塑料模具常用材料

机械制造工程系模具材料塑料模具常用材料塑料模具常用材料1塑料模具的工作条件、失效形式与性能要求2塑料模具材料的选用 2.1渗碳型塑料模具钢2.2调质型塑料模具钢

2.3淬硬型塑料模具钢

2.4预硬型塑料模具钢

2.5时效硬化型塑料模具钢

2.6耐蚀塑料模具钢

2.7其它塑料模具材料 3塑料模具钢的选用及热处理

随着塑料制品在工业及日常生活中的应用越来越广泛,塑料模具工业对模具钢的需求也越来越大。在塑料成型加工中,模具的质量对产品质量的保证作用是不言而喻的。

塑料模具目前已向精密化、大型化和多腔化的方向发展,对塑料模具钢的性能的要求越来越高,塑模钢的性能应根据塑料种类、制品用途、生产批量、尺寸精度和表面质量的要求而定。1.1塑料模具的分类与工作条件（1）塑料模具的分类

按照塑料制品的原材料的性能和成型方法，可以把塑料模具分为两大类：①热固性塑料模

②热塑性塑料模：1塑料模具的工作条件、失效形式与性能要求

按照成型方式的不同，可以把塑料模分为：

①注射成型模；②压缩成型模；③挤压成型模；④气动成型模。（2）塑料模的工作条件

①热固性塑料压缩模：热固性塑料压缩模的工作温度一般为160-250℃,工作时型腔承受的压力大，一般为160-200MPa,个别要达到600MPa。工作时型腔面易磨损，并承受一定的冲击负荷和腐蚀作用。用这类模具压制各种胶木粉制作时，在原材料中加入一定量的粉末填充剂，并在热压状态下成型，所以热负荷和机械负荷都较大，而填充剂致使型腔磨损也较严重。

②热塑性塑料注射模：热塑性塑料注射模的工作温度在180℃以下，承受的工作压力和磨损不像在压缩模那么严重，有些塑料在加热以后的熔融状态能分解出HCl和HF气体，对模具型腔面有较大的腐蚀性。塑料在加热成型时一般不含固体填充料或含固体填充料的很少，所以，注入型腔时对型腔磨损小。如果含有玻璃纤维填料，则大大加剧对流道和型腔的磨损。

1.2塑料模具的失效形式塑料模具的失效形式主要有磨损，腐蚀，变形和断裂等。

①磨损：热固性塑料对模具表面产生严重摩擦，结果导致模具表面拉毛，粗糙度变大而失去光泽，这会影响塑料制品的外观质量。在此情况下，模具应定期卸下抛光，经过多次抛光后，型腔尺寸将会超差而失效。特别是塑料中含有云母粉，硅砂，玻璃纤维等固体有机填料时，会明显加剧型腔的磨损，不仅会使型腔表面粗糙度值增加，也会使模具型腔尺寸变化。②腐蚀：塑料模受腐蚀后将会导致模具表面的腐蚀磨损，从而加剧其磨损效应。③变形：模具在持续受热，受压条件下工作后，会发生局部塑性变形而实效，例如：生产中常用的渗碳钢或碳素工具钢制胶木模，在菱角处受负荷最大而产生塑性变形，出现表面起皱，凹陷，麻点甚至棱角塌歪等；或者分型面变形间隙扩大导致飞边增大而使塑件报废。如果是小型模具在大吨位压力机上超载使用，更容易出现这种失效形式。④断裂：塑料模多数形状复杂。存在许多凹角，薄边等。这些部位易造成应力集中，当韧性不足时，就会导致开裂。断裂的主要原因是由于结构，温差而产生的结构应力，热应力，或因回火不足，在使用温度下，残余奥氏体转变为马氏体，引起的局部体积膨胀，在模具内部产生的组合应力所致。1.3对塑料模具材料的性能要求①较高的耐热性：②足够的强度和硬度③良好的耐磨性④良好的耐蚀性⑤良好的切削加工性⑥良好的镜面抛光率⑦良好的电加工性⑧良好的花纹图案光蚀性2塑料模具用钢2.1塑料模具用钢的分类类别牌号类别牌号渗碳型20，20Cr，20Mn，12CrNiMo，DT1，DT2,0Cr4NiMoV预硬型3Cr2Mo，5NiSCa，4Cr5MnSiV，Y20CrNi3AlMnMo（SM2），Y55CrNiMnMoV(SM1)，8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）

调质型45,50,55,40Cr，40Mn，50Mn，4Cr5MoSiV，38CrMoAlA耐蚀型3Cr13,2Cr13，Cr16Ni4Cu3N1（PCR）1Cr18Ni9,3Cr17Mo，0Cr17Ni4Cu4Nb（17-4PH）淬硬型T，T，T,5CrNiMo，9SiCr,9CrWMn,GCr15,3Cr2W8V,Cr12MoV,45CrNiMoVSi,6CrNiSiMnMoV(CD)实效硬化型18Ni140,18Ni170,1Ni210,10Ni3MnCuAl(PMS),18Ni9Co,06Ni16MoVTiAl,25CrNi3MoAl表1塑料模具用钢分类2.2渗碳型塑料模具用钢

渗碳型塑料模具用钢主要用于冷挤压成型的塑料模。

为了便于冷挤压成型，这类钢在退火态需有高的塑性和低的变形抗力，成型复杂型腔时，退火硬度要低于100HBS，成型浅型腔时，其退火硬度要低于160HBS。

因此，对这类钢要求有低的或超低的含碳量，同时钢中加入能提高淬透性而固溶强化铁素体效果又小的合金元素，如Cr，Ni。为了提高耐磨性，这类钢在冷加压成型后一般都进行渗碳和淬火处理，表面硬度可达58~62HRC。10钢，20钢是最简单，最便宜的渗碳钢，经渗碳后虽然表面有高强度，高耐磨性，但因为淬透性差，心部强度低，故只适宜于承受载荷较小，要求不高的塑料模具。对于截面大，承受重载荷的用渗碳钢制造的塑料模具，必须根据实际使用，采用不同级别的合金渗碳钢。

常用的渗碳型塑料模具钢主要有20,20Cr，

12CrNi3A

和12Cr2Ni4A钢，以及国内最新研制的冷成型专用钢0Cr4NiMoV（LJ），LJ钢用于冷挤压塑料模具的专用钢种。（1）20Cr

该钢使用于制造中、小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成型后一般需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。对于使用寿命要求不很高的模具，也可以直接进行调质处理钢号CSiMnCrPS20Cr0.18～0.240.17～0.370.50～0.800.70～1.00≤0.030≤0.030200.17～0.240.17～0.370.35～0.65≤0.25≤0.035≤0.035表220Cr钢的化学成分ω/%20Cr钢比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都明显地高，油淬到半马氏体硬度的淬透性为Φ20～23mm。这种钢淬火低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。该钢渗碳淬火表面强化处理后，模具表面获得细针状的马氏体，硬度为58~62HRC；心部获得低碳马氏体组织，硬度在35~40HRC。渗碳时钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心部韧性，不宜降温淬火。（2）12CrNi3A12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，含C量较低，且含Ni较多，有利的提高了该钢的韧性和淬透性，12CrNi3A比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件，适宜冷挤压成型。主要用于冷挤压成型的形状复杂的浅型腔塑料模具和大，中型切削加工成型的塑料模具。CSiMnCrNiPS0.10～0.170.17～0.370.30～0.600.60～0.902.75～3.25≤0.025≤0.025表312CrNi3A钢的化学成分ω/%

该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260～320时，相对切削加工性为60%～70%。另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。

为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。但该钢有回火脆性倾向和形成白点的倾向。6.2.3预硬型塑料模具钢6.2.3预硬型塑料模具钢2.3预硬型塑料模具钢

所谓预硬型塑料模具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，该硬度变化范围较大，较低硬度为25~35HRC，较高硬度为40~50HRC，在这些硬度条件下把模具加工成型后，不再进行热处理而直接使用，避免由于热处理而引起的模具变形和开裂，从而保证了模具的制造精度。

我国近年研究的预硬型塑料模具钢，大多数是以中碳钢为基础，加入适量的Cr，Mn，Ni，Mo，V等合金元素制成。为了解决在较高硬度下切削加工难度大的问题，通过向钢种加入S，Ca，Pb，Se等元素，以改善切削加工性能，从而制得易切削预硬钢，它们可使模具在较高硬度下顺利完成车，钻，铣，镗，磨等加工过程。有些预硬钢可以在模具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。

常用的预硬型的塑料模具钢可以分为两类：一类是结合塑料模具要求单独开发的钢种，如3Cr2Mo(美国)，3Cr2MnNiMo（瑞典）钢等；另一类是借用合金结构钢和一些热作模具钢的成熟钢号，如40Cr，42CrMo，3CrMnSiNi2A，5CrNiMo，5CrMnMo，4Cr5MoSiV1,4Cr5MoSiV等。（1）3Cr2Mo(P20)系列钢3Cr2Mo(P20)系列钢中的主要钢种及化学成分见表5，由表可见，该系列钢属于中碳合金钢。牌号化学成分W/%CMnSiCrNiMoSP3Cr2Mo(P20)0.340.800.501.70---0.43≤0.03≤0.033Cr2NiMo(P4410)0.360.850.401.851.00.35≤0.02≤0.0154Cr2MnNiMo（718）0.401.50.302.01.10.2≤0.03≤0.03表5部分3Cr2Mo系列钢的成分①3Cr2Mo钢

该钢与美国通用型塑料模具钢P20是同一类型钢。生产中多采用电炉熔炼，真空除气和特殊脱氧处理，因此，钢的纯净度较高。不仅镜面抛光性比较好，而且力学性能均匀。该钢含Cr，Mo量较高，故淬透性好，通常采用调质预硬处理，预硬硬度为30~36HRC。为了增加表面耐磨性，可以在成型加工后进行表面处理，如镀Cr，渗碳处理等。该钢主要用于中，小型或大型复杂，精密塑料模。②3Cr2NiMo(P4410)

该钢是P20的改进型，即在3Cr2Mo钢的基础上添加质量分数为1.8%~1.2%的Ni，由于Ni的作用，该钢具有更高的淬透性，强韧性和抗蚀性。该钢采用真空脱气，钢包喷粉精炼。钢锭经水压机后进行粗加工，再经超声波探伤后进行调质热处理。因此，该钢纯净度高，组织致密，镜面抛光性好，表面粗糙度Ra值达0.01~0.005um。该钢调质预硬化处理硬度为32~36HRC，具有良好的车，铣，磨等加工性能。

可采用局部淬火的方法：采用火焰对局部表面加热至800~825℃，然后空冷或用压缩空气冷却，使局部表面淬硬至56~62HRC，以增加模具的使用寿命。该钢的焊接性良好，模具局部损坏可用补焊法修补。PP4410镀Cr后。镀层与基体金属结合良好，表面硬度可达1000HV，可显著提高模具的耐磨性和耐蚀性。

该钢主要用于优质预硬型截面厚度≥250mm的塑料制品，如电视机外壳，洗衣机面板等。模具名称原用材料寿命现用材料寿命ZL400型透明罩模CrWMn，4510万次报废SM250万次以上未修模量角器，三角尺模3BCrMoAl5万次报废SM130万次以上无破损牙刷模4543万次报废SM1290万次开始修模纱管模CrWMn，4510万次报废SM140万次开始修模JG304C型照相机模455万次报废SM225万次开始修模出口玩具模瑞典进口718,8407SM1，SM2满足出口要求出口保温瓶模455万次报废SM1，SM230万次线路板冲模CrWMnSM1满意表9部分模具使用寿命2.4淬硬性塑料模具钢

对于负荷较大的热固性塑料模和注射模，除了型腔表面应有高耐磨性之外，还要求模具基体既有较高的强度，硬度和韧性，以避免或减少模具在使用中产生塌陷，变形和开裂现象。这类模具可选用淬硬型塑料模具用钢来制造。

常用的淬硬型塑料模具钢有：碳素工具钢（如T7A，T10A）,低合金冷作模具钢（如9SiCr，9Mn2V,CrWMn，GCr15,7CrSiMnMoV钢等），Cr12型钢（如Cr12MnV钢），高速钢（如W6Mo5Cr4V2钢），基体钢和某些热作模具钢等。这些钢的最终热处理一般是淬火加低温回火（少数采用中温回火和高温回火），热处理硬度通常在45~50HRC以上。

碳素工具钢仅适用于制作尺寸不大，受力较小，形状简单以及防变形要求不高的塑料模，利用其淬透性低的特点来制作要求表面耐磨而心部有一定韧性的凹模是十分适宜的；

低合金冷作模具钢主要用于制作尺寸较大，形状较复杂的精度较高的塑料模；

Cr12MoV钢适宜制作要求高耐磨的大型，复杂和精密的塑料模；

W6Mo5Cr4V2钢适于制作要求强度高和耐磨性好的塑料模；热作模具钢适合于制作有较高强韧性和一定耐磨性要求的塑料模。

另外，GD钢也是近年新推广使用的一种淬硬性塑料模具钢，由于该钢强韧性高，淬透性和耐磨性好，淬火变形小，成本低，用此钢取代Cr12MoV钢或基体钢制作大型，高耐磨，高精度塑料模，不仅降低了成本，而且提高了模具的使用寿命。2.5时效型塑料模具钢

时效硬化型塑料模具用钢的共同特点是碳含量低、合金度较高，经高温淬火(固溶处理)后，钢处于软化状态，组织为单一的过饱和固溶体。

采用此类钢制造塑料模具时，可在固溶处理后进行模具的机械成型加工，然后通过时效处理，使模具获得使用状态的强度和硬度，这就有效地保证了模具最终尺寸和形状的精度。

时效型塑料模具钢可分为马氏体时效钢和析出硬化型时效钢，下面分别作说明:

时效处理：指合金工件经固溶处理，冷塑性变形或铸造，锻造后，在较高的温度放置或室温保持其性能，形状，尺寸随时间而变化的热处理工艺。若采用将工件加热到较高温度，并较短时间进行时效处理的时效处理工艺，称为人工时效处理，若将工件放置在室温或自然条件下长时间存放而发生的时效现象，称为自然时效处理。

时效处理的目的，消除工件的内应力，稳定组织和尺寸，改善机械性能等。几种时效硬化型塑料模具用钢:

25CrNi3MoAl钢;18Ni类钢

;06Ni6CrMoVTiAl（06Ni）钢

;10Ni3MnCuAlMoS（PMS）镜面塑料模具钢

;Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢;在生产聚氯乙烯，聚苯乙烯添加阻燃剂为原料的塑料制品时，模具材料必须具有一定的耐腐蚀性能。常用来制作模具的耐蚀钢有3CCr13,4Cr13,9Cr18，Cr18MoV，Cr18Mo，Cr14Mo4V，1Cr17Ni2等不锈钢和马氏体实效不锈钢。2.6耐腐蚀型塑料模具钢常用于制作塑料模具的高C高Cr型耐蚀钢有9Cr18，Cr18MoV，Cr14Mo，Cr14Mo4V，PCR，4Cr13，1Cr17Ni2等。

高C高Cr型耐蚀钢属于莱氏体钢，必须通过锻造使粗大碳化物均匀分布，钢坯的锻造加热温度为1100~1130℃

始锻温度为1050~1080℃，终锻温度为850~900℃。锻后砂冷或灰冷。为降低锻造后的硬度，改善切削加工性能，并为淬火做好组织准备，锻后应进行球化退火，退火组织为粒状珠光体和均匀分布的碳化物，退火硬度为179~255HBS。（1）高C高Cr型耐蚀钢4Cr13属于马氏体不锈钢，严格的讲，只能耐大气和水蒸气腐蚀。在热处理后能获得较高的硬度和耐磨性，可用于制造要求一定耐蚀性能的塑料模具。（2）中C高Cr型耐蚀钢——4Cr134Cr13的淬火温度一般选择在1040-1060℃，4Cr13钢通常在两种回火状态下使用。当要求高硬度和高耐蚀性时刻在200-350℃温度回火；当要求强度，塑性和冲击韧度有最佳配合且耐蚀性又较高时，则采用650-750℃回火。4Cr13的软化处理，可以来用在750~800℃温度进行高温回火2-6h，也可采用在875-900℃温度保温1-2h，以15-25℃/h的速度冷至于低于600℃出炉空冷。退火硬度为170-200HBS。3塑料模具的选材及热处理3.1模具材料的选用

一般地说，应根据模具生产和使用条件的要求，结合模具材料的性能和其他因素，来选择适合要求的模具材料。在塑料制品成型模具中，塑料的种类，生产的批量，塑料的复杂程度，尺寸精度和表面粗糙度等质量要求是决定塑料模具材料的主要因素。

由于成型塑料的种类不同和对塑料制品的尺寸，形状，精度，表面粗糙度等的不同要求，对塑料模具用材料分别提出了耐磨损，耐腐蚀，耐压，无磁性，微变形和镜面磨削等不同的要求。塑料模具成型零件用材料大致可分以下几种类型：3.1.1塑料模具成型零件的选用（1）成型通用型塑料的模具材料

用于生产聚乙烯，聚丙烯等通用型塑料制品的模具。

①当生产批量较小，尺寸精度和表面粗糙度无特殊要求，而且模具截面不大时，可以采用碳素钢45钢或低碳钢10，20钢制造。

②当生产批量较大，模具尺寸较大或形状复杂，精度要求高的工件时，则采用淬透性较高的合金模具钢。

③当成型对精度和表面粗糙度要求很高的塑料制品时，往往采用经过电渣重熔或真空自耗电极重熔的合金模具钢。（2）成型增强塑料的模具材料

对于生产添加玻璃纤维等无机增强剂的热塑性塑料注射成型模具和热固性塑料挤压成型模具，为了提高模具型腔表面的耐磨性，这类塑料模具通常采用冷作模具钢制造。（3）成型腐蚀性塑料模具材料

对生产聚氯乙烯，氟塑料或添加阻燃剂的阻燃塑料成型模具，由于在成型的过程中模具接触腐蚀性介质，应选用耐蚀性好的塑料模具钢。（4）成型磁性塑料的模具材料

成型磁性塑料的模具，一般多选用无磁模具材料制造，如不锈钢模具经渗氮处理后使用，或采用Mn13型耐磨奥氏体钢或无磁钢，如70Mn15Cr4Al3V2WMo。

（5）成型透明塑料制品的模具

对于成型透明塑料制品的模具，一般选用实效硬化钢制造，如06Ni，18Ni，PMS，PMS，PCR，SM2等，也可选用预硬钢SM1，Y82，空冷12钢等。塑料模具各种成型零件材料的选用见表10表10塑料模具钢的选用工作条件推荐钢号生产塑料产品批量较小，精度要求不高，尺寸不大的模具45，55钢或用10，20钢进行渗碳在使用过程中有交替的动载荷，塑料产品生产批量较大，受磨损较严重的塑料模具12CrNi3A，20Cr，20CrMnMo，20Cr2Ni4进行渗碳大型，复杂，生产塑料产品批量较大的塑料注射成型模或挤压成型模具3Cr2Mo，4Cr3Mo3SiV，5CrNiMo，5CrMnMo，4Cr5MoSiV，4Cr5MoSiV1热固性成型塑料模具及要求高耐磨高强度塑料模具9Mn2V,7CrMn2WMo，CrWMn，MnCrWV，Cr2Mn2SiWMoV，Cr5WV,Cr12MoV，Cr12耐腐蚀和高精度的塑料模具4Cr13，9Cr18，Cr18MoV,Cr14Mo，Cr14Mo4V复杂，精密，高耐磨塑料模具25CrNi3MoAl，18Ni-250，18Ni-300，18N