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塑料模具材料 隨著塑料產(chǎn)量的提高和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對塑料模具提出了越來越高的要求，促進(jìn)了塑料模具的不斷發(fā)展。目前塑料模具正朝著高效率、高精度、高壽命方向發(fā)展，推動了塑料模具材料迅速發(fā)展。我國目前用于塑料模具的鋼種，可按鋼材特性和使用時的熱處理狀態(tài)分類，見表3-2表3-2 塑料模具用鋼分類類 別鋼 種類 別鋼 種滲碳型20,20Cr,20Mn,12CrNi3A,20CrNiMo,DT1,DT2,0Cr4NiMoV預(yù)硬型3Cr2Mo,Y20CrNi3AlMnMo(SM2),5NiSCa,Y55CrNiMnMoV(SM1),4Cr5MoSiVS,8Cr2MnWMoVS(8CrMn)調(diào)質(zhì)型45,50,55,40Cr,40Mn,50Mn,S48C,4Cr5MoSiV,38CrMoAlA耐蝕型3Cr13,2Cr13,Cr16Ni4Cu3Nb(PCR),1Cr18Ni9,3Cr17Mo,0Cr17Ni4Cu4Nb(74PH)淬硬型T7A,T8A,T10A,5CrNiMo,9SiCr,9CrWMn,GCr15,3Cr2W8V,Cr12MoV,45Cr2NiMoVSi,6CrNiSiMnMoV(GD)時效硬化型18Ni140級,18Ni170級,18Ni210級,10Ni3MnCuAl(PMS),18Ni9Co,06Ni16MoVTiAl,25CrNi3MoAl 對于我國傳統(tǒng)常用的塑料模具鋼，已有很多書藉資料作過詳細(xì)的論述，本節(jié)主要介紹我國近年研制和從國外引進(jìn)并已在生產(chǎn)中推廣使用的塑料模具鋼。 一、滲碳型塑料模具用鋼 滲碳型塑料模具用鋼主要用于冷擠壓成形的塑料模。為了便于冷擠壓成形，這類鋼在退火態(tài)須有高的塑性和低的變形抗力，因此，對這類鋼要求有低的或超低的含碳量，為了提高模具的耐磨性，這類鋼在冷擠壓成形后一般都進(jìn)行滲碳和淬回火處理，表面硬度可達(dá)5862HRC。 此類鋼國外有專用鋼種，如瑞典的8416、美國的P2和P4等。國內(nèi)常采用工業(yè)純鐵（如DT1和DT2）、20、20Cr、12CrNi3A和12Cr2Ni4A鋼，以及國內(nèi)最新研制的冷成形專用鋼0Cr4NiMoV（LJ）。現(xiàn)介紹兩個典型鋼種。（一）0Cr4NiMoV（LJ）鋼 1. 化學(xué)成分：表3-3是LJ鋼的化學(xué)成分。 表3-3 LJ鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CMnSiCrNiMoV0.080.30.23.64.20.30.70.20.60.080.15該鋼含碳量很低，因而塑性優(yōu)異、變形抗力低。鋼中主加元素為鉻，輔加元素為鎳、鉬、釩等，合金元素的主要作用是提高淬透性和滲碳能力，增加滲碳層的硬度和耐磨性以及心部的強(qiáng)韌性。2.工藝性能：LJ鋼具有良好的鍛造性能和熱處理工藝性。鍛造工藝：加熱溫度1230，始鍛溫度1200，終鍛溫度900。退火工藝：加熱880，保溫2，隨爐緩冷至（冷速約40h）650后出爐空冷，退火硬度100105HBS，可順利地進(jìn)行冷擠壓成形。固體滲碳工藝：加熱930（68），滲后在850870油淬，再進(jìn)行2002202的低溫回火，熱處理后表面硬度5860HRC，心部硬度為2729HRC，熱處理變形微小。LJ鋼滲碳速度快，滲層深度比20鋼深一倍。 3.實際應(yīng)用：LJ鋼冷成形性與工業(yè)純鐵相近，用冷擠壓法成形的模具型腔輪廓清晰、光潔、精度高。LJ鋼主要用來替代10、20鋼及工業(yè)純鐵等冷擠壓成形的精密塑料模。由于滲碳淬硬層較深，基體硬度高，不會出現(xiàn)型腔表面塌陷和內(nèi)壁咬傷現(xiàn)象，使用效果良好。（二）12CrNi3A鋼1.化學(xué)成分：12CrNi3A鋼是傳統(tǒng)的中淬透性合金滲碳鋼，其成分見表3-4。該鋼含碳量較低，加入鎳、鉻合金元素，以提高鋼的淬透性和滲碳層的強(qiáng)韌性，尤其是鎳，在產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的同時，明顯增加鋼的塑韌性。與其它冷成形塑料模具鋼相比，該鋼的冷成形性屬于中等。 表3-4 12CrNi3A鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CSiMnCrNiP、S0.090.160.170.370.300.600.600.902.753.250.025 2.工藝性能：鍛造加熱溫度為1200，始鍛溫度1150，終鍛溫度大于850，鍛后緩冷，鍛后必須軟化退火。退火工藝：740760加熱，保溫46后以510的速度緩冷至600，再爐冷至室溫，退火后的硬度160HBS，適于冷擠壓成形。正火工藝：870900加熱并保溫34后空冷，正火后硬度229HBS，切削加工性良好。 12CrNi3A鋼采用氣體滲碳工藝時，加熱溫度為900920保溫67，可獲得0.91.0的滲碳層，滲碳后預(yù)冷至800850直接油淬或空冷，淬火后表層硬度可達(dá)5662HRC，心部硬度為250380HBS，變形微小。3. 實際應(yīng)用： 12CrNi3A鋼主要用于冷擠壓成形的形狀復(fù)雜的淺型腔塑料模具。也可用來制造大、中型切削加工成形的塑料模具，為了改善切削加工性，模坯須經(jīng)正火處理，二、淬硬型塑料模具用鋼（一）常用鋼種及熱處理常用的淬硬型塑料模具鋼有：碳素工具鋼（如T7A、T8A）、低合金冷作模具鋼（如9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15、7CrSiMnMoV鋼）、Cr12型鋼（如Cr12MoV鋼）、高速鋼（如W6Mo5Cr4V2鋼）、基體鋼和某些熱作模具鋼等。這些鋼的最終熱處理一般是淬火和低溫回火（少數(shù)采用中溫回火或高溫回火），熱處理后的硬度通常在4550HRC以上。（二）實際應(yīng)用碳素工具鋼僅適于制造尺寸不大，受力較小，形狀簡單以及變形要求不高的塑料模；低合金冷作模具鋼主要用于制造尺寸較大、形狀較復(fù)雜和精度較高的塑料模；Cr12型鋼適于制造要求高耐磨性的大型、復(fù)雜和精密的塑料模；W6Mo5Cr4V2鋼適于制造要求強(qiáng)度高和耐磨性好的塑料模；熱作模具鋼適合于制造有較高強(qiáng)韌性和一定耐磨性的塑料模。另外，GD鋼也是近年新推廣使用的一種淬硬型塑料模具鋼。由于該鋼強(qiáng)韌性高、淬透性和耐磨性好，淬火變形小，價格低，用此鋼取代Cr12MoV鋼或基體鋼制造大型、高耐磨、高精度塑料模，不僅降低了成本，而且提高了模具的使用壽命。三、預(yù)硬型塑料模具用鋼所謂預(yù)硬鋼就是供應(yīng)時已預(yù)先進(jìn)行了熱處理，并使之達(dá)到模具使用態(tài)硬度。這類鋼的特點是在硬度3040HRC的狀態(tài)下可以直接進(jìn)行成形車削、鉆孔、銑削、雕刻、精銼等項加工，精加工后可直接交付使用，這就完全避免了熱處理變形的影響，從而保證了模具的制造精度。我國近年研制的預(yù)硬化型塑料模具鋼，大多數(shù)是以中碳鋼為基礎(chǔ)，加入適量的鉻、錳、鎳、鉬、釩等合金元素制成。為了解決在較高硬度下切削加工難度大的問題，通過向鋼中加入硫、鈣、鉛、硒等元素，以改善切削加工性能，從而制得易切削預(yù)硬化鋼。有些預(yù)硬化鋼可以在模具加工成形后進(jìn)行滲氮處理，在不降低基體使用硬度的前提下使模具的表面硬度和耐磨性顯著提高。下面介紹幾種典型預(yù)硬化塑料模具鋼。（一）3Cr2Mo（P20）塑料模具鋼3Cr2Mo鋼是引進(jìn)的美國塑料模具鋼常用鋼號，也是GB129985合金工具鋼技術(shù)條件中正式納標(biāo)的唯一一種塑料模具鋼。1.化學(xué)成分及相變點化學(xué)成分見表3-5所示。 表3-5 3Cr2Mo鋼的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CSiMnCrMoP、S0.280.400.200.800.601.001.402.000.300.550.030相變點為c1770、Ac3825、Ar1640、Ar3760、s300、f120。2.工藝性能（1）鍛造：加熱溫度11001150，始鍛溫度10501100，終鍛溫度850，鍛后空冷。（2）退火：加熱溫度850，保溫24h，等溫溫度720，保溫46h，爐冷至500，出爐空冷。（3）淬火及回火：淬火加熱溫度860870，油淬，540580回火。預(yù)硬態(tài)硬度為3035HRC。（4）化學(xué)熱處理：P20鋼具有較好的淬透性及一定的韌性，可以進(jìn)行滲碳，滲碳淬火后表面硬度可達(dá)65HRC，具有較高的熱硬度及耐磨性。3.力學(xué)性能 850淬火，550回火的P20鋼室溫力學(xué)性能見表3-6所示。 表3-6 P20鋼室溫力學(xué)性能硬度HRCb/Mpa0.2/MPa5(%)(%)k/(J/cm2)3012501140145811.54.實際應(yīng)用P20鋼適宜制造電視機(jī)、大型收錄機(jī)的外殼及洗衣機(jī)面板蓋等大型塑料模具，其切削加工性能及拋光性能均顯著優(yōu)于45鋼，在相同拋光條件下，表面粗糙度比45鋼低13級。如制造的“飛躍”牌14吋黑白電視機(jī)外殼塑料模具，已成型24萬模次，模具仍完好無損。還制造過18吋彩色電視機(jī)外殼塑料模具，大型收錄機(jī)模具，電唱機(jī)盤罩模具，以及洗衣機(jī)面板蓋模具等。（二）3Cr2NiMo（P4410）塑料模具鋼1.化學(xué)成分及相變點3Cr2NiMo鋼是3Cr2Mo鋼的改進(jìn)型，是在3Cr2Mo鋼中添加了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%1.2%的鎳，其化學(xué)成分見表3-7所示。國內(nèi)試制的P4410鋼實際成分，與瑞典生產(chǎn)的P20鋼改進(jìn)型718鋼一致。 表3-7 P4410的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CMnSiCrMoNiPS0.280.400.601.000.200.801.402.000.300.550.801.200.0200.015相變點Ac1725、Ac3810、Ms280。2.生產(chǎn)工藝堿性平爐粗煉真空脫氣、鋼包噴粉精煉水壓機(jī)鍛造粗加工超聲波探傷調(diào)質(zhì)熱處理檢驗出廠。經(jīng)此工藝生產(chǎn)出的鋼材達(dá)到較高的潔凈度，組織細(xì)密，鏡面拋光性能好，表面粗糙度可達(dá)Ra0.050.025m。3.性能特點經(jīng)860淬火，650回火后，室溫及高溫力學(xué)性能見表3-8所示。表3-8 P4410鋼的力學(xué)性能試驗溫度/b/MPas/MPa(%)(%)k/(J/cm2)HRC室溫1120102016619635200100688213.65640088281114.067P4410鋼在硬度值為3236HRC范圍內(nèi)，具有良好的車、銑、磨等加工性能。P4410鋼也可采用火焰局部加熱淬火，加熱溫度800825，在空氣中或用壓縮空氣冷卻，局部表面硬度可達(dá)5662HRC，可延長模具使用壽命。也可對模具進(jìn)行表面鍍鉻，表面硬度可由370420HV提高到1000HV，顯著提高模具的耐磨性和耐蝕性。P4410鋼制造的模具，局部損壞后也可用補焊法修補，焊接質(zhì)量良好，可以進(jìn)行加工。4.應(yīng)用P4410鋼在預(yù)硬態(tài)（3036HRC）使用，防止了熱處理變形，適于制造大型、復(fù)雜、精密塑料模具。該鋼也可采用滲氮、滲硼等化學(xué)熱處理，處理后可獲得更高表面硬度，適于制作高精密的塑料模具。（三）8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）鋼8Cr2MnWMoVS屬易切削精密塑料成形模具鋼，是為適應(yīng)精密塑料模和薄板無間隙精密沖裁模之急需而設(shè)計的，其成分設(shè)計采用了高碳多元少量合金化原則，以硫作為易切削元素。8Cr2S鋼的化學(xué)成分及性能在第一章第二節(jié)已經(jīng)介紹過，這里就使用方面再進(jìn)一步介紹。1.鋼的特點（1）熱處理工藝簡便，淬透性好：空冷淬硬直徑100mm以上，空淬硬度為61.562HRC，熱處理變形小。當(dāng)860900淬火，160300回火時，軸向總變形率0.09%，徑向總變形率0.15%。（2）切削性能好：退火硬度為207239HBS，切削加工時，可比一般工具鋼縮短加工工時1/3以上。硬態(tài)4045HRC時，用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行車、銑、刨、鏜、鉆等加工，相當(dāng)于碳鋼調(diào)質(zhì)態(tài)，硬度為30HRC左右的切削性能，遠(yuǎn)優(yōu)于Cr12MoV鋼退火態(tài)硬度為240HBS時的切削性能。（3）鏡面研磨拋光性好：采用相同的研磨加工，其表面粗糙度比一般合金工具鋼低12級，最低表面粗糙度為Ra 0.1m。（4）表面處理性能好：滲氮性能良好，一般滲氮層深達(dá)0.20.3mm，滲硼附著力強(qiáng)。2.應(yīng)用 8Cr2S作為預(yù)硬鋼適宜于制作各種類型的塑料模、膠木模、陶土瓷料模以及印制板的沖孔模。該鋼種制作的模具配合精密度較其它合金工具鋼高12個數(shù)量級，表面粗造度低12級，使用壽命普遍高23倍，有的高十幾倍。（四）5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）鋼5NiSCa屬易切削高韌性塑料模具鋼，在預(yù)硬態(tài)（3545HRC）韌性和切削加工性良好；鏡面拋光性能好，表面粗糙度低，可達(dá)Ra 0.20.1m，使用過程中表面粗糙度保持能力強(qiáng)；花紋蝕刻性能好，清晰，逼真；淬透性好，可作型腔復(fù)雜、質(zhì)量要求高的塑料模。該鋼在高硬度下（50HRC以上），熱處理變形小，韌性好，并具有較好的阻止裂紋擴(kuò)展的能力。1.化學(xué)成分及相變點5NiSCa鋼采用中碳加鎳，其主要化學(xué)成分見表3-9。 表3-9 5NiSCa鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CCrNiMnMoVSCa0.570.891.031.190.520.260.0280.0036加熱時相變點695735，冷卻時相變點378305，Ms220。2.工藝性能（1）鍛造：加熱溫度1100，始鍛溫度10701100，終鍛溫度850，鍛后砂冷。（2）球化退火：加熱溫度770，保溫3h，等溫溫度660，保溫7h，爐冷到550出爐空冷。退火硬度241HBS，加工性能良好。（3）淬火：淬火溫度880900，小件取下限，大件取上限，油冷或260硝鹽分級淬火。3.力學(xué)性能5NiSCa鋼經(jīng)880和900淬火后的力學(xué)性能，見表3-10所列。表3-10 5NiSCa鋼不同溫度淬火及回火后的力學(xué)性能淬火/回火/0.2/Mpab/MPabc/MPa(%)(%)k/(J/cm2)HRC8805751240.71274.01271.18.842.146.145.56251240.71274.01271.18.842.146.1396501008.41045.71011.49.045.356.8369005751364.21430.81442.67.939.642.1476251252.41291.61355.38.341.74941.56501061.31084.91110.310.547.066.6374.生產(chǎn)應(yīng)用5NiSCa鋼可用作型腔復(fù)雜、型腔質(zhì)量要求高的注射模、壓縮模、橡膠模，印制板沖孔模等效果顯著。 （五）Y55CrNiMnMoV（SM1）SM1屬易切削調(diào)質(zhì)型預(yù)硬化塑料模具鋼，預(yù)硬態(tài)交貨，預(yù)硬硬度為3540HRC。易切削效果明顯、性能穩(wěn)定、綜合性能明顯優(yōu)于45鋼，還具有耐蝕性較好和可滲氮等優(yōu)點。1.化學(xué)成分及相變點Y55CrNiMnMoV鋼的化學(xué)成分，見表3-11。 表3-11 SM1鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)CMnSPCrNiMoVSi0.500.600.801.200.0800.1500.0300.801.201.001.500.200.500.100.300.40相變點 Ac1712、Ac3772、s290。2.工藝性能（1）鍛造：鍛造性能良好，鍛造無特殊要求。（2）軟化處理：800加熱、保溫3，680等溫加熱5，硬度235HBS。（3）淬火、回火：800860加熱油淬，600650回火。3.力學(xué)性能經(jīng)上述處理后，SM1的力學(xué)性能見表3-12所示。表3-12 SM1鋼的力學(xué)性能b/MPa0.2/Mpa5(%)(%)k/(J/cm2)硬度HRC1176980154544354.實際應(yīng)用Y55CrNiMnMoV鋼生產(chǎn)工藝簡便易行，性能優(yōu)越穩(wěn)定，使用壽命長。經(jīng)電子、儀表、家電、玩具、日用五金等行業(yè)推廣應(yīng)用，效果顯著。四、時效硬化型塑料模具鋼此類鋼的共同特點是含碳量低、合金度較高，經(jīng)高溫淬火（固溶處理）后，鋼處于軟化狀態(tài)，組織為單一的過飽和固溶體。但是將此固溶體進(jìn)行時效處理，即加熱到某一較低溫度并保溫一段時間后，固溶體中就會析出細(xì)小彌散的金屬化合物，從而造成鋼的強(qiáng)化和硬化。并且，這一強(qiáng)化過程引起的尺寸、形狀變化極小。因此，采用此類鋼制造塑料模具時，可在固溶處理后進(jìn)行模具的機(jī)械成形加工，然后通過時效處理，使模具獲得使用狀態(tài)的強(qiáng)度和硬度，這就有效地保證了模具最終尺寸和形狀的精度。此外，此類鋼往往采用真空冶煉或電渣重熔，鋼的純凈度高，所以鏡面拋光性能和光蝕性能良好。這一類鋼還可以通過鍍鉻、滲氮、離子束增強(qiáng)沉積等表面處理方法來提高耐磨性和耐蝕性。下面介紹幾種時效硬化型塑料模具用鋼。（一）25CrNi3MoAl鋼25CrNi3MoAl屬低鎳無鈷時效硬化鋼，這是參考了國外同類鋼的成分，并根據(jù)我國冶煉工業(yè)的特點及使用廠對性能的要求加以改進(jìn)而研制的一種新型時效硬化鋼，為我國時效硬化型精密塑料模具專用鋼種填補了空白。1.化學(xué)成分及相變點25CrNi3MoAl鋼的化學(xué)成分見表3-13。 表3-13 25CrNi3MoAl鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CCrNiMoAlSiMnS、P0.20.31.21.83.04.00.20.41.01.60.20.50.50.80.03相變點Ac1740、Ac3780、s290。2.力學(xué)性能（1）硬度：25CrNi3MoAl鋼經(jīng)不同溫度固溶及時效處理后的硬度分別見表3-14及表3-15。表3-14 25CrNi3MoAl鋼經(jīng)不同溫度固溶處理后的硬度加熱溫度/（保溫30min）8309209601000硬度HRC5048.546.445.6表3-15 25CrNi3MoAl鋼時效處理后的硬度時效溫度/500520540硬度HRC35.53839413942（2）室溫力學(xué)性能：25CrNi3MoAl鋼經(jīng)880固溶，680回火，540時效處理8后的力學(xué)性能見表3-16。表3-16 25CrNi3MoAl鋼的室溫力學(xué)性能HRCb/Mpas/MPa(%)(%)k/(J/cm2)394212601350117012001316.855594552 k 值為夏比U形試樣沖擊韌度值。3.熱處理工藝（1）用作一般精密塑料模具：淬火加熱溫度880，空冷或水冷淬火，淬火硬度4850HRC，再經(jīng)680，46高溫回火，空冷或水冷，回火硬度2223HRC，經(jīng)機(jī)加工成形。再經(jīng)時效處理，時效溫度520540，保溫68，空冷，時效硬度3942HRC。再經(jīng)研磨、拋光或光刻花紋后裝配使用。時效變形率大約為-0.039。（2）用于高精密塑料模具：淬火加熱溫度880，再經(jīng)680高溫回火，其余工藝同上。但在高溫回火后對模具進(jìn)行粗加工和半精加工，再經(jīng)650保溫1，消除加工后的殘留內(nèi)應(yīng)力，然后再進(jìn)行精加工。此后的時效、研磨、拋光等工藝仍同上。經(jīng)此處理后時效變形率僅為-0.01%-0.02%。（3）用于對沖擊韌度要求不高的塑料模具：對退火的鍛坯直接經(jīng)粗加工、精加工，進(jìn)行520540、68的時效處理，再經(jīng)研磨、拋光及裝配使用。經(jīng)此處理后，模具硬度4043HRC，時效變形率0.05%。（4）用作冷擠型腔工藝的塑料模具：模具鍛坯經(jīng)軟化處理后，即對模具擠壓面進(jìn)行加工、研磨、拋光。然后對冷擠壓模具型腔和模具外形進(jìn)行修整，最后對模具進(jìn)行真空時效處理或表面滲氮處理后再裝配使用。4.特點及應(yīng)用綜上所述，25CrNi3MoAl鋼有如下特點：（1）鋼中含鎳量低，價格遠(yuǎn)低于馬氏體時效鋼，也低于超低碳中合金時效鋼。（2）調(diào)質(zhì)硬度為230250HBS，常規(guī)切削加工和電加工性能良好。時效硬度為3842HRC，時效處理及滲氮處理溫度范圍相當(dāng)，且滲氮性能好，滲氮后表層硬度達(dá)1000HV以上，而心部硬度保持在3842HRC。（3）鏡面研磨性好，表面粗糙度可在Ra 0.20.025m，表面光刻浸蝕性好，光刻花紋清晰均勻。（4）焊接修補性好，焊縫處可加工，時效后焊縫硬度和基體硬度相近。25CrNi3MoAl鋼可用以制作普通及高精密塑料模具，經(jīng)十多家工廠試用，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。(二)18Ni類鋼這類鋼屬于低碳馬氏體時效鋼，其成分和力學(xué)性能見表3-17。表3-17 18Ni類鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能18Ni鋼級別化學(xué)成分（w，）熱處理工 藝s/MPab/MPa(%)(%)硬度HRCNiCoMoTiAl140級17.518.5893.03.50.150.250.050.1581510固溶處理1h空冷，經(jīng)48010時效3h，空冷1350145014001550141665704648170級17197.08.54.65.20.30.50.050.151700190017501950101248585052210級18198.09.54.65.20.550.800.050.15205021002100215012605355 馬氏體時效鋼碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)極低（約0.03%），目的是改善鋼的韌性。因這類鋼的屈服強(qiáng)度有1400MPa，1700MPa，2100MPa三個級別，可分別簡寫為18Ni140級、18Ni170級和18Ni210級，也分別對應(yīng)國外的18Ni250級、18Ni300級和18Ni350級。18Ni馬氏體時效鋼中起時效硬化作用的合金元素是鈦、鋁、鈷，鉬。18Ni中加入大量的鎳，主要作用是保證固溶體淬火后能獲得單一的馬氏體，其次Ni與Mo作用形成時效強(qiáng)化相Ni3Mo，鎳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在10%以上，還能提高馬氏體時效鋼的斷裂韌度。 18Ni類鋼主要用在精密鍛模及制造高精度、超鏡面、型腔復(fù)雜、大截面、大批量生產(chǎn)的塑料模具。但因Ni、Co等貴重金屬元素含量高，價格昂貴，尚難以廣泛應(yīng)用。（三）06Ni6CrMoVTiAl（06Ni）鋼06Ni6CrMoVTiAl鋼屬低鎳馬氏體時效鋼。該鋼突出優(yōu)點是熱處理變形小，拋光性能好，固溶硬度低，切削加工性能好，具有良好的綜合力學(xué)性能以及滲氮、焊接性能。因為合金含量低，其價格比18Ni型馬氏體時效鋼低得多。1.化學(xué)成分及相變點低碳馬氏體時效鋼的硬化機(jī)理是在馬氏體基體中析出金屬間化合物而產(chǎn)生硬化，這首先要求低含碳量，并含有時效硬化元素，以提高鋼的時效硬度。06鋼化學(xué)成分見表3-18所示。 表3-18 06Ni6CrMoVTiAl鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CNi CrMoTiAlVMn SiP、S0.065.56.51.31.60.91.20.91.30.60.90.080.160.50.60.03相變點Ac1705、Ac3836、Ar1425、Ar3525、Ms512、Mf395。2.熱加工工藝（1）鍛造：加熱溫度11001150，終鍛溫度850，鍛后空冷。（2）軟化退火：可采用680高溫回火處理達(dá)到軟化目的。（3）固溶處理：固溶是時效硬化鋼必要的工序，通過固溶既可達(dá)到軟化目的，又可以保證鋼材在最終時效時具有硬化效應(yīng)。固溶處理可以利用鍛軋后快速冷卻實現(xiàn)，也可以把鋼材加熱到固溶溫度之后油冷或空冷實現(xiàn)。 固溶處理后，采用的冷卻方式不同，對固溶及時效硬度影響很大。如820固溶后，空冷硬度為2628HRC，油冷硬度為2425HRC，水冷硬度為2223HRC。固溶后冷速越快，硬度越低，但時效后硬度值卻更高。06鋼的時效硬度比18Ni類高合金馬氏體時效鋼固溶硬度（2832HRC）低，故而切削加工性能優(yōu)于高合金馬氏體時效鋼。 推薦的固溶處理工藝：固溶溫度800880，保溫12，油冷。（4）時效處理：推薦的時效工藝：時效溫度500540，時效時間48，硬度為4245HRC。3.力學(xué)性能測得的不同溫度下06鋼的力學(xué)性能見表3-19。表3-19 06鋼室溫和高溫力學(xué)性能試驗溫度/b/Mpa0.2/MPa(%)(%)k/(J/cm2)室溫147814229.337.23.410015032001292126211.254.236.83001238119710.553.341.74001153112813.756.551.9由表3-19可見，隨著試驗溫度的增加，雖然鋼的強(qiáng)度有所下降，但塑性和韌性都迅速增加。在使用溫度狀態(tài)下，鋼的韌性有較大增加。4.實際應(yīng)用馬氏體時效鋼06Ni6CrMoVTiAl已分別應(yīng)用在化工、儀表、輕工、電器、航空航天和國防工業(yè)部門，用以制作磁帶盒、照像機(jī)、電傳打字機(jī)等零件的塑料模具，均收到很好效果。該鋼制作的錄音機(jī)磁帶盒塑料模具壽命可達(dá)200萬次以上，壓制的產(chǎn)品質(zhì)量可與進(jìn)口模具壓制的產(chǎn)品相媲美；制作收錄機(jī)磁帶盒塑料模具，其平均壽命達(dá)110萬次以上。（四）10Ni3CuAlMoS（PMS）鏡面塑料模具鋼光學(xué)塑料鏡片、透明塑料制品以及外觀光潔、光亮、質(zhì)量高的各種熱塑性塑料殼體件成形模具，國外通常選用表面粗糙度低、光亮度高、變形小、精度高的鏡面塑料模具鋼制造。鏡面性能優(yōu)異的塑模鋼，除要求具有一定強(qiáng)度、硬度外，還要求冷熱加工性能好，熱處理變形小。特別是還要求鋼的純潔度高，以防在鏡面出現(xiàn)針孔、桔皮、斑紋及銹蝕等缺陷。PMS鏡面塑料模具鋼是一種新型的析出硬化型塑料模具鋼，具有良好的冷熱加工性能和綜合力學(xué)性能，熱處理工藝簡便，變形小，淬透性高，適宜進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，在軟化狀態(tài)下可進(jìn)行模具型腔的擠壓成形。1.化學(xué)成分及相變點PMS鋼的化學(xué)成分見表3-20，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)限制在0.2%以下，保證鋼的熱加工性能及熱處理后的韌性，Ni、Al的加入是為了保證時效硬化后鋼的硬度（40HRC左右）。 表3-20 PMS鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CSiMnNiCuAlMoP、S.0.060.160.351.41.72.83.40.81.20.71.10.20.50.01相變點Ac1675、Ac3821、Ar1382、Ar3517、Ms270。2.工藝性能（1）鍛造：PMS鋼有良好的鍛造性能，鍛造加熱溫度11201160，終鍛溫度850，鍛后空冷或砂冷。（2）固熔處理：固溶處理的目的是為了使合金元素在基體內(nèi)充分溶解，使固溶體均勻化，并達(dá)到軟化，便于切削加工。經(jīng)840850加熱3固溶處理，空冷后的硬度為2830HRC。（3）時效處理：鋼的最終使用性能是通過回火時效處理而獲得的，鋼出現(xiàn)硬化峰值的溫度約為51010，時效后硬度為4042HRC。（4）變形率：PMS的變形率很小，收縮量0.05%，總變形率徑向為-0.110.041，軸向為-0.021%0.026%，接近馬氏體時效鋼。3.力學(xué)性能PMS鋼經(jīng)840850加熱保溫空冷固溶處理，再經(jīng)510及530時效處理后的力學(xué)性能，見表3-21所示。表3-21 PMS鋼不同溫度時效后的力學(xué)性能鋼 種時效溫度/硬度/HRCb/MPas/MPa5(%)(%)k/(J/cm2)PMS鋼（含S）51042.51303.51169.11649.214.717.153041.41292.71194.61552.720.6PMS鋼（低S）51042.71331.91264.514.747.821.653041.81252.51191.714.655.721.64.實際應(yīng)用PMS鏡面塑料模具鋼適于制造各種光學(xué)塑料鏡片，高鏡面、高透明度的注射模以及外觀質(zhì)量要求極高的光潔、光亮的各種家用電器塑料模。例如電話機(jī)殼體模具，生產(chǎn)出的電話機(jī)塑料殼體制品外觀質(zhì)量達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，模具使用壽命也明顯提高。又如大型雙卡收錄機(jī)注射模，生產(chǎn)出的機(jī)殼外觀質(zhì)量高，原用45鋼制造注射模，模具壽命15萬模；而PMS鋼制造的注射模，壽命達(dá)40萬模。PMS鋼是含鋁鋼，其滲氮性能好，時效溫度與滲氮溫度相近，因而，可以在滲氮處理的同時進(jìn)行時效處理。滲氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纖維增強(qiáng)塑料的精密成形模具。PMS鋼還具有良好的焊接性能，對損壞的模具可進(jìn)行補焊修復(fù)。PMS鋼還適于高精度型腔的冷擠壓成形。（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）鋼1.化學(xué)成分及相變點Y20CrNi3AlMnMo（SM2）屬時效硬化型塑料模具鋼，其化學(xué)成分見表3-22。 表3-22 SM2鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)CMnSPCrNiMoAlSi0.170.230.801.200.0800.1500.0300.801.203.003.500.200.501.001.500.40相變點 Ac1710、Ac3795、Ms405。2.工藝性能（1）鍛造：鍛造性能良好，鍛造無特殊要求。（2）軟化處理： 870930加熱，油冷，680700高溫回火2h，油冷，硬度30HRC。（3）熱處理工藝：870930加熱，油淬，680700油冷，500560時效。3.力學(xué)性能經(jīng)上述處理后，SM2的力學(xué)性能見表3-23所示。表3-23 SM2鋼的力學(xué)性能b/MPa0.2/Mpa5(%)(%)k/(J/cm2)硬度HRC1176980154554354.實際應(yīng)用Y20CrNi3AlMnMo鋼生產(chǎn)工藝簡便易行，性能優(yōu)越穩(wěn)定，使用壽命長。經(jīng)電子、儀表、家電、玩具、日用五金等行業(yè)推廣應(yīng)用，效果顯著。五、耐蝕塑料模具鋼PCR0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)鋼屬析出硬化不銹鋼,硬度為3235HRC時可進(jìn)行切削加工。該鋼再經(jīng)460480時效處理后，可獲得較好的綜合力學(xué)性能。（一）PCR鋼的化學(xué)成分及相變點PCR鋼的化學(xué)成分見表3-24。 表3-24 PCR鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）CMnSiCrNiCuNbS、P其它0.071.01.01517352.53.50.20.40.03添加特殊元素相變點： As580，f723、s85、Mf300。（二）力學(xué)性能見表3-25。 表3-25 PCR鋼時效處理后的力學(xué)性能熱處理規(guī)程b/Mpas/MPasc/MPa5(%)(%)k/(J/cm2)HRC950固溶460時效13241211135550421000固溶460時效13341261135550431050固溶460時效135512731442135647431100固溶460時效13911298154541451150固溶460時效1428132414382846 C形缺口沖擊試樣，R=12.7mm。（三）工藝性能1.鍛造工藝：加熱溫度11801200，始鍛溫度11501100，終鍛溫度1000空冷或砂冷。 鋼中含有元素銅，其壓力加工性能與含銅量有很大關(guān)系。當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)wCu4.5%時，鍛造易出現(xiàn)開裂；當(dāng)銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)wCu3.5%時，其壓力加工性能有很大改善。鍛造時應(yīng)充分熱透，鍛打時要輕錘快打，變形量??；然后可重錘，加大變形量。2.固溶處理：固溶溫度1050，空冷，硬度為3235HRC，在此硬度下可以進(jìn)行切削加工。3.時效處理：在420480時效，其強(qiáng)度和硬度可以達(dá)到最高峰值，但在440時沖擊韌度最低，因此，推薦時效處理溫度為460，時效后硬度為4244HRC。4.淬透性及淬火變形：PCR鋼淬透性好，在100mm斷面上硬度均勻分布。回火時效后總變形率：徑向為-0.04%-0.05%，軸向為-0.037%-0.04%。（四）實際應(yīng)用PCR鋼適于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蝕性。具體應(yīng)用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料門窗、各種車輛把套、氟氯塑料擠出機(jī)螺桿、料筒以及添加阻燃劑的塑料成形模，可作為17-4PH鋼的代用材料。聚三氟氯乙烯閥門蓋模具，原用45鋼或鍍鉻處理模具，使用壽命10004000件；用PCR鋼，當(dāng)使用6000件時仍與新模具一樣，未發(fā)現(xiàn)任何銹蝕或磨損，模具壽命達(dá)1000012000件。 四氟塑料微波板，原用45鋼或表面鍍鉻模具，使用壽命僅23次；改用PCR鋼后，模具使用300次，未發(fā)現(xiàn)任何銹蝕或磨損，表面光亮如鏡。六、其它塑料模具材料 （一）銅合金 用于塑料模材料的銅合金主要是鈹青銅，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用鑄造方法制模，不僅成本低，周期短，而且還可制出形狀復(fù)雜的模具。鈹青銅可通過固溶時效強(qiáng)化，固溶后合金處于軟化狀態(tài)，塑性較好，便于機(jī)械加工。經(jīng)時效處理后，合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)11001300MPa，硬度可達(dá)4042HRC。鈹青銅適用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度和高耐腐蝕性的塑料模。利用鈹青銅鑄造模具可以復(fù)制木紋和皮革紋，可以用樣品復(fù)制人像或玩具等不規(guī)則的成型面。（二）鋁合金鋁合金的密度小，熔點低，加工性能和導(dǎo)熱性都優(yōu)于鋼，其中鑄造鋁硅合金還具有優(yōu)良的鑄造性能，因此在有些場合可選用鑄造鋁合金來制造塑料模具，以縮短制模周期，降低制模成本。常用的鑄造鋁合金牌號有ZL101等，它適于制造要求高導(dǎo)熱率，形狀復(fù)雜和制造周期短的塑料模具。形變鋁合金Lcq也是用于塑料模制造的鋁合金之一，由于它的強(qiáng)度比ZL101高，可制作要求強(qiáng)度較高且有良好導(dǎo)熱性的塑料模。（三）鋅合金用于制作塑料模具的鋅合金大多為Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分見表3-26 表3-26 Zn-4Al-3Cu的化學(xué)成分 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）AlCuMgZn3.94.52.83.50.030.06約92還含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等雜質(zhì)。用此合金通過鑄造方法易于制出光潔而復(fù)雜的模具型腔，并可降低制模費用和縮短制模周期，鋅合金的不足之處是高溫強(qiáng)度較差，且合金易于老化，因此鋅合金塑料模長期使用后易出現(xiàn)變形甚至開裂，這類鋅合金適合制造注射模和吹塑模等。用于塑料模具的鋅合金還有鈹鋅合金和鎳鈦鋅合金。鈹鋅合金有較高的硬度（150HBS），耐熱性好，所制作的注射模的使用壽命可達(dá)幾萬至幾十萬件。鎳鈦鋅合金由于鎳和鈦的加入可使強(qiáng)度、硬度提高，從而使模具壽命成倍增長。第三節(jié) 塑料模具零件的熱處理工藝選用不同品種鋼材作塑料模具，其化學(xué)成分和力學(xué)性能各不相同，因此制造工藝路線不同；同樣，不同類型塑料模具鋼采用的熱處理工藝也是不同的。本節(jié)主要介紹塑料模具的制造工藝路線和熱處理工藝的特點。一、塑料模具的制造工藝路線1.低碳鋼及低碳合金鋼制模具例如，20，20Cr，20CrMnTi等鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯退火機(jī)械粗加工冷擠壓成形再結(jié)晶退火機(jī)械精加工滲碳淬火、回火研磨拋光裝配。2.高合金滲碳鋼制模具例如12CrNi3A，12CrNi4A鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯正火并高溫回火機(jī)械粗加工高溫回火精加工滲碳淬火、回火研磨拋光裝配。3.調(diào)質(zhì)鋼制模具例如，45，40Cr等鋼的工藝路線為：下料鍛造模坯退火機(jī)械粗加工調(diào)質(zhì)機(jī)械精加工修整、拋光裝配。4.碳素工具鋼及合金工具鋼制模具例如T7AT10A，CrWMn，9SiCr等鋼的工藝路線為：下料鍛成模坯球化退火機(jī)械粗加工去應(yīng)力退火機(jī)械半精加工機(jī)械精加工淬火、回火研磨拋光裝配。5.預(yù)硬鋼制模具例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等鋼。對于直接使用棒料加工的，因供貨狀態(tài)已進(jìn)行了預(yù)硬化處理，可直接加工成形后拋光、裝配。對于要改鍛成坯料后再加工成形的，其工藝路線為：下料改鍛球化退火刨或銑六面預(yù)硬處理（3442HRC）機(jī)械粗加工去應(yīng)力退火機(jī)械精加工拋光裝配。二、塑料模具的熱處理特點（一）滲碳鋼塑料模的熱處理特點 1.對于有高硬度、高耐磨性和高韌性要求的塑料模具，要選用滲碳鋼來制造，并把滲碳、淬火和低溫回火作為最終熱處理。2.對滲碳層的要求，一般滲碳層的厚度為0.81.5mm，當(dāng)壓制含硬質(zhì)填料的塑料時模具滲碳層厚度要求為1.31.5mm，壓制軟性塑料時滲碳層厚度為0.81.2mm。滲碳層的含碳量為0.7%1.0%為佳。若采用碳、氮共滲，則耐磨性、耐腐蝕性、抗氧化、防粘性就更好。 3.滲碳溫度一般在900920，復(fù)雜型腔的小型模具可取840860中溫碳氮共滲。滲碳保溫時間為510h，具體應(yīng)根據(jù)對滲層厚度的要求來選擇。滲碳工藝以采用分級滲碳工藝為宜，即高溫階段（900920）以快速將碳滲入零件表層為主；中溫階段（820840）以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內(nèi)建立均勻合理的碳濃度梯度分布，便于直接淬火。4.滲碳后的淬火工藝按鋼種不同，滲碳后可分別采用：重新加熱淬火；分級滲碳后直接淬火（如合金滲碳鋼）；中溫碳氮共滲后直接淬火（如用工業(yè)純鐵或低碳鋼冷擠壓成形的小型精密模具）；滲碳后空冷淬火（如高合金滲碳鋼制造的大、中型模具）。（二）淬硬鋼塑料模的熱處理1.形狀比較復(fù)雜的模具，在粗加工以后即進(jìn)行熱處理，然后進(jìn)行精加工，才能保證熱處理時變形最小，對于精密模具，變形應(yīng)小于0.05%。2.塑料模型腔表面要求十分嚴(yán)格，因此在淬火加熱過程中要確保型腔表面不氧化、不脫碳、不侵蝕、不過熱等。應(yīng)在保護(hù)氣氛爐中或在嚴(yán)格脫氧后的鹽浴爐中加熱，若采用普通箱式電阻爐加熱，應(yīng)在模腔面上涂保護(hù)劑，同時要控制加熱速度，冷卻時應(yīng)選擇比較緩和的冷卻介質(zhì)，控制冷卻速度，以避免在淬火過程中產(chǎn)生變形、開裂而報廢。一般以熱浴淬火為佳，也可采用預(yù)冷淬火的方式。3.淬火后應(yīng)及時回火，回火溫度要高于模具的工作溫度，回火時間應(yīng)充分，長短視模具材料和斷面尺寸而定，但至少要在4060min以上。（三）預(yù)硬鋼塑料模的熱處理1.預(yù)硬鋼是以預(yù)硬態(tài)供貨的，一般不需熱處理，但有時需進(jìn)行改鍛，改鍛后的模坯必須進(jìn)行熱處理。2.預(yù)硬鋼的預(yù)先熱處理通常采用球化退火，目的是消除鍛造應(yīng)力，獲得均勻的球狀珠光體組織，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷擠壓成形性能。3.預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝簡單，多數(shù)采用調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)后獲得回火索氏體組織。高溫回火的溫度范圍很寬能夠滿足模具的各種工作硬度要求。由于這類鋼淬透性良好，淬火時可采用油冷、空冷或硝鹽分級淬火。表3-27為部分預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝，供參考。表3-27 部分預(yù)硬鋼的預(yù)硬處理工藝鋼 號加熱溫度/冷卻方式回火溫度/預(yù)硬硬度HRC3Cr2Mo830840油冷或160180硝鹽分級58065028365NiSCa880930油冷55068030458Cr2MnWMoVS860900油或空冷5506204248P4410830860油冷或硝鹽分級5506503541SM1830850油冷6206603642（四）時效硬化鋼塑料模的熱處理1.時效硬化鋼的熱處理工藝分兩步基本工序。首先進(jìn)行固溶處理，即把鋼加熱到高溫，使各種合金元素溶入奧氏體中，完成奧氏體后淬火獲得馬氏體組織。第二步進(jìn)行時效處理，利用時效強(qiáng)化達(dá)到最后要求的力學(xué)性能。2.固溶處理加熱一般在鹽浴爐、箱式爐中進(jìn)行，加熱時間分別可?。?min/mm、22.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的鋼種也可空冷。如果鍛造模坯時能準(zhǔn)確控制終鍛溫度，鍛造后可直接進(jìn)行固溶淬火。3.時效處理最好在真空爐中進(jìn)行，若在箱式爐中進(jìn)行，為防模腔表面氧化，爐內(nèi)須通入保護(hù)氣氛，或者用氧化鋁粉、石墨粉、鑄鐵屑，在裝箱保護(hù)條件下進(jìn)行時效。裝箱保護(hù)加熱要適當(dāng)延長保溫時間，否則難以達(dá)到時效效果。部分時效硬化型塑料模具鋼的熱處理規(guī)范可參照表3-28。 表3-28 部分時效硬化鋼的熱處理規(guī)范鋼 號固溶處理工藝時效處理工藝時效硬度HRC06Ni6CrMoVTiAl800850油冷510530（68）h4348PMS800850空冷510530（35）h414325CrNi3MoAl880水淬或空冷520540（68）h3942SM29002h油冷+7002h51010h3940PCR1050固溶空冷4604804h4244三、塑料模的表面處理為了提高塑料模表面耐磨性和耐蝕性，常對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚怼?.塑料模鍍鉻是一種應(yīng)用最多的表面處理方法，鍍鉻層在大氣中具有強(qiáng)烈的鈍化能力，能長久保持金屬光澤，在多種酸性介質(zhì)中均不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。鍍層硬度達(dá)1000HV，因而具有優(yōu)良的耐磨性。鍍鉻層還具有較高的耐熱性，在空氣中加熱到500時其外觀和硬度仍無明顯變化。2.滲氮具有處理溫度低（一般為550570），模具變形甚微和滲層硬度高（可達(dá)10001200HV）等優(yōu)點，因而也非常適合塑料模的表面處理。含有鉻、鉬、鋁、釩和鈦等合金元素的鋼種比碳鋼有更好的滲氮性能，用作塑料模時進(jìn)行滲氮處理可大大提高耐磨性。適于塑料模的表面處理方法還有：氮碳共滲、化學(xué)鍍鎳、離子鍍氮化鈦、碳化鈦或碳氮化鈦，PVD、CVD法沉積硬質(zhì)膜或超硬膜等。