模具钢材

一. 模具钢材分类1. 常规按化学成分来分：（1）碳素钢：S50C、S55C （2）合金钢：ⅰ低合金钢（≤5%）；ⅱ中合金钢（5%～10%）；ⅲ高合金钢（＞10%）。

2. 按使用情况来分：（1）塑胶模具钢，（2）冷作模具钢，（3）热作模具钢●一般塑胶模具钢以预硬态出厂，热作及冷作钢以退火态出厂。

3. 美国是最早在工具钢中列出塑料模具专用钢的国家，以P来表示为主，共分为五类。

渗碳型塑料模具钢：P1,P2,P3,P4,P5,P6。

这类钢含碳量很低，主要是美国早期及用挤压成型制模法，要求冷塑性好，有高的挤压性能，成型后表面渗碳淬火提高表面硬度，使用寿命长。

芯部超低碳可使淬火时变形量最小。

调质型塑料模具：P20,P21。

目前塑料模具中P20的用量很大，已成为主体，大多数在预硬状态时使用。

中碳合金工具钢用于热固性塑料模。

钢号有H13,而L12和S7，O1和A2也有应用。

这一类的特点是：1、基本属二次硬化金钢，500-600℃时的热强性好。

2、含铬较高，大气腐蚀性好。

3、淬透性极好，适用于大模块。

不锈钢用于耐蚀性要求高的塑料模，主要钢号有420,414L,440,416。

时效钢是经过时效处理而获得高的使用性能。

有两种，一种是P21低碳Ni-A1时效钢；另一类是18Ni 马氏体时效钢。

后者是用于宇航工业的无碳高纯度、高强度、高韧性的材料。

用于力学性能、尺寸精度、光洁度和耐蚀性都要求高的塑料模具中。

二. 模具钢材的选用1. 塑胶模具钢材的选用1）作为塑胶模具的选材，模具用钢材大致应满足如下要求：（1）优良机械加工性能：塑胶模具型腔的几何形状非常复杂，往往有深孔、深沟槽、窄缝等加工部位。

钢材必须具有易切削的性能。

（2）优良抛光性能：无论何种塑胶模具，其型腔的允许表面粗糙度极小，几乎都要求能做到镜面光泽。

要达到镜面光泽，首先钢材中的夹杂物要尽量少，而且不能有气泡存在，并且纤维组织均匀。

要达到镜面光泽，还有一点是钢材必须具有较高的硬度，一般不低于38HRC的硬度，最好为40～46HRC，而达到55HRC为最佳。

在大量生产中的模具，为了减少磨损，除了型腔的表面硬度以外，表面粗糙度也是重要条件。

（3）有良好的表面腐蚀加工性：有很多模具要求成形的塑件表面为各种其他物质的花纹。

如皮革纹、绸纹、布纹、精细图案等。

这就要求钢材的质地细而均匀，否则表面腐蚀的效果不佳。

（4）电火花加工性好：塑胶模的凹型腔时常采用放电加工，放电加工后表面的硬化层要浅，以便于抛光。

抛光在塑胶模的型腔加工中是最耗时间的。

时间长则增加成本。

目前对自动抛光的技术尚未达到实用阶段，仍然以手工抛光为主。

硬化层厚则抛光工时增大。

（5）淬火性能好，变形小：塑胶模具特别是热固性塑胶模具的型腔部分大都必须进行热处理。

这就要求钢材具有较好的淬透性和很小的变形。

一般热塑性塑胶成形用模具，采用调质、预硬化等处理即可。

而热固性塑胶成形用模具则必须淬硬。

（6）要耐磨损又有韧性：塑胶模具是长期承受热交变负荷的，又是长期经受摩擦的。

如果仅考虑耐摩擦的一面而不考虑其受热交变负荷的一面是不够的，即使使用冷冲模具用的高碳高合金钢制造也会出现韧性不足而引起开裂。

（7）有耐腐蚀性：有些塑胶，例如聚氯乙烯在成形时能产生盐酸气体，对型腔有腐蚀性。

所以对于用于有腐蚀气体的塑胶模，必须考虑钢材的耐腐蚀性。

（8）焊接性好：在型腔加工中，有时难免要补焊。

因此模具钢必须有很好地焊接性能。

2）在选择塑胶模具钢材时，要依以下条件逐次考虑之，最后作出选择。

（1）塑件的生产批量：模具是高效率的生产工具。

每一付模具的使用寿命，直接关系到制件的成本。

设计模具时，除了按产量考虑每模的型腔数之外，就要考虑其使用寿命。

批量小，则对钢材的要求可以低些；而批量大时，必须选择优质钢材，以保证使用寿命而尽量避免重复制作模具。

（2）塑件的尺寸精度：塑件的尺寸精度，很大程度上取决于模具的制造精度，它又决定制件的合格率。

对于要求高精度（SJ/T10628－95的3、4级精度）以及超高精度（SJ/T50628－95的1、2级精度）的塑件，应选用优质模具钢材，。

（3）制件的体积大小：制件越大，型腔的切削量也越大。

用大吃刀量切削时，切削应力也大。

因此对于大制件的模具最好选用易切削钢。

制件小时，型腔体积小，所用的刀具（主要是铣刀）强度低，切削量很小。

选择钢材时应选用质地均匀，合金碳化物分布细而匀称的钢材。

小模具多先作预硬化处理然后加工，要考虑加工的可能性。

（4）制件的复杂程度：制件越复杂，型腔的加工就越困难，因而必须选用切削性能好的钢材。

制件复杂程度高，则尺寸量大，加工部位多。

因而加工的应力变形必须考虑。

（5）制件的外观要求：塑件如为外观装饰件，则饰件的表面质量要求较高，最好选用真空熔炼或电渣熔炼钢，以达到最好的型腔抛光效果。

（6）薄壁的塑料箱体，生产批量在小于10万件时，用P20、P21预硬态(HB250-300)，腐蚀性较强时用414L。

高寿命的普通塑料模，用P6或P20，经渗碳―淬火后硬度在HRC54-58；塑料件不太大时，可用O1、S7。

腐蚀性较强时用420。

非高温的热固性模用P6、P20经渗碳淬火后使用。

腐蚀性强用420。

高温热固性塑料模用H13和S7或渗碳钢P4。

这些含铬较高有好的抗回火性和抗高温氧化性。

3）钢材的抛光性生产透明塑胶制品，尤其是光学仪器，对于成型模具的抛光性（即镜面加工性）要求很高。

影响镜面加工性能的因素有：（1）钢材冶金质量：不得采用易削钢。

采用V AD、V AR、ESR等工艺，可提高钢的纯净度，从而提高抛光性能。

（2）组织不均匀度：即显微偏析的影响。

措施是必须掌握好出钢后的浇注技术和钢锭的结晶质量；充分锻造，以保证致密度；均热化处理或ESR。

（3）硬度：高硬度有利于镜面抛光。

热处理后的表面渗碳或脱碳导致表面质量恶化，影响抛光性能。

（4）抛光技术：要避免抛光过程中表面接触应力过高。

否则较软的基体会被冲蚀，使碳化物游离出来，随后在钢材表面留下缺陷。

2.冷作模具钢的选用冷作模具钢的主系列是高硬冷作类，主要用于要求高抗压和耐磨为主的模具，硬度高于HRC60-62。

对于要求耐冲击、韧性高的模具，硬度低于HRC60-62，主要用S类和部分A类和最普通的调质钢、弹簧钢、热作模具或基体钢。

对于大型冲压模，如汽车外型冲压件，主要用铸铁类。

简易或寿命数量少的用锌基合金或高分子复合材料。

高速钢和超高速钢在冷作模具中的应用迅速增长。

主要是有高的“抗压强度／硬度”比值。

且硬度可在HRC60-70之间选择。

粉末模具钢有优良的耐磨寿命，硬度不大于HRC60-62,应用相当多。

碳素工具钢在寿命10万件的冲头或软材料冲压模仍有一定的应用范围。

热作模具钢的分类美国热作模具钢分二大类：热作模具钢和超级热强合金。

3. 热作模具钢的选用热作模具由于在有温度的条件下工作，要求材料具有热强性和热耐磨性，为了保证模具的使用寿命模具要冷却，热冷交替模具会出现龟裂，即热疲劳裂纹，所以材料又要求有抗裂纹能力和抗热疲劳性能。

按热强性排列的主系列进行选材：低合金调质模具钢(6G，6F2，6F3)―中铬热作模具钢(H11、H12、H13)―钨热作模具钢(H21、H22)。

非标准的热作模具钢：例如热镦锻模具用时效硬化型的6H4。

使用H11、H12、H13出现了不能满足热耐磨性时，可以选择6H1、6H2。

当要求模具以热作耐磨性为主时，可以选择D2、D4――M2、M4――粉末钢。

钢结硬质合金、钴基硬质合金的高温耐磨性是很高的，但其热疲劳性(即冷热抗疲劳裂纹)很差，不能在急冷急热状态下使用。

三. 钢材的硬度●常规表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、维氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC较为常用。

●HB应用范围较广，供货状态常用，Cu、Al也可用。

HRC适用于表征高硬度材料，如热处理硬度等。

两者区别在于硬度计之测头不同，布氏硬度计之测头为钢球，而洛氏硬度计之测头为金刚石。

●在一定条件下，HB与HRC可以互换。

其换算公式可大概记为：1HRC≈1/10HB。

●HV-适用于显微分析，Cu、Al也可用。

●HL-手提式硬度计，测量方便，但对样品厚度有要求。

模具钢材的回火温度和回火原则Cr12MoV、SKD11、D2、DC53、SKD61及高速钢等一类模具钢材当模具要求较高硬度时，均具有回火二次硬化的现象，所以，回火是模具钢淬火后不可缺少的后续工序。

模具钢材回火温度的选取完全依据模具零件要求和力学性能而定。

回火以温度高低不同分为一般有低温回火、中温回火和高温回火三种工艺方法可以选择：1.模具钢低温回火。

一般为250℃以下。

其目的是在尽可能保留高硬度条件下，低温回火的组织转变是淬火马氏体转变为回火马氏体，消除和降低模具钢淬火应力，淬火的组织应力得到部分缓解，其特点是可以保持淬火的高硬度；优点：回火后模具的色泽好，能保持真空淬火的白色（180℃以下），或转变成淡黄色（200~250℃）；缺点：.内应力消除不完全，模具的脆性较大，比较适用于压应力工作状态的模具（如冲头、模芯等），一般需线切割或火花加工的模具不适用低温回火；保留较多的残余奥氏体，模具的尺寸稳定性稍差；回火时间长，交货较慢；要求高耐磨的冷作模具零件采用。

2.模具钢中温回火。

一般为300~500℃，使淬火钢既有一定的强度和弹性又有足够的韧性和塑性，受冲击的模具零件采用。

3.模具钢高温回火。

一般为500~650℃之间或更高些。

高温回火的组织转变为残余奥氏体转变成马氏体，同时回火马氏体中析出细密碳化物，使材料发生二次硬化，达到高硬度的要求，此时模具的残余应力较小；目的是调整模具钢的强韧性（既综合力学性能）使达到最佳的配合。

作为模具钢预先热处理时，也为后续工序的表面淬火，渗氮等作组织准备，改善可加工性。

此外。

对某些高合金钢可获得二次硬化效果，提高硬度，耐磨性和尺寸稳定性，消除残留奥氏体。

热作和塑料模具零件采用，目的是提高在模具工作温度下的韧性和耐磨性。

优点：组织转变较充分，内应力较小，所以一般大型的模板和需要线切割或电加工的模具都采用高温回火；尺寸稳定性及耐磨性均优于低温回火；回火时间较短；缺点：色泽较差，不能保持真空淬火的本色，高温回火后一般为暗棕色或深蓝色，某些合金含量较低的材料还会出现薄薄的氧化皮层，因此高温回火不适用于已精加工的镜面模；模具钢回火保温时间，原则是保温时间要充分，保温不足往往造成不良后果，有时需要两次或多次回火，在保温时间上宁长勿短。

尤其是所谓的快速回火，单纯为缩短时间而损害质量，是不可取的。

通常规定最短不得少于1h。

像余热回火（自回火），局部回火是不得已而为之，不可取。

高速钢或高合金模具钢有二次硬化效应，必须反复回火2~4次。

缓慢冷却效果更好，因为细微的二次碳化物在此过程中析出。