[科普中國]-塑料模具鋼

塑料模具鋼是一種用于塑料制作的模具鋼。塑料模具材料主要以模具鋼為主，模具鋼的發(fā)展推動了工業(yè)產(chǎn)品向高級化、多樣化、個性化、高附加值的方向發(fā)展。世界各國都把模具鋼產(chǎn)量統(tǒng)計到合金工具鋼中，其產(chǎn)量約占合金工具鋼的70% ～80% 。

簡介隨著近半個世紀以來石油化工工藝的迅猛發(fā)展，塑料產(chǎn)量迅速增加。塑料已經(jīng)和鋼鐵、木材、水泥一起構(gòu)成現(xiàn)代社會的四大基礎(chǔ)材料。大量塑料制品在生產(chǎn)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(yè)的發(fā)展。模具材料是影響模具質(zhì)量、性能和使用壽命的關(guān)鍵因素，也是模具工業(yè)發(fā)展中十分重要的一環(huán)。塑料模具材料仍以模具鋼為主，模具鋼的發(fā)展推動了工業(yè)產(chǎn)品向高級化、多樣化、個性化、高附加值的方向發(fā)展。世界各國都把模具鋼產(chǎn)量統(tǒng)計到合金工具鋼中，其產(chǎn)量約占合金工具鋼的70% ～80% 。各工業(yè)發(fā)達國家合金鋼產(chǎn)量約占國產(chǎn)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(yīng)的國家標準GB/T1299-2000E2J1。

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(yù)硬型埋料模具鋼(含易切削鋼)、調(diào)質(zhì)型塑料模具鋼和淬硬型塑料模具鋼六個大類。應(yīng)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(yù)硬型塑料模具鋼2。

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(guī)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(zhì)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(yù)硬化形式供應(yīng)市場已較普遍。

4.以石化產(chǎn)品為原料的塑料制品，某些度不同的腐蝕性，所以耐蝕鋼應(yīng)用也較多。

5.配合預(yù)硬化鋼、非調(diào)質(zhì)剛的應(yīng)用，易切削性也是塑料模具鋼的特點1。

合理選擇隨著塑料制品在工業(yè)及日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，塑料模具工業(yè)對模具鋼的需求也越來越大。在塑料成型加工中，模具的質(zhì)量對產(chǎn)品質(zhì)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(fā)展，對塑料模具鋼的性能的要求越來越高，塑模鋼的性能應(yīng)根據(jù)塑料種類、制品用途、生產(chǎn)批量、尺寸精度和表面質(zhì)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(jié)構(gòu)件，包括：澆注系統(tǒng)、導(dǎo)向件、頂模板、頂出機構(gòu)、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(jié)構(gòu)設(shè)計，材料一般選用中低碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金鋼和碳工鋼。而成型件由于結(jié)構(gòu)復(fù)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(yè)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(fā)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，對模具型腔表面產(chǎn)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

模具局部產(chǎn)生塑性變形，導(dǎo)致表面發(fā)生凹陷、皺紋、麻點和棱角堆塌等損壞。

（3）斷裂

由模具局部應(yīng)力集中導(dǎo)致的斷裂現(xiàn)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(jù)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(yīng)當有足夠的硬度，以保證模具的耐磨性，保證模具的壽命。通常需要選擇合適的材料和恰當?shù)臒崽幚矸椒▉頋M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復(fù)雜，塑料模具在淬硬后很難加工，有時甚至無法加工。為了提高硬度，必須進行熱處理。要采取適當?shù)拇胧﹣頊p低熱處理變形的影響，對于必須在熱處理后進行加工的模具，應(yīng)選用熱處理變形小的材料。

（3）優(yōu)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(zhì)量，要求模具材料具有良好的切削加工性，對于預(yù)硬性材料，要求淬火后也有好的加工性。

（4）良好的拋光性能和刻蝕性

為獲得高品質(zhì)的塑料制品，模具內(nèi)型腔的表面必須進行拋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拋光性，花紋圖案刻蝕性，模具鋼應(yīng)當是材料的純潔度高，組織細微、均勻、致密，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(yīng)選用具有一定抗腐蝕能力的鋼材。

常用模具鋼的類別及特性1.滲碳鋼

滲碳鋼由于退火后的硬度低、塑性好，可以采用冷擠壓法成型，從而提高工效,減低成本。擠壓復(fù)雜型腔時，退火后的硬度小于100HBS；擠淺型腔時，小于160HBS，擠壓成型后，經(jīng)滲碳、淬火和回火處理，表面硬度為53～62 HRC。達到表面耐磨性高，心部韌性好的要求。08Cr4NiMoV（LJ）是國內(nèi)開發(fā)的冷擠壓成型專用鋼，具有成型性能優(yōu)良、滲碳層深、熱處理變形小、耐磨性好等優(yōu)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(diào)質(zhì)型模具鋼

工藝要求是在完成模具機械加工后，再進行調(diào)質(zhì)處理，使模具達到較好的綜合機械性能。一類是45、55等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，適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），此鋼材的純凈度好,力學性能穩(wěn)定。另一類是合金鋼，可以在調(diào)質(zhì)后進行碳氮共滲，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，適于制作中型模具。42CrMo屬于高強度鋼，且有較高的疲勞極限，低溫韌性好，適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(diào)質(zhì)后滲氮處理，表面硬度高（大于850HV）并具有一定的抗蝕性。適用于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(yù)硬性塑料模具專用鋼

可以直接使用已經(jīng)預(yù)硬處理的模塊、扁鋼進行加工,避免了加工后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(diào)質(zhì)型等幾類。

模具鋼的選用及熱處理塑料模具的制作成本中，加工和拋光占到了70%～80%，因此在選用模具材料時，應(yīng)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(jù)塑料制品的種類和質(zhì)量要求選用。

（2）根據(jù)塑料件的生產(chǎn)批量選用。在其它影響因素確定時,生產(chǎn)批量越小，對模具的耐磨性和使用壽命要求越低。因此，可選用性能指標低的材料。小批量時，可以選用調(diào)質(zhì)型合結(jié)鋼或碳結(jié)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(jù)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，當塑料件生產(chǎn)批量大時，采用預(yù)硬化鋼,以防止熱處理變形。

（4）根據(jù)塑料件的復(fù)雜程度選用。應(yīng)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2。

發(fā)展隨著中國模具工業(yè)的迅猛發(fā)展，為國產(chǎn)模具鋼提供了一個巨大的市場，帶動了國內(nèi)模具鋼的產(chǎn)量、品種、規(guī)格及品質(zhì)水準的提高。我國冶金行業(yè)研制開發(fā)和引進了大量模具行業(yè)所需的鋼種，但國產(chǎn)模具鋼無論在品種還是質(zhì)量上仍難以全部滿足國內(nèi)模具市場的需求。

以冷作模具鋼為例，我國只有Cr12、Cr12MoV、CrWMn鋼。我國的Cr12MoV鋼中，鉬和釩的含量較低，比D2鋼綜合性能差。CrWMn含碳量較高，且不含釩，容易產(chǎn)生嚴重的網(wǎng)狀碳化物，影響使用性能。如今國外根據(jù)冷沖壓件向高精度、標準化發(fā)展的趨勢，早已開發(fā)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(fā)。

國產(chǎn)熱作模具鋼同樣存在差距，我國通用型鋼種中只有2個鋼號。而國外除了通用型鋼種外，還新發(fā)展了YHD3、H26等品種。塑料模具鋼的差距則更大。就品種而言，國家標準僅1個鋼號，而美國有7個鋼號，且形成了較完整的用鋼系列。國內(nèi)模具鋼年消費量至少150萬噸，其中，市場是巨大的，但國內(nèi)模具鋼制造企業(yè)要想在其中占據(jù)更大的份額，就必須在科研開發(fā)、技術(shù)改造、市場開拓上下更大的功夫。

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀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(jīng)調(diào)質(zhì)后制造，因而模具硬度低、耐磨性差，表面粗糙度值高，加工出來的塑料產(chǎn)品外觀質(zhì)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，而且難以加工復(fù)雜的型腔，更無法解決熱處理變形問題。由此，國內(nèi)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，已納入國家標準的有兩種，即3Cr2Mo和3Cr2MnNiMo，納入行業(yè)標準的已有20多種，已在生產(chǎn)中推廣應(yīng)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1。

應(yīng)用1. 發(fā)展易加工、拋光性好的材料

隨著光盤、磁盤、棱鏡等精密件的生產(chǎn)，對易加工鏡面鋼的要求增加。這種鋼含非金屬雜質(zhì)少，金相組織細致均一，沒有纖維方向性。它是塑料模具鋼材的主要發(fā)展方向。

2. 耐蝕鋼

模具在長期運轉(zhuǎn)和保持過程中，容易生銹受蝕，而且隨著塑料成型中添加各種成分，模具更容易受蝕。因此要求提高母材機體的耐腐蝕性能，開發(fā)了一些耐蝕不銹鋼材。

3. 馬氏體時效合金鋼

這種鋼材具有足夠的力學性能和突出的工藝性能，特別是有較高的強度、韌度、耐磨性、低的熱膨脹系數(shù)，是制造注塑模的好鋼材，但是價格貴。

4. 硬質(zhì)合金

主要用于制作壽命要求很高，制件生產(chǎn)批量大的模具2。

總結(jié)（1）模具設(shè)計時材料的選用很關(guān)鍵。對于生產(chǎn)小批量制品的模具可以選用一般的材料，以降低模具成本；但對于強度差、容易損壞的模具，模具材料還是要選用較好的材料，雖然模具加工時成本增加了，但模具的壽命提高了，相對而言總的成本是降低的。

（2）塑料制品尺寸日趨多樣化、形狀復(fù)雜化和表面裝飾美觀化，致使塑料模具正朝著多樣化、復(fù)雜化、精密化和多腔化方向發(fā)展。新型塑料模具專用鋼具有良好的力學性能、機械加工性能及鏡面拋光性能等，在提高模具設(shè)計、加工水平的同時，應(yīng)注意加強采用新型塑料模具鋼。

（3）國內(nèi)研制的一些新型塑料模具材料的性能和壽命已達到或接近國外先進水平，極大地促進了我國模具鋼鋼種系列的完善，但這些新鋼的推廣數(shù)量和應(yīng)用范圍還不夠大，因此急需大力推廣高純凈度、高精度、高均勻性、質(zhì)量穩(wěn)定的新型塑料模具材料3。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學