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塑膠模具鋼的性能及用途
塑膠模具鋼的性能及用途
隨著石油化工工業(yè)的發(fā)展，塑料已成為重要的工業(yè)原材料，但是由于不同類型的塑料制品對模具鋼的性能要求有差異，因此在塑料模具領(lǐng)域中已形成了專用塑料模具用鋼系列，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼，滲碳型塑料模具鋼，預(yù)硬型塑料模具鋼……
工程塑料是以合成樹脂為主要成分的高分子工程材料。由于它具有質(zhì)輕、耐蝕、絕緣、減摩、美觀、自潤滑、成型工藝簡單、生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)，已廣泛用于機(jī)械的次要受力件和部分主要受力件。諸如鏡片、光盤、磁帶盒、儀表殼、燈罩、艙蓋、風(fēng)檔、液面劑等透明塑料；插頭插座、電訊器件、線圈架、接線板、集電環(huán)等絕緣件；貯槽、管道、泵閥、化工容器等耐蝕件；軸承軸瓦、蝸輪蝸桿、齒輪凸輪、活塞環(huán)、聯(lián)軸器等減摩件和傳動件以及手柄手輪、油管墊片、保溫管和包裝材料等通用件都能用工程塑料來制造。塑料制品已廣泛應(yīng)用于汽車、家電、化工、儀表、電訊、建材、**等行業(yè)，世界已進(jìn)入了以塑代鋼的新時代。
為了適應(yīng)和滿足上述產(chǎn)品的成型要求，根據(jù)不同模具類型和模具零件的性能需要，塑料模具用鋼應(yīng)具有如下特性：強(qiáng)度、硬度、耐磨、耐熱、耐蝕等使用性能；良好的拋光性、尺寸穩(wěn)定性、易于氮化和熱處理變形小等工藝性能；良好的導(dǎo)熱性和小的線漲系數(shù)等物理性能。
純凈和均勻是塑料模具鋼冶金質(zhì)量的兩大要素。純凈指鋼中的氫、氧、氮等有害氣體和有害元素磷、硫以及非金屬夾雜物應(yīng)達(dá)到一定的允許含量和級別。均勻指化學(xué)成分均勻，偏析小，**相粒子和夾雜物呈小、勻、圓彌散分布。純凈和均勻可以通過爐外精煉（LF等）、真空除氣（VD）、大氣自耗電極電渣重熔(ESR)、超凈提純（ESRR）、真空自耗電極重熔（VAR）等冶煉工藝，足夠鍛造比的鐓鍛與軋制，組織細(xì)化的預(yù)先熱處理來得到保障。模具制造廠應(yīng)根據(jù)零件的具體要求選擇不同質(zhì)量和價格檔次的模具用鋼。塑料模具用鋼低倍組織酸浸試片不得有目視可見的縮孔、夾雜、氣泡、發(fā)裂和分層。中心疏松和偏析達(dá)到相應(yīng)級別。
可以用內(nèi)柔外剛來形容對模具零件的使用要求。內(nèi)柔是指零件基體（心部）應(yīng)該具有一定的屈服強(qiáng)度，相應(yīng)的硬度和韌性指標(biāo)，防斷裂、耐沖擊、不產(chǎn)生塑料變形。外剛是指零件表面應(yīng)該有更高的硬度，耐磨損、抗咬合、防擦傷、拒腐蝕。為了提高表面硬度、常采用表面強(qiáng)化工藝，如滲碳、碳氮共滲、滲硼等化學(xué)熱處理；鍍層和物理涂層等。溫度超過850oC的中、高溫下進(jìn)行的化學(xué)熱處理，由于受淬火變形的困擾，上述工藝不常在塑料模具零件上采用。經(jīng)常采用的是在560oC左右進(jìn)行的滲氮化學(xué)熱處理。這是因?yàn)椋禾幚頊囟认鄳?yīng)較低，可以確保基體硬度不下降；滲層具有較高的硬度值；處理后零件變形小；滲層厚度和深度可以通過工藝參數(shù)的調(diào)整進(jìn)行控制；滲后不增加零件尺寸；與基體具有較強(qiáng)的結(jié)合力滲層不脫落；滲層具有低的脆性等級，可以反復(fù)多次補(bǔ)滲；可以通過退氮消除硬化層方便維修。
滲氮也稱為氮化，隨鋼中含碳量的增加，對氮化層硬度和滲層深度的增加是不利的。單就氮化的要求而言，鋼中含碳量應(yīng)以0.3%左右為宜，鋼中還應(yīng)有與氮親合力較強(qiáng)的鉻、鉬、鋁合金元素，其中鉻鉬總量以3%為佳。有些塑料模具專用鋼，如3Cr2Mo、10CrNi3MoAlcu等在進(jìn)行鋼種化學(xué)成分設(shè)計(jì)時，就考慮到了有利氮化的合金化特點(diǎn)。氮化在業(yè)內(nèi)有硬氮化和軟氮化兩種說法。無論哪種氮化方法，氮化層都可以由兩部分組成：一部分是*表面的化合物層（也稱白亮層），它應(yīng)是Fe2-3N的ε相，另一部分是次表層的擴(kuò)散層面（也稱過渡層）。是Fe4N的r’相與基體的混合組織。硬氮化指的是通氨氣體氮化和離子氮化。通氨氣體氮化時間較長、滲層較深（一般在0.30左右）；軟氮化是氮碳共滲，時間不長，滲層較淺（一般在0.10以內(nèi)）。它又有氣體軟氮化和液體軟氮化之別。
塑料模具用鋼的基體，按其使用硬度的高低可以分成如下幾個檔次：HB200左右的低硬度、HRC28-32的較低硬度、HRC38-42的中等硬度、HRC48-52較高硬度以及超過Hnc56的高硬度。下面就按此分類法歸納塑料模具用鋼。
1、低硬度滲碳鋼 塑膠模具鋼的性能及用途
10鋼、1010、1.0301、S10c；20號鋼、1020、1.1151、S2OC等上等碳素滲碳鋼。20Cr、5120、P2、1.7027、SCr420；12CrNi3、3310、1.5752、SNC815；20CrNiMo、8620、1.6523、SNCM220等合金滲碳鋼可用于制造塑料模具零件。它們除了相對便宜、規(guī)格齊全、便于加工、拋光性能好以外都可以通過冷擠加工成型。如帶有樅筋、特殊花紋瓶蓋、牙膏管、電插頭等模具型腔冷擠成型后經(jīng)滲碳淬火回火后使用，滲層深度為0.8-1.0mm，滲碳層硬度HRC56-60。因缺乏足夠的基體強(qiáng)度支撐，容易產(chǎn)生塌陷，只適用于載荷低、形狀簡單的小型模具，在傳統(tǒng)的書刊中常看到介紹這類滲碳型塑料模具用鋼。當(dāng)今，電火花加工（EDM）已普遍用于模具加工生產(chǎn)中，零件高硬度下也能順利加工且加工后無影響精度的變形同時也容易拋光，因而采用冷擠成型的工藝方法逐漸減少了。
2、較低硬度（HRC28-32）予硬鋼
這是一類較常用的塑料模具鋼，包括調(diào)質(zhì)與非調(diào)的碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼以及不銹鋼。
碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼
上等碳素結(jié)構(gòu)鋼45鋼以及S45C、S50C、S55C、S58C；合金結(jié)構(gòu)鋼40Cr、5140、1.7035、SCr440；42CrMo、4140、1.7225、SCM440；40CrNiMo、4340、1.6511、SNCM439；38CrMoAl、1.8505。這些鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理可達(dá)HRC28-32；非調(diào)質(zhì)的予硬鋼B20、B30、B40也有類似的出廠硬度。它們除了用做模板、模座、模架外，也可用于載荷不大、壽命要求不高的小型模具的型腔和型芯。碳素鋼可以進(jìn)行軟氮化，合金鋼可以進(jìn)**體氮化和離子氮化以提高零件表面硬度。若可以使淬火變形控制在允許范圍內(nèi)，如進(jìn)行堿浴分級淬火，這類鋼也可以采用滲碳、碳氮共滲淬火回火后使用，基體達(dá)到HRC45左右，表面硬度Hnc56以上。這也是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇方案。
合金工具鋼
3Cr2Mo和3Cr2NiMo是兩個具有代表性的塑料模具專用鋼，市場上可以購買到予硬至Hnc28-32的成品料，用戶也可以選用非予硬退火態(tài)調(diào)質(zhì)至上述硬度。P20、618、718、M202、M238、1.2738、HPM2、HPM7、KPM30、Px5等也與上述兩個國產(chǎn)鋼號具有類似的化學(xué)成分和使用硬度。這類鋼除了做高強(qiáng)度模板、模座外，也可用于大型模具的型腔、型芯和釷塊。它們有適應(yīng)氮化的含碳量和鉻、鉬合金含量，可獲得理想的氮化層硬度和滲層深度，實(shí)現(xiàn)零件內(nèi)柔外剛的使用要求。
予硬不銹鋼
有些塑料如PVC（聚氯乙烯）、PET(聚對苯二甲酸乙二醇脂)加熱后注射成型時，會產(chǎn)生腐蝕氣體；零件鍍鉻酸洗時酸蒸汽的侵入；水冷套中水及其添加劑的腐蝕作用以及過大的環(huán)境濕度都會對模具材料產(chǎn)生腐蝕作用。在這種場合下需要選用不銹鋼制造塑料模零件。
Cr13型馬氏體不銹鋼如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13以及3Cr17Mo等都可以調(diào)質(zhì)到Hnc28-32，或在市場上直接選購予硬品或自行進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，其中4Cr13和3Cr17Mo是兩個常用牌號，與上述鋼種類似的還有420、1.2083、GS083、SUS420J2、M310、HPM38、S-STAR；1.2316、GS316、M300、M34O、HPM77和168。
3、中等硬度（Hnc38-42）予硬鋼
要解決在HRC38-42硬度下順利完成車、銑、刨、鋸、鉆攻絲等難題，從改變鋼的性能角度有兩種方案：一種是向鋼中加入易切削的元素S、Ca、Sn、Cu等，使鋼的切削加工性能得到很大的改善；另一種是通過時效實(shí)現(xiàn)析出硬化。5CrNiMnMoVSCa和8Cr2MnWMoVS是國內(nèi)研制的中碳與高碳型易切削模具鋼。FDAC、QD6F、DH2F也是加了易切削元素的塑料模具鋼。它們在HRC38-42硬度下能順利切削加工，也能通過氮化處理強(qiáng)化表面。時效硬化模具鋼本應(yīng)先通過固溶處理來降低材料硬度，完成粗精加工成型后再進(jìn)行500oC左右的保溫時效處理。由于實(shí)效時從鋼中析出鎳、鋁等金屬鍵化合物，使材料的硬度上升到HRc38-42。這就是所謂的時效硬化或析出硬化。若再向這類時效鋼中加入銅之類的易切削元素，便成了易切削時效硬化型塑料模具鋼且以HRc38-42的予硬態(tài)供應(yīng)市場。也都有良好的氮化性能。10CrNi3MoALCu、NAK55、NAK80、M261、P21、HPM1、HPM50、PCM40、CENA1屬于這類鋼種類。G-STAR、E-STAR、PLS則是予硬至HRc38-42的不銹鋼類予硬態(tài)塑料模具鋼。
4、較高硬度（HRc48-52）整體淬硬型塑料模具鋼 塑膠模具鋼的性能及用途
整體淬硬達(dá)到HRc48-52硬度的塑料模零件常選用兩類鋼：一類是非耐蝕適合氮化處理的熱作模具鋼4Cr5MoSiV1（H13、1.2344、W302、DHA1、KDA1S、QD61、SKD61、DAC）。另一類是4Cr13、3Cr17Mo等馬氏體不銹鋼，相應(yīng)鋼中在前節(jié)中已經(jīng)列出。它們都可以通過淬火回火處理達(dá)到Hnc48-52的硬度值。這兩類鋼可采用真空高壓氣冷淬火，淬火后充分回火使組織轉(zhuǎn)變充分，應(yīng)力消除徹底。4Cr5MoSiV1類應(yīng)采用600oC左右的三次高溫回火。4Cr13不銹鋼常采用260oC左右的低溫二次回火。
還有一些中、高碳類的碳素鋼與合金鋼通過淬火回火達(dá)到Hnc48-52的硬度值，應(yīng)用與塑料模具零件上。比如，彈簧鋼：65Mn、1.1066；碳素工具鋼：T10、T72301、1.1645、SK3；熱作模具鋼：5CrNiMo、L6、1.2713、SKT4；耐沖擊鋼：5CrW2Si、S1、1.2542、SkS41；冷作工具鋼：9CrWMn、O1、1.2510、SKS3；Cr5Mo1V、A2、1.2363、SkD12；Cr12MoV、D2、1.2601、SkD11以及鉻軸承鋼GCr15、E52100、1.3505、SVJ2。
5、高硬度（HRC56以上）整體淬硬塑料模具鋼 塑膠模具鋼的性能及用途
壓制環(huán)氧膠、聚脂及加入硬質(zhì)添加料尼龍、玻璃纖維、金屬粉的熱固、熱塑性塑料成型模需要有很高的耐磨性。鎖圈、脫模圈、凸輪等零件也需要更高的硬度來提高模具壽命。這需要高硬度整體淬硬并適合高壓氣淬真空處理的高碳高合金工具鋼，如DC53、D2、Cr12MoV、1.2379、PD613、A2、Cr5Mo1V等。9Cr18、9Cr18MoV、SUS440C等則是淬硬至Hnc56以上的不銹鋼類塑料模用鋼。這些鋼種都有比較高的淬透性，有些還存在碳化物偏析，使用中易產(chǎn)生拆斷與開裂。這應(yīng)在鋼種選用和熱處理工藝上引起注意。

編    輯：日加金屬制品（上海）有限公司技術(shù)部
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