塑料模具鋼:一種用于塑料制作的模具鋼-中文百科頻道

簡介

随着近半個世紀以來石油化工工藝的迅猛發展，塑料産量迅速增加。塑料已經和鋼鐵、木材、水泥一起構成現代社會的四大基礎材料。大量塑料制品在生産過程中需要采用模具壓制成型，在很大程度上促進了模具工業的發展。模具材料是影響模具質量、性能和使用壽命的關鍵因素，也是模具工業發展中十分重要的一環。塑料模具材料仍以模具鋼為主，模具鋼的發展推動了工業産品向高級化、多樣化、個性化、高附加值的方向發展。世界各國都把模具鋼産量統計到合金工具鋼中，其産量約占合金工具鋼的70%～80%。各工業發達國家合金鋼産量約占國産量的0.1%。我國模具鋼已基本形成較完整的鋼種體系，并有相應的國家标準GB/T1299-2000E2J。

種類

塑料模具鋼一般可分為時效硬化型塑料模具鋼(含鏡面模具鋼)、耐蝕型塑料模具鋼、滲碳型塑料模具鋼、預硬型埋料模具鋼(含易切削鋼)、調質型塑料模具鋼和淬硬型塑料模具鋼六個大類。應用較多的是時效硬化型塑料模具鋼、滲碳型塑料模具鋼和預硬型塑料模具鋼。

特點

1.塑料模具用鋼涵蓋廣泛，從普通鋼材到專用鋼材都有。這在塑料模具初期更加明顯，如今已日趨正規和高級。專門用鋼已自成體系，模具用鋼的化學成分和合金工具鋼的基本相同，但其冶金質量更高，加工精良，對熱處理有利。

2.塑料模具鋼性能要求嚴格，熱處理難度大。

3.為避免模具零件在強韌化過程中的變形或其他熱處理問題，模具鋼以預硬化形式供應市場已較普遍。

4.以石化産品為原料的塑料制品，某些度不同的腐蝕性，所以耐蝕鋼應用也較多。

5.配合預硬化鋼、非調質剛的應用，易切削性也是塑料模具鋼的特點。

選擇

随着塑料制品在工業及日常生活中的應用越來越廣泛，塑料模具工業對模具鋼的需求也越來越大。在塑料成型加工中，模具的質量對産品質量的保證作用是不言而喻的。塑料模具已向精密化、大型化和多腔化的方向發展，對塑料模具鋼的性能的要求越來越高，塑模鋼的性能應根據塑料種類、制品用途、生産批量、尺寸精度和表面質量的要求而定。

影響塑料磨具鋼選擇的因素

塑料模具的零部件分為兩大類：

一類為結構件，包括：澆注系統、導向件、頂模闆、頂出機構、支承件等；

另一類為成型件，包括：型腔、型芯、嵌鑲件等。

其中第一類零件可按機械零件的要求進行強度和結構設計，材料一般選用中低碳素結構鋼、合金鋼和碳工鋼。而成型件由于結構複雜，要求工件的尺寸精度高，表面粗糙度值低，接縫密合性好，對模具材料的力學性能、耐磨性及加工工藝都提出了專業要求。

1.模具的主要失效形式

由于模具的工作溫度較高，壓力較大，有的塑料材料易于與模具表面發生磨損和腐蝕作用，有時還會受到脫模帶來的碰撞。其主要失效形式有以下三種：

（1）表面磨損

由于塑料中增強樹脂填料，對模具型腔表面産生沖刷、磨損和腐蝕作用,從而影響到模具型腔表面粗糙度值升高,尺寸超差。

（2）變形

模具局部産生塑性變形，導緻表面發生凹陷、皺紋、麻點和棱角堆塌等損壞。

（3）斷裂

由模具局部應力集中導緻的斷裂現象。

2.模具的制造和使用要求

塑料模具對材料在強度和韌度上的要求低于冷作模和熱作模，根據其失效形式和工作要求，其基本性能要求歸納為：

（1）足夠的耐磨性

由于表面磨損是模具的主要失效形式之一，因此模具應當有足夠的硬度，以保證模具的耐磨性，保證模具的壽命。通常需要選擇合适的材料和恰當的熱處理方法來滿足硬度的要求。但當硬度達到一定值時，硬度對耐磨性的提高作用就不明顯。

（2）減少熱處理變形影響

由于注塑零件形狀往往比較複雜，塑料模具在淬硬後很難加工，有時甚至無法加工。為了提高硬度，必須進行熱處理。要采取适當的措施來減低熱處理變形的影響，對于必須在熱處理後進行加工的模具，應選用熱處理變形小的材料。

（3）優良的切削加工性能

塑料模具的制造中切削加工成本常占大部分，為了延長切削刀具的使用壽命，保證加工表面質量，要求模具材料具有良好的切削加工性，對于預硬性材料，要求淬火後也有好的加工性。

（4）良好的抛光性能和刻蝕性

為獲得高品質的塑料制品，模具内型腔的表面必須進行抛光以減小表面粗糙度值，為了保證模具具有良好的電加工性和鏡面抛光性，花紋圖案刻蝕性，模具鋼應當是材料的純潔度高，組織細微、均勻、緻密，無纖維方向性。

（5）良好的耐腐蝕性能

注塑PVC或加有阻燃劑等添加劑的塑料制品時，會分解出具有腐蝕性的氣體，對模具的表面有一定的化學腐蝕作用，制作這類模具時，應選用具有一定抗腐蝕能力的鋼材。

常用模具鋼的類别及特性

1.滲碳鋼

滲碳鋼由于退火後的硬度低、塑性好，可以采用冷擠壓法成型，從而提高工效,減低成本。擠壓複雜型腔時，退火後的硬度小于100HBS；擠淺型腔時，小于160HBS，擠壓成型後，經滲碳、淬火和回火處理，表面硬度為53～62HRC。達到表面耐磨性高，心部韌性好的要求。08Cr4NiMoV（LJ）是國内開發的冷擠壓成型專用鋼，具有成型性能優良、滲碳層深、熱處理變形小、耐磨性好等優點。其淬火處理的最佳溫度是850℃，回火溫度可視模具工作條件選擇。

2.調質型模具鋼

工藝要求是在完成模具機械加工後，再進行調質處理，使模具達到較好的綜合機械性能。一類是45、55等優質碳素鋼，适宜于形狀簡單或精度要求不高、使用壽命不長的模具。可以選用SM45、SM55等塑料模具專用鋼（YB/T094—1997、YB/T107—1997、YB/T129—1997），此鋼材的純淨度好,力學性能穩定。另一類是合金鋼，可以在調質後進行碳氮共滲，進一步提高耐磨性和抗蝕性。其中：40CrMo有良好的低溫韌度和低的缺口敏感性，适于制作中型模具。42CrMo屬于高強度鋼，且有較高的疲勞極限，低溫韌性好，适于制造要求一定強度和韌性的大、中型塑料模具。38CrMoA1是典型的滲碳鋼，調質後滲氮處理，表面硬度高（大于850HV）并具有一定的抗蝕性。适用于PVC，PC的塑料模具。此外5CrNiMo、5CrMnMo等熱作模具鋼，在塑料模具中主要用于使用溫度較高，耐磨性要求高的模具，如熱固性塑料模。

3.預硬性塑料模具專用鋼

可以直接使用已經預硬處理的模塊、扁鋼進行加工,避免了加工後再熱處理所造成的各種缺陷，從而提高了模具的制作精度,同時縮短了制作周期。塑料模具鋼的主流品種,可以劃分為一般型和易切削型以及非調質型等幾類。

模具鋼的選用及熱處理

塑料模具的制作成本中，加工和抛光占到了70%～80%，因此在選用模具材料時，應在保證模具使用性能要求的同時，盡可能地提高其加工工藝性能。其選用方法可按以下方式進行：

（1）根據塑料制品的種類和質量要求選用。

（2）根據塑料件的生産批量選用。在其它影響因素确定時,生産批量越小，對模具的耐磨性和使用壽命要求越低。因此，可選用性能指标低的材料。小批量時，可以選用調質型合結鋼或碳結鋼。中等批量（30～100萬件）時，可以選用P20，5NiSCa，SM2等，大批量時，5NiSCa，PMS等。

（3）根據塑料件的尺寸大小及精度要求選用。對大型高精度的注射模，當塑料件生産批量大時，采用預硬化鋼,以防止熱處理變形。

（4）根據塑料件的複雜程度選用。應充分考慮模具的加工工藝性，盡量選用易切削，熱處理變形小，耐磨性好的材料。

發展

随着中國模具工業的迅猛發展，為國産模具鋼提供了一個巨大的市場，帶動了國内模具鋼的産量、品種、規格及品質水準的提高。我國冶金行業研制開發和引進了大量模具行業所需的鋼種，但國産模具鋼無論在品種還是質量上仍難以全部滿足國内模具市場的需求。

以冷作模具鋼為例，我國隻有Cr12、Cr12MoV、CrWMn鋼。我國的Cr12MoV鋼中，钼和釩的含量較低，比D2鋼綜合性能差。CrWMn含碳量較高，且不含釩，容易産生嚴重的網狀碳化物，影響使用性能。如今國外根據冷沖壓件向高精度、标準化發展的趨勢，早已開發了高性能模具鋼，其中有二次硬化鋼OCM、DC53、Vasco、Die；火焰淬火鋼SX10570L；空淬微變形鋼A4等。這些新型模具鋼我國也急需研制開發。

國産熱作模具鋼同樣存在差距，我國通用型鋼種中隻有2個鋼号。而國外除了通用型鋼種外，還新發展了YHD3、H26等品種。塑料模具鋼的差距則更大。就品種而言，國家标準僅1個鋼号，而美國有7個鋼号，且形成了較完整的用鋼系列。國内模具鋼年消費量至少150萬噸，其中，市場是巨大的，但國内模具鋼制造企業要想在其中占據更大的份額，就必須在科研開發、技術改造、市場開拓上下更大的功夫。

我國過去無專用的塑料模具鋼，一般塑料模具用正火的45和40Cr經調質後制造，因而模具硬度低、耐磨性差，表面粗糙度值高，加工出來的塑料産品外觀質量較差，而且模具使用壽命低；精密塑料模具及硬度高塑料模具采用CrWMo、Cr12MoV等合金工具鋼制造，不僅機械加工性能差，而且難以加工複雜的型腔，更無法解決熱處理變形問題。由此，國内對專用塑料模具用鋼進行了研制，并獲得了一定的進展。我國已有了自己的專用模具鋼系列，已納入國家标準的有兩種，即3Cr2Mo和3Cr2MnNiMo，納入行業标準的已有20多種，已在生産中推廣應用十多種新型塑料模具鋼，初步形成了我國塑料模具用鋼體系。