橡塑模具如何選擇模具鋼（上）
時(shí)間:2025-03-08 14:45來(lái)源:德松官網(wǎng) 作者:德松模具鋼
橡塑模具的使用條件不同，對(duì)橡塑模具材料的使用性能要求也各不相同。橡塑模具要求模具材料具有一定的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐熱性能等，同時(shí)也要有更好的可加工性、拋光性能等
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隨著塑膠制品在各行各業(yè)以及我們的日常生活中扮演著越來(lái)越重要的角色，對(duì)于塑膠模具的需求也隨之增加。在制造塑膠產(chǎn)品的過(guò)程中，模具的質(zhì)量直接關(guān)系到產(chǎn)品品質(zhì)。如今的塑料模具正朝著高精密、大尺寸、多腔體的設(shè)計(jì)趨勢(shì)發(fā)展，這對(duì)模具鋼材提出了更高的要求。根據(jù)不同的塑料種類(lèi)、產(chǎn)品用途、生產(chǎn)數(shù)量、尺寸精準(zhǔn)度以及表面質(zhì)感等因素，選擇合適的模具鋼材變得非常重要。
A】橡塑模具材料的性能
由于橡塑模具的使用條件不同，對(duì)橡塑模具材料的使用性能要求也各不相同?？偟膩?lái)說(shuō)，要求模具材料應(yīng)具有一定的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和耐熱性能等，同時(shí)也要求模具材料應(yīng)具備良好的工藝性能，其中包括可加工性、拋光性能、焊接性能、表面飾紋加工性能、尺寸穩(wěn)定性和熱處理變形小等。這些要求對(duì)于制造大型、復(fù)雜、高精度的塑料成型模具更為重要。
B】滲碳型橡塑模具鋼
滲碳型橡塑模具鋼的塑性好，主要用于冷擠壓成形的橡塑模具，無(wú)需進(jìn)行切削加工，對(duì)于大批量生產(chǎn)同一形狀的模具是很有利的，它可縮短模具的制造周期、降低成本，而且模具的互換性好。為了便于冷擠壓成形，這類(lèi)鋼在退火狀態(tài)必須有高的塑性和小的變形抗力，冷加工硬化效應(yīng)不明顯。
成形復(fù)雜模腔時(shí)，要求退火硬度≤100HBW；成形淺模腔時(shí)，要求退火硬度≤160HBW。因此，對(duì)這類(lèi)鋼要求有低的碳含量，一般Wc=0.10%~0.25%；鋼中的合金元素使鐵素體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，這是我們不希望的，因而需要加以選擇和限制，鉻、鎳是比較理想的元素。常用滲碳型橡塑模具鋼有20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20CrNi4、LJ鋼等。
★ 12CrNi3模具鋼
12CrNi3鋼是傳統(tǒng)的中淬透性合金滲碳鋼，冷成形性能屬中等。該鋼碳含量較低，加入合金元素鎳、鉻，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(shí)，明顯提高鋼的塑性。該鋼的鍛造性能良好，鍛造加熱溫度為1200°C，始鍛溫度1150°C，終鍛溫度大于850°C，鍛后緩冷。
為了提高鋼的冷成形性，鍛后必須進(jìn)行軟化退火，退火工藝為加熱到740~760°C，保溫4~6小時(shí)后以5~10°C/小時(shí)的速度緩冷至600°C，再爐冷至室溫，退火后的硬度<160HBW，適于冷擠壓成形。
12CrNi3鋼也可用來(lái)制造切削加工成形的橡塑模具，為了改善切削性能，模坯須經(jīng)正火處理，正火工藝為加熱到880~900°C，保溫3~4小時(shí)后空冷，正火硬度≤229HBW，切削性能良好。
12CrNi3鋼采用氣體滲碳工藝時(shí)，加熱溫度為900~920°C，保溫6~7小時(shí)，可獲得0.9~ 1.0mm的滲碳層，滲碳后預(yù)冷至800~850°C直接油冷或空冷淬火，淬火后表層硬度可達(dá)56~62HRC，心部硬度為250~380HBW。12CrNi3鋼主要用于冷擠壓成形復(fù)雜的淺型腔塑料模具，或用于切削加工成形大、中型塑料模具。
★ 20Cr2Ni4模具鋼
20CrNi4鋼為高強(qiáng)度合金滲碳鋼，有良好的綜合力學(xué)性能，其淬透性、強(qiáng)韌性均超過(guò)12CrNi3鋼。該鋼可鍛性能良好，鍛造加熱溫度為1200°C，始鍛溫度1150°C，終鍛溫度大于850°C，鍛后緩冷。
20Cr2Ni4鋼如在鍛后出現(xiàn)晶粒粗大時(shí)，即使經(jīng)正火及隨后滲碳加熱，在淬火后仍將得到粗大的馬氏體組織。而且，當(dāng)表面碳含量較高時(shí)，還易于在粗大奧氏體晶粒的晶界上形成碳化物網(wǎng)。對(duì)于此類(lèi)鋼，如鍛后發(fā)現(xiàn)晶粒粗大，可以用下列熱處理工藝加以改善。
即先在640~670°C回火6小時(shí)后空冷，以消除鍛造后的殘余應(yīng)力。然后以大于20°C/min的速度加熱到880~940°C，空冷，再在650~770°C回火，以獲得均勻細(xì)小的珠光體和少量鐵素體組織。
★ LJ鋼（0Cr4NiMoV）
LJ鋼為冷擠壓成形橡塑模具專(zhuān)用鋼。LJ鋼的碳含量極低，塑性?xún)?yōu)異，變形抗力低，其冷擠壓成形性能與工業(yè)純鐵相近，冷擠壓成形的模具模腔輪廓清晰、光潔、精度高。鋼中的主加元素為Cr，輔加元素為Ni、Mo、V等，合金元素的主要作用是提高鋼的淬透性，提高滲碳層的硬度、耐磨性和心部強(qiáng)度。
LJ鋼具有良好的鍛造性能和熱處理工藝性能。鍛造加熱溫度為1230°C，始鍛溫度為1200°C，始鍛溫度為900°C。退火加熱溫度為880°C，保溫2小時(shí)，隨爐緩冷至650°C出爐空冷，退火硬度為100~105HBW。
LJ鋼的滲碳速度快，滲碳速度比20鋼快一倍，固體滲碳加熱溫度為930°C，保溫6~8小時(shí)，滲后在850~870°C油中淬火，在200~220°C回火2小時(shí)，回火后表面硬度為58~60HRC，心部硬度為27~29HRC，熱處理變形小。LJ鋼主要用來(lái)冷擠壓成形精密塑料模具，由于滲碳層深度較大，不會(huì)出現(xiàn)模腔表面塌陷和內(nèi)壁咬傷的現(xiàn)象，使用效果良好。
C】預(yù)硬型橡塑模具鋼
預(yù)硬型橡塑模具鋼是指將熱加工的模塊，預(yù)先調(diào)質(zhì)處理到一定硬度（一般分為10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四個(gè)等級(jí)）供貨的鋼材，待模具成形后，不需再進(jìn)行最終熱處理就可直接使用。從而避免由于熱處理而引起的模具變形和開(kāi)裂，這種鋼稱(chēng)預(yù)硬化鋼。預(yù)硬化鋼最適宜制作形狀復(fù)雜的大、中型精密塑料模具。
常用的預(yù)硬型橡塑模具鋼有P20模具鋼、3Cr2NiMo模具鋼、P20BSCa模具鋼、P20SRe模具鋼、P20S模具鋼、5NiSCa模具鋼、SM1模具鋼、8Cr2MnWMoVS模具鋼、H13模具鋼等。
預(yù)硬化鋼的使用硬度一般在30~42HRC范圍內(nèi)，可加工性較差。為了減少機(jī)加工工時(shí)、延長(zhǎng)刀具使用壽命、降低模具成本，中國(guó)或國(guó)外都研制了一些易切削預(yù)硬化鋼，即加入硫S、鉛Pb、硒Se、鈣Ca等合金元素，以改善鋼的可加工性。下面介紹幾種典型的預(yù)硬化橡塑模具鋼。
★ P20系列模具鋼（3Cr2Mo）
3Cr2Mo鋼與美國(guó)通用型塑料模具鋼P(yáng)20是同類(lèi)型鋼，具有高的純潔度，鏡面拋光性好，力學(xué)性能均勻。該鋼含有合金元素鉻、鉬，故淬透性較好，通常采用調(diào)質(zhì)預(yù)硬處理，預(yù)硬硬度一般為30~36HRC。將3Cr2Mo鋼調(diào)質(zhì)到30HRC以上的硬度，進(jìn)行機(jī)械加工，然后進(jìn)行拋磨，表面粗糙度可達(dá)到R=0.05~0.10um的鏡面要求，P20模具鋼價(jià)廉物美，主要用于制造中、小型橡塑模具，如黑白電視機(jī)、大型收錄機(jī)的外殼和洗衣機(jī)面板蓋等塑料成型模具。該鋼在成形加工后，還可進(jìn)行鍍鉻、滲碳、滲氮、氣相沉積等表面處理，以提高模具型腔表面的耐磨性。近年來(lái)，中國(guó)的材料商在3Cr2Mo鋼的基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)了一系列模具材料，如3Cr2NiMo鋼（P4410）、P20BSCa鋼、P20SRe鋼、3Cr2MnMo鋼（GZ943）、3Cr2NiMnMo鋼（GZ942）、3Cr2NiMnMoV（GZ941）、P20S鋼、P20Ca鋼等，初步形成了P20系列模具鋼（3Cr2Mo）。
★ P4410模具鋼（3Cr2NiMo）
3Cr2NiMo鋼是3Cr2Mo鋼的改進(jìn)型，是在3Cr2Mo鋼的基礎(chǔ)上添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8% 1.2%的鎳而制成的鋼種，以提高鋼的淬透性、強(qiáng)韌性和耐蝕性。中國(guó)研制的P4410鋼的成分，與瑞典生產(chǎn)的P20鋼改進(jìn)型鋼號(hào)718一致。截面厚度為250mm的鋼坯經(jīng)860°C加熱淬火后，整個(gè)截面的硬度均勻，均為45HRC。
P4410鋼有較高的純潔度，組織致密，鏡面拋光性能好，表面粗糙度可達(dá)Ra0.01~0.05 um。經(jīng)預(yù)硬化到32~36HRC后，具有良好的車(chē)、銑、磨等可加工性。P4410鋼可采用火焰局部加熱到800~825°C，在空氣中自然冷卻或壓縮空氣冷卻，使局部表面的硬度達(dá)到56~62HRC，以延長(zhǎng)模具的使用壽命。也可對(duì)模具進(jìn)行表面鍍鉻，表面硬度從370~420HV提高到1000HV，顯著提高模具的耐磨性和耐蝕性。該鋼的焊接工藝性良好，可進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)。該鋼主要用于預(yù)硬截面厚度要求大于250mm的橡塑成型模具。
★ SM1模具鋼（Y55CrNiMnMoV）
Y55CrNiMnMoV鋼屬含硫系易切削預(yù)硬塑料模具鋼，經(jīng)預(yù)硬處理后，硬度一般為35~40HRC。在此硬度下，SM1鋼具有高的強(qiáng)韌性、優(yōu)良的切削性能和鏡面拋光性能，模具加工成形后可不再熱處理而直接使用。此鋼還具有較好的耐蝕性和可滲氮等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于制造高精度橡塑成型模具，如錄音機(jī)外殼模、洗衣機(jī)外殼模、繼電器組合件射出模等。SM1鋼的碳、鉻含量較低，具有比較好的鍛造性能，鍛造加熱溫度為1150°C，始鍛溫度為1050°C，終鍛溫度≥850°C，鍛后需進(jìn)行球化退火，等溫球化退火工藝為緩慢升溫到810°C左右，保溫2~4小時(shí)，冷卻到680°C等溫4~6小時(shí)，爐冷到550°C出爐，退火硬度為200HBW。SM1鋼的淬火加熱溫度為800~860°C，淬火硬度為58HRC，回火溫度為620°C，回火硬度為35~40HRC。
★ 5NiSCa模具鋼（5CrNiMnMoVSCa）
5NiSCa鋼是中國(guó)研制的高效新鋼種，屬于硫、鈣復(fù)合系易切削預(yù)硬化橡塑模具鋼。該鋼不僅具有良好的切削性能，而且鏡面拋光性也好，蝕刻花紋圖案清晰逼真，并在使用中有較強(qiáng)的保持模具鏡面的能力。5NiSCa鋼經(jīng)880°C加熱油淬、600°C回火的預(yù)硬處理后，硬度為36~48HRC，具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能、耐磨性能、等向性能、切削性能和鏡面拋光性能，表面粗糙度可達(dá)Ra，0. 05~0.025 um，拋光后的模具，置于大氣中容易銹蝕氧化，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行鍍鉻或滲氮處理，既能保護(hù)模腔表面，又能提高表面硬度和耐磨性。5NiSCa鋼在高硬度（50HRC以上）仍具有高的韌性及止裂能力，且變形小。
5NiSCa鋼的鍛造預(yù)熱溫度為800°C，鍛造加熱溫度為1100°C，始鍛溫度為1070~1100°C，始鍛溫度為850°C，鍛后砂冷。此鋼鍛造變形抗力小，塑性良好，容易鍛造。
5NiSCa鋼可用于制作型腔復(fù)雜、精密的大、中、小型射出模具、橡皮模具，例如收錄機(jī)、洗衣機(jī)等塑料模具，模具使用壽命超過(guò)P20鋼，接近進(jìn)口模具的先進(jìn)水準(zhǔn)。這材料在還沒(méi)開(kāi)發(fā)出來(lái)前，過(guò)去依靠進(jìn)口NAK55及S136鏡面鋼?，F(xiàn)將5NiCa鋼預(yù)硬處理到40~42HRC后制造模具，使用效果良好，模具質(zhì)量和使用壽命超過(guò)了進(jìn)口鋼材，從而解決了中國(guó)內(nèi)對(duì)易切削高精度預(yù)硬模具鋼的要求。
★ 8Cr2S模具鋼（8Cr2MnWMoVS）
8Cr2S鋼是中國(guó)研制的硫系易切削預(yù)硬化高碳鋼，該鋼不僅用來(lái)制作精密零件的冷沖壓模具，而且經(jīng)預(yù)硬化后還可以用來(lái)制作塑料成型模具。此鋼具有高的強(qiáng)韌性、良好的切削性能和鏡面拋光性能，具有良好的表面處理性能，可進(jìn)行滲N、滲B、鍍Cr、鍍Ni等表面處理。
8Cr2S鋼的可鍛性，鍛造加熱溫度為1100~1150°C，始鍛溫度為1060°C，終鍛溫度≤900°C，鍛造后，MnS（硫化錳）沿鍛軋方向延伸成條狀。等溫球化退火工藝為790~810°C加熱2小時(shí)，然后冷到700°C再保溫6~8小時(shí)，爐冷到550°C出爐，退火硬度≤229HBW，退火組織為細(xì)粒狀珠光體。
8Cr2S鋼的淬火加熱溫度為860~920°C，油冷淬火、空冷淬火或在240~280°C硝鹽中等溫淬火都可以，100mm的鋼材空冷淬火可以淬透，淬火硬度為62~64HRC。回火溫度可在550~620°C溫度范圍內(nèi)選擇，回火硬度為40~48HRC。因加有S，預(yù)硬硬度為40~48HRC的8Cr2S鋼坯，其切削性能與調(diào)質(zhì)到30HRC的碳素鋼相近。
★ 空冷12鋼和Y82鋼
空冷12鋼屬M(fèi)n-B系中高碳空冷貝氏體鋼。具有良好的淬透性，在熱鍛或熱軋后（終鍛軋900°C）空冷自硬化，再經(jīng)低溫回火，獲得高強(qiáng)度、≥50HRC高硬度的細(xì)化B/M復(fù)相組織，變形極小，并能保持高的拋光性。生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能、成本低（因省去了淬火重新加熱程序）、模具使用壽命長(zhǎng)。
Y82鋼屬M(fèi)n-B-S-Ca系中碳低合金易切削空冷預(yù)硬型貝氏體鋼。采用少量Mn、B合金化，空冷即可獲得B/M（貝氏體/馬氏體）復(fù)相組織，具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性和淬透性。Y82鋼加入適量的易切削元素S和Ca，改善了夾雜物的形態(tài)，提高了Y82鋼的可加工性和拋光性能，Y82鋼可以在預(yù)硬轉(zhuǎn)狀態(tài)下加工成形，并可拋光至鏡面。其特性與上述的空冷12鋼相似。它在熱成形后空冷，再經(jīng)中溫回火，獲得硬度約40HRC及良好的強(qiáng)韌性配合?？捎糜陔娨暀C(jī)殼等模具。
D】整體淬硬型橡塑模具鋼
用于壓制熱固性塑料、復(fù)合強(qiáng)化塑料（如尼龍型強(qiáng)化或玻璃纖維強(qiáng)化塑料）產(chǎn)品的模具，以及生產(chǎn)批量很大、要求模具使用壽命很長(zhǎng)的塑料模具，一般選用高淬透性的冷作模具鋼和熱作模具鋼材制造。這些材料通過(guò)最終熱處理，可保證模具在使用狀態(tài)具有高硬度、高耐磨性和長(zhǎng)的使用壽命。用于制造塑料模具的冷作模具鋼主要有T10A模具鋼、9Mn2V模具鋼、9SiCr模具鋼、CrWMn鋼、9CrWMn模具鋼、Cr12鋼、Cr12MoV模具鋼、DC53模具鋼、7CrSiMnMoV模具鋼、GCr15鋼等。
與冷作模具鋼比較，熱作模具鋼的韌度好，淬透性高，回火穩(wěn)定性高，因此可以進(jìn)行滲氮，從而大大地提高了模具表面的耐磨性，更適合制造要求高溫固化的塑料成型模具。常用于制造塑料模具的熱作模具鋼有5CrNiMo鋼、5CrMnMo鋼、4Cr5MoSiV鋼、4Cr5MoSiV1鋼、5CrW2Si鋼等。
這類(lèi)材料由于淬透性高，如4Cr5MoSiV鋼、4Cr5MoSiV1鋼、4Cr5MoSiVS鋼（H11+S），當(dāng)鋼材截面尺寸小于150mm時(shí)，用空冷淬火就可以獲得較高的硬度，從而有效地減少模具的熱處理變形量，適宜制造復(fù)雜、精密的塑料成型模具。熱作模具鋼的最終熱處理一般采用淬火加高溫回火，使基體獲得回火屈氏體或回火索氏體組織，以保證鋼材具有較高的韌度。
橡塑模具如何選擇模具鋼（下）??
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