塑料模具钢

XXX选材及工艺制订×××（中国石油大学机电工程学院材料系 ×××班级）1、XXX的服役条件2、XXX的技术要求3、XXX的成分特点（成分设计、合金化原理）4、XXX的工艺规范5、参考文献塑料模具钢选材及工艺制定潘姝静（中国石油大学机电工程学院材料系 1201班级）一、塑料模具钢的服役条件1)工作温度：不论是热固性塑料成型还是热塑性塑料成型都是在加热和加压过程中完成的。

一般而言，其压制成形温度不高，通常是在200~250︒C。

2)受力情况：对于普通热塑性注射模具,其型腔承受的成形压力约为25~45MPa;对某些热塑性工程塑料的精密注射模，成形压力有时可达100MPa；对热固性注射模，型腔承受的成形压力约为30~70MPa。

3)摩擦磨损：注射模和浇注系统会受到熔融塑料对其流动摩擦和冲击;脱模时还受到固化后的塑料对其产生的刮磨作用。

这些都导致模具型腔表面发生一定程度的磨损,特别是在成形带有玻璃纤维等硬度填料的塑料时,磨损现象更加严重。

4)腐蚀作用：高温塑料分解后挥发出腐蚀性气体,如成形聚氯乙烯、阻燃型或难燃型塑料(如难燃型ABS等)以及氟塑料时,高温分解出的HCl、SO2和HF等气体均对模具型腔产生腐蚀作用。

二、塑料模具钢基本性能要求：(一)失效分析塑料模具的主要失效形式有磨损失效，有时也会发生局部塑性变形失效、断裂失效等。

1)磨损失效主要表现为尺寸磨损超差，粗糙度值因拉毛而变高，表面质量恶化。

尤其是固态物料进入型腔时加剧磨损，另外塑料加工时含有氯、氟等成分而受热分解出HCl、HF，会腐蚀型面产生腐蚀磨损，形成表面侵蚀失效。

2)塑性变形失效当塑性变形引起表面皱纹凹陷、麻点、棱角堆塌超过要求限度而造成失效。

其原因主要有超载；持续受热；周期受压、应力分布不均匀；模具型面硬化层过薄；变形抗力不足；回火不充分等因素造成的。

3)断裂失效它的危害性较大，主要发生在塑料模形状复杂，多棱角薄边，应力集中严重而韧性严重不足处。

有时合金工具钢不充分回火也可发生。

(二)满足工作条件要求1)强韧性：较高的硬度、足够的硬化深度、心部要有足够的强韧性，以免发生脆断及塑性变形。

模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。

2)耐磨性：由于表面磨损是模具的主要失效形式之一,因此模具应当有足够的硬度,以保证模具的耐磨性,保证模具的寿命。

通常需要选择合适的材料和恰当的热处理方法来满足硬度的要求。

一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好（一般为45HRC 以上）。

但当硬度达到一定值时,硬度对耐磨性的提高作用就不明显。

另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。

型腔表面硬度要求30~60HRC，淬硬性>55HRC。

3)高温性能：模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。

4)耐冷热疲劳性能：有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。

这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。

5)机械加工性能好：具有良好的镜面抛光性能和表面图案光蚀性，塑料制品的表面粗糙度值要求很低,因此模具的表面必须加工成镜面,这就要求该钢中的夹杂物要少,偏析小,组织致密。

6)耐蚀性：有的塑料模具钢还要求有一定的耐蚀性。

(三)满足工艺性能要求：模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。

为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。

1)可锻性：具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。

2)减少热处理变形影响：由于注塑零件形状往往比较复杂,塑料模具在淬硬后很难加工,有时甚至无法加工。

为了提高硬度,必须进行热处理。

要采取适当的措施来减低热处理变形的影响,对于必须在热处理后进行加工的模具,导热性能好，线胀系数小，热处理变形小，金相组织和模具尺寸稳定。

3)退火工艺性：球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。

4)氧化、脱碳敏感性高温加热时抗氧化怀能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。

5)淬硬性：淬火后具有均匀而高的表面硬度。

6)淬透性：淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。

7)淬火变形开裂倾向：常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。

常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。

8)对使用冷挤成型工艺加工的塑料模具，要求材料有较好的冷挤压成型性，退火后硬度要低。

三、塑料模具钢的成分特点及工艺规范三.1渗碳型塑料模具钢主要用于冷挤压成形的塑料模具。

为了便于冷挤压成形，这类刚钢在退火态需要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碳含量。

此类钢国内常采用工业纯铁（如DT1、DT2）、20、20Cr、12CrNi3A和12Cr2Ni4A 钢，以及冷成形专用钢0Cr4NiMoV(LJ)。

三.1.10Cr4NiMoV(LJ)钢1)化学成分C：<0.08%Cr：3.6%~4.2%Mn：<0.3%Si：<0.2%Ni：0.3%~0.7%Mo：0.2%~0.6%V：0.08%~0.15%钢中主要元素为铬，辅助元素为镍、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。

a)锻造工艺。

加热温度为1230︒C，始锻温度为1200︒C，终端温度为900︒C。

b)退火工艺。

加热温度为880︒C，保温2h，随炉缓冷至（冷速约40︒C/h）650︒C后出炉空冷，退货硬度为100~105HBS，可顺利地进行冷挤压成形。

c)固体渗碳工艺。

加热温度为930︒C，保温6~8h，渗碳后在850~870︒C油淬，再进行200~220︒C保温2h的低温回火，热处理后表面硬度为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1倍。

三.1.212Cr2Ni4A1)化学成分C：<0.08%Ni：2.75%~3.25%Cr：0.6%~0.9%Mn：0.3~0.6%Si：0.17~0.37%S、P：各<0.025%12Cr2Ni4A钢是传统的中淬透性合金渗碳钢，2)工艺性能a)锻造工艺。

加热温度为1200︒C，始锻温度为1150︒C，终端温度高于850︒C，锻后缓冷且必须软化退火。

b)退火工艺。

740~760︒C加热，保温4~h后以5~10︒C/h的速度缓冷至600︒C，再炉冷至室温，退货后的硬度小于160HBS，适于冷挤压成型。

c)正火工艺。

870~900︒C加热并保温3~4h后空冷，正火后硬度不高于229HBS，切削加工性良好。

12Cr2Ni4A钢采用气体渗氮工艺时，加热温度为900~920︒C，保温6~7h，可获得0.9~1.0mm的渗碳层，渗碳后预冷至800~850︒C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。

三.2淬硬型塑料模具钢1)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。

淬硬型塑料模具钢具有较高的硬度，以及较好的耐磨性、抛光性和电加工性能。

但它与渗碳钢相比，韧性降低，变形、扭曲和产生裂纹的倾向性增大。

这些钢的最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。

形状比较复杂的塑料模具，在粗加工后即进行热处理，然后进行精加工，以保证最小的热处理变形。

精密模具的热处理变形应小于0.05%。

塑料模具的型腔表面要求十分严格，在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不浸蚀、不过热。

因此应在保护气氛炉或严格脱氧后的盐浴炉中加热。

冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制好冷却速度，避免在淬火冷却过程中产生变形或开裂现象，因而采取分级淬火冷却方式为好。

淬火后应及时回火，回火温度应高于模具的工作温度，回火时间应该充分，具体应依照模具材料和断面尺寸决定，但至少要在40~60min以上。

2)实际应用碳素工具钢仅适用于制造尺寸不大、受力较小、形状简单以及变形要求不高的塑料模具；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具；Cr12型钢适用于制造高耐磨性的大型、复杂和精密的塑料模具；W6Mo5Cr4V2钢适于制造要求强度高和耐磨性好的塑料模具；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具。

三.3预硬型塑料模具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的钢。

这类钢的特点是在硬度30~40HRC的状态下可以直接进行成型车削、钻孔、铣削、雕刻、精挫等项加工，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。

我国近年研制的三.1预硬型塑料模具钢，大多是以中碳钢为基础，加入适量的铬、锰、镍、钼、钒等合金元素制成的。

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型后进行渗氮处理，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。

三.3.13Cr2Mo（P20）塑料模具钢1)化学成分C：0.28%~0.40%Mn：0.60%~1.00%Si：0.28%~0.80%Cr：1.40%~2.00%Mo：0.30%~0.55%S、P：各<0.030%2)工艺性能a)锻造。

加热温度为1100~1150︒C，始锻温度为1050~1100︒C，终端温度不低于850︒C，锻后空冷。

b)退火。

加热温度为850︒C，保温2~4h，等温温度为720︒C，保温4~6h，炉冷至500︒C，出炉空冷。

c)淬火加回火。

淬火加热温度为860~870︒C，油淬，540~580︒C回火。

预硬态硬度为30~35HRC。

d)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。

三.3.28Cr2MnWMoVS（8Cr2S）钢8Cr2S钢属于易切削精密塑料成型模具钢，是为适应精密塑料模具和薄板无间隙精密冷冲裁模具之急需二而设计的，其成分设计采用了高碳多元少量合金化原则，以硫作为易切削元素。