加熱到A1變態點以下的適當溫度時，不但可以除去淬火鋼的內部應力，又能調節硬度得到適當的強韌性，這種處理叫回火。

依照回火之目的，可分為低溫回火與高溫回火兩種。

低溫回火
適用於淬火硬度需要相當高的情況下，將高碳鋼加熱於溫度約200℃的低溫，目的應於消除淬火所產生的內部應力。

殘留的沃斯田鐵組織不易產生變化，可維持相當高的硬度。

高溫回火
適用於構造用鋼，將其加熱在溫度500℃～600℃之間使其組織變為有韌性的糙斑鐵。

此時可兼顧鋼材的韌度和硬度。

（圖4）麻淬火之圖解
（圖5）麻回火之圖解
（圖6）回火與機械性能之變化
圖6為含碳量為0〃45%的中碳鋼，在不同回火溫度下的機械性質。

對於施行一次回火，不能得到滿意的機械性質的鋼料如高合金鋼及高速鋼，可施行2～3次的返復回火。

表面處理
表面處理是指以加熱或化學處理的方法，使鋼料表面增加硬度到達某一深度。

其方法有滲碳、高週波及火焰淬火、氮化及電鍍。

分別敘述如下。

滲透淬火
低碳鋼或表面淬火鋼(低鎳鋼、低鎳鉻鋼等低碳合金鋼)在適當的滲碳劑中加熱，使表面起滲碳到某一深度，使成高碳的狀態的表面硬化法。

在滲碳劑中以850～900℃加熱8～10小時，則鋼料表面起滲碳約2mm的深度。

滲碳完後再施以淬火處理，使滲碳部份硬化。

若有不想滲碳的部份，可預先鍍銅以防止。

一般滲碳劑可分為固體滲碳、氣體滲碳與液體滲碳等三種。

固體滲碳的滲碳劑使用木炭、焦炭等固體。

以木炭粉為主，加入20～30%的碳酸鋇、碳酸鈉等促進劑。

氣體滲碳的滲碳劑為氣體，主要為一氧化碳或甲烷碳化氫，滲碳濃度容易調節，可使滲碳均勻。

滲碳能力大，不只表面，連心部也可均勻滲碳。

液體滲碳的滲碳劑為溶融的氰化物，將鋼加熱到AC1變態點以上而滲碳。

通常薄層硬化是濃度較高的氰化鈉鹽浴中作低溫(850～900℃)處理，而厚層硬化以濃度較低的氰化鈉鹽浴作高溫(900～950℃)的處理。

高週波硬化
藉高週波感應電流將鋼料表面急熱，在到達淬火溫度後，用適當的冷卻劑急冷，稱為高週波淬火。

主要用於需具強韌及耐磨耗的機械性質的模具零件，如導銷、復歸銷、斜銷等等。

含碳量0〃4～0〃5%的碳鋼，或合金鋼皆適用於本方法。

火焰淬火
以氧氣-乙炔火焰將鋼料表面急速加熱到淬火溫度，再以水急速冷卻而使表面硬化。

本方法的特色在於只將外周表面淬火硬化，因此淬火應變小，可應用於各種形狀及大小的鋼製品。

淬火方法大致分別有兩種。

全面同時淬火法
適用於較小面積的處理。

全面同時加熱，然後對此加熱到淬火溫度的面進行冷卻以硬化之。

移動淬火法
大面積不適宜用全面同時淬火法，乃改用順序移動加熱及冷卻的組合吹管，
以行加溫冷卻全面積。

也可應用於不易全面淬火的模具的局部淬火、零件的磨擦面，可增高耐磨性，延長模具壽命。

氮化
氮化是在氨氣或含氨的媒體中加熱，增加氮含量而將鋼表面硬化的方法。

加熱溫度高時，硬度減低，但氮化深度加深。

氯化時間取決於所需氮化深度，大約是50小時0〃5mm，標準是100小時0〃7mm。

鍍錫或鍍鎳的部份，可以防止氮化。

氮化用鋼，其標準成份大約是碳0〃35～0〃45%、鋁1〃0～1〃3%、鉻1〃3～1〃8%、鉬0〃5%以下，此時的氮化溫度500～500℃，表面硬度為HRC67～70，為一非常硬的氮化層。

氮化法依其媒劑可分為氣氮化、液體氮化、軟氮化(低溫鹽浴氮化法)。

氣體氮化法
被處理的料件裝於氮化箱內，放入於爐中，通入氨氣，溫度為500～550℃左右，氮化時間為50～100小時。

此種方法為低溫處理，使熱處理變形接近於無。

液體氮化法
液體氮化法與液體滲碳法之不同點，在於本法是在AC1變態點以下加溫而滲碳法卻在AC1以上，且本法所用之鹽浴含較高的氮量而較少的碳量。

將氰化鈉鹽與氰酸鹽和碳酸鹽適當混合，加溫到560℃，將料浸入約2～3小時，即可形成薄層的氮化層，可增耐磨耗性，防止燒焦及耐疲勞性。

軟氮化法
此種方法使用於氰化鉀(KCN)等的鹽浴槽中，溫度在520～570℃的低溫。

其處理與液體滲碳法相同，唯溫度較低，且其硬度約只為氣體滲氮的一半，故稱為軟氮法。

氮化時間較氣體氮化法為低，約1～2小時。

此種方法處理的低碳鋼、中碳鋼其硬度增加有限，約可達到HRC53～59。

但其耐磨耗性與耐疲勞性顯著增加。

離子氮化法(Iron-Nite)
為了改進氣體氮化法(硬氮化)，處理時間長、效率低，最外層的氮化物很脆等缺點。

德國的Berkard berghaus發明離子氮化法。

離子氮化法首先企業化的是西德的Klockner〃Ionon〃Gmbh。

其方法是將待處理的工作裝入電氮化爐內(圖7)，首先將爐內排氣至10-2～10-3T後導入N2氣體(或N2+H2混合氣體)，使爐內保持所需要之處理氣壓(通常10-4～10Torr)。

以爐本體作正極，處理工作作負極，將兩極間施加500V～1000V的直流電壓，爐氣便因輝光放電而電離化(即氣體被離子化而成正離子向負極的處理工作表面衝擊)，處理工作表面受到加熱，
同時氮化也因此而進行。

（圖7）離子氮化裝置構成概略圖
（圖8）離子氮化之處理循環
處理溫度與一般的氮化溫度一樣，通常在480℃～570℃的溫度範圍內。

溫度的控制係以輻射高溫計測定溫度而以電流值控制之，表面氮氣濃度可改變爐內充填的混合氣體(N2+H2)的分壓比而調整之。

參圖8離子氮化之處理循環。

參圖9，可知硬化的反應程序，是由於在正負兩極間的高電壓，會使氮氣爐產生輝光放電，在
（圖9）離子氮化之反應程序
（圖10）離子氮化處理後各種材料的硬度分佈曲線
圖10(續)
電離氣中生成之氮離子便向工作表面快速衝撞，動能轉變成熱能，造成溫度上升。

這時由於對氮離子的衝擊及飛濺(spattering)，所產生的排斥作用，Fe、C、O 等元素由工作表面被打出來，飛散出來的Fe在放電的電離子中與N離子結合而形成Fe-N的氮化鐵。

Fe-N的氮化鐵由於附著作用而附著於表面上，N便向最外層擴散侵入。

即最外層的化合物層由於擴散順序發生FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N 等組織變化而產生氮化作用。

最外層由離子衝擊作用Fe不斷地飛散出來繼續形成氮化物，成為氮氣供應的輸送源而促進氮化的進行。

離子氮化的特點為處理溫度低，處理的工件變形小又無公害問題，為最新最進步的表面硬化法。

其可處理的材料除了碳鋼、模具鋼、工具鋼、氮化鋼、合金鋼、高速鋼外，過去認為難以處理的不鏽鋼、鈦、鈷等利用本法已能實施良好的表面硬化。

參圖10可知經過I〃N〃處理的材料，可得到極高的表面硬度，並可獲致極優良的耐磨耗性、耐疲勞性、耐蝕性及耐剝離性。

電鍍
電鍍是在模具表面被覆其他金屬，以增加表面光度、提高表面硬度，增強耐蝕性的表面處理，以下分述之。

鍍硬鉻
將模具欲鍍的部份浸入於無水鉻酸為主的電解液中，通以電流，鉻析出而附著於模具表面。

鍍層比普通鍍層厚，約0〃01～0〃02mm，硬度HRC67～70。

使用本處理增進下列優點。

罅脫模良好。

鍍硬鉻表面光滑如鏡，脫模非常順利。

舐鍍層表面硬，耐磨耗性佳，不易刮傷，硬度高達HRC67～70。

竺對鹽酸、稀硫酸以外的化學品有良好的耐蝕性。

竽鍍鉻面有精美的光輝，模具凹穴經此處理，所射出的成品也能具備精美的光澤，提
升產品價值。

無電解鍍鎳
此法不經電解作用，不像上法，乃純粹的化學方法施行鍍著。

鍍著經由附著於模具上的觸媒劑的作用，使鎳被還原，而形成表面鍍著層。

此種鍍著的特性為：罅不致發生電鍍的鍍層厚度差，為一較均勻的鍍著法。

舐表面不生針孔，光滑而硬。

鍍層硬度HRC49，經熱處理更可提高HRC64～67。

竺密著性良好，不易剝離。

竽耐蝕性良好。