塑料磨具钢的选择及应用（Plastic abrasive steel selection and

【摘要】简要介绍了塑料模具钢应具备的基本性能，并阐述了塑料模具钢的分类及应用情况。                                    
        ChooseandApplicationofPlasticsmoldSteel      
        A【bstract】Introducedbrieflythebasicperformancethatplasticsmoldsteelneedhave，and   elaboratedclassificationandapplicationofplasticsmoldstee1．      
        Keywords：plasticsmoldsteel；performancerequirement；choose；application

 1 引言                                 
       塑料制品在国民经济的各个部门的应用日益广泛，塑料的产量按体积计算在世界上已超过钢铁的产量。塑料模具是塑料制品成形加工工业不可缺少的工具，塑料模具的结构和形状比较复杂、品种规格多、要求低的表面粗糙度值、制造难度大，因此探讨塑料模具制造中的选材问题，综合考虑其工作条件、失效、性能等情况，合理地选用材料以提高模具使用寿命就显得极其重要。
       塑料模具一般要在 200～300℃温区内服役，模具要承受较大的机械负荷，易磨损，型腔会有腐蚀气体腐蚀，因此塑料模具钢应具备以下基本性能。
      (1)较高的硬度、良好的耐磨性、足够的硬化深度、心部要有足够的强韧性，以免发生脆断及塑性变形。
      (2)机械加工性能好，并具有良好的镜面抛光性 能和表面图案光蚀性。
      (3)导热性能好，线胀系数小，热处理变形小，金相组织和模具尺寸稳定。
      (4)有的塑料模具钢还要求有一定的耐蚀性和良好的耐热性。
 2 常用塑料模具钢的分类 

      我国塑料成型模具产值已占模具工业总产值的首位，相对应的塑料模具钢已占全部模具用钢量的50％以上。我国过去无专用的塑料模具钢，一般塑料模具钢用正火的45钢或40Cr钢经调质后制造，因而模具硬度低、耐磨性差，表面粗糙度值高，加工出来的塑料制品外观质量较差，而且模具使用寿命低；精密 塑料模具及硬度高的塑料模具采用CrWMn、Crl2MoV 等合金工具钢制造，不仅机械加工性能差，而且难于加工性状复杂的型腔，更无法解决热处理变形问题。       近年来在引进国外塑料模具钢的同时，我国自行研制和开发了一批新型塑料模具专用钢，形成了具有我国特色的塑料模具钢系列。
      (1)碳素塑料模具钢。
      由于碳素塑料模具钢具有加工性能好、价格便宜、 原料来源方便等优点，广泛应用于制造形状简单的小型模具或精度要求不高、使用寿命不需很长的模具。       YB／T074—1997中列出的有SM45、SM50、SM55等钢号，这类钢与优质碳素结构钢相比，钢中的实际S、P含量低，钢材的纯净度好，且碳含量波动范围窄，力学性能更稳定。        对于硬度要求较高的、尺寸较小的热固性塑料模具，一般采用含碳量为0．7％～1．3％的高碳碳素工具钢 制造，如，r7、T8、T10、T11、T12等钢，该类钢热处理后可以得到高硬度和高耐磨性。     
    (2)渗碳型塑料模具钢。       
       渗碳型塑料模具钢主要用于冷挤压成型塑料模具，一般要求较低的含碳量，同时钢中加入能提高淬透性而固溶强化铁素体效果又小的合金元素，Cr、Ni 是比较理想的元素，Si含量应尽量低。这类钢首先要冷挤压成形，因此其退火态必须有低的硬度、高的塑性和低的变形抗力。为了提高模具的耐磨性，这类钢在冷挤压成型后一般需进行渗碳和淬火、回火处理，使模具有一定的硬度、强度和耐磨性，表面硬度可达 58-62HRC，而心部仍有较好的韧性。
       渗碳型塑料模具钢在国外有专用钢种，如美国的 P1、P2、P4、P6。日本的CH1、CH2、CH4，瑞典的8416 等，国内纳入标准的有SM1CrNi3、SM2CrNi3MoAIS。另 外常用 的钢 种还 有 ：20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、 20CrMnTi、20CrMnMo、20Cr2Ni4A、0Cr4NiMoV(LJ)等。      
(3)预硬型塑料模具钢。       
对于形状复杂、精密的大中型塑料模具，为了避免其在淬火热处理过程中产生变形，因此模具钢以预硬化状态供应市场。
       所谓预硬化型塑料模具钢是由钢厂在供货时已预先对模具进行了热处理，使之达到了模具使用时的硬度，根据模具工作条件这个硬度范围变化较大，较低硬度为25-35HRC，较高硬度为40～45HRC，在这种硬度条件下，可以把模具加工成形不再进行热处理而直接使用，从而可避免模具加工后再进行淬火、回火热处理操作所造成的氧化、脱碳、变形和开裂，从而保证了模具的制造精度。        已纳入国家标准的预硬化型塑料模具钢有： SM3Cr2Mo、SM3Cr2MnNiMo (GB／T1299—2000中的3Cr2Mo、3Cr2MnNiMo)。供货硬度一般为28～36HRC， 适于制造大中型和精度高的塑料模具。        另外调质硬化型塑料模具钢号有：40Cr、42CrMo、 38CrMoA1、3CrMnSiNi2A、5CrMnMo、5CrNiMo等。       
(4)易切削硬化型塑料模具钢。
        塑料模具的形状复杂，价格较高，在其成本的构成中切削加工所占比例较大，而预硬化型塑料模具钢在加工时硬度较高，尤其在高硬度区间(36～45HRC),可切削性能差。为了节省在制造模具过程中切削加工工时，延长刀具使用寿命，降低模具成本，国内外发展了一些易切削预硬模具钢，即在炼钢时加入易切削元素及变质剂，如S、Ca等来改善钢的切削性能。         国内开发的易切削预硬型塑料模具钢有 ： 5CrNiMnMoVSCa(5NiSCa)、Y55CrNiMnMoVS(SM1)和 8Cr2MnWMoVS钢等。       
(5)时效硬化型塑料模具钢。      
 模具热处理后变形是模具热处理三大难题之一 (变形、开裂、淬硬)。对于复杂、精密等高档次的塑料模具，要保证高的使用寿命，模具材料必须具有高的综合力学性能。预硬型塑料模具钢虽然解决了模具热处理变形问题，但模具要求硬度高又给加工造成困难。为此发展了一系列的时效硬化型塑料模具钢。模具钢经淬火(固溶)后变软(硬度约为28~34HRC)，便于切削加工，待模具制造成形后再进行时效处理，获得所需要的综合力学性能，由于时效处理温度低，模具变形较小，是精密复杂模具理想用钢。         
       国 内 常 用 的 无 磁 塑 料 模 具 钢 有    (PMS)、25CrNi3MoAI、06Ni6CrMoVTiAI钢等多种，本 文简要介绍PMS钢的性能及热处理。
       PMS钢是一种低碳的镍、铜、铝铁合金钢，是新型时效硬化型镜面塑料模具钢，具有优良的镜面加工性能，固溶温度 870℃左右，保温一定时间后空冷，固溶后硬度为28～33HRC，固溶处理的目的是为了使合金元素在基体充分溶解，使固溶体均匀化并达到软化，便于切削加工，在模具加工后进行时效处理，时效温度约为510℃，即可获得40～45HRC的较高硬度，最后进行抛光处理。
      (6)耐蚀性塑料模具钢。
       在生产中会产生腐蚀介质的塑料制品时，模具材料必须具有较好的抗腐蚀性能。当塑料制品的产量不大、要求不高时，可以在模具表面采取镀铬保护措施， 但大多数情况需采用耐蚀钢制造，YB／T094—1997中列出的耐蚀性塑料模具钢有：SM2Cr13、SM3Cr17Mo、 SM4Crl3，另外还有9Cr18高碳高铬马氏体不锈钢、 1Crl8N9Ti奥氏体不锈钢及0Crl7Ni4Cu4Nb马氏体沉淀硬化不锈钢等。
       为了提高耐腐蚀模具钢的加工精度，国内又研制了马氏体时效硬化钢PCR(0Cr16Ni4Cu3Nb)和AFC-77(1Cr14Cu13Mo5V)钢，这类钢适于制造要求高耐磨、高精度和耐腐蚀的塑料模具，提高了耐腐蚀模具钢的产品质量，延长了模具的使用寿命。
      (7)高耐磨塑料模具钢。
        用于压制热固性塑料、复合强化塑料产品的模具，以及生产批量很大、要求模具使用寿命很长的塑料模具，一般选用高耐磨塑料模具钢。YB厂r094—1997中 列 出 的 有 SM4Cr5MoSiV、SM4Cr5MoSiV1、   SMCr12Mo1V1等，另外国内常用的9Mn2V、CrWMn、Cr2、Crl2、Cr5MolV、Cr2Mn2SiWMoV、7CrSiMnMoV钢 等。该类钢成形后需进行淬火、回火热处理，硬度通常要求高于45～50HRC。 
       对于大型、精密、形状复杂的型腔及嵌件，要求热 处理后有优 良耐磨性的模具可考虑选用基体钢和高速钢(W6Mo5Cr4V)。       (8)无磁塑料模具钢。       无磁塑料模具钢主要用于制造生产磁性塑料制品和其他磁性材料制品用的压制成型模具，这类模具钢在强磁场中不会被磁化，保证了磁性塑料制品在生产过程中即使被磁化，但仍然容易脱模。       国内典型的时效硬化钢有 ：1Nj3Mn2CuAlMo 7M15Cr2Al3V2WMo、1Crl8Ni9Ti等，这两种钢在各种状态下都能保持稳定的奥氏体组织，具有非常低的导磁系数，适于制造无磁塑料模具钢。对于奥氏体不锈钢 1Crl8Ni9Ti，为了提高其耐磨性，一般还需进行氮化热处理。       (9)非调质型塑料模具钢。        非调质型塑料模具钢是一种新型模具钢，这类钢的共同特点就是碳素结构钢或低合金钢中加人微合金元素(主要是V、Ti、Nb、N等)通过控制轧制(控锻) 和控制冷却等，即可达到所要求的硬度 (一般为30~ 40HRC)，这样就节约了热处理工序和热处理设备，避免了在热处理过程中产生变形或淬火裂纹所造成的废品，改善了劳动条件，具有 良好的经济效益和社会效 益 。 该 类 钢 号 有 ：F45V、YF45V、YF45MnV、 GF40MnSiVS，以及上海宝钢公司研制和生产的B20、 B25、B30等，目前这类钢还在进一步发展中。

3 塑料模具钢的应用

        在塑料模具钢的应用中，一般遵循的原则是：在塑料零件成型的模具中，被成型塑料的种类、生产批量、工作复杂程度、尺寸精度和表面粗糙度值等质量要求是选择塑料模具钢的主要因素。       (1)根据塑料制品的生产，批量应用模具钢材料。        选用模具钢种类和塑料制品的生产批量大小有关。生产批量小，对模具的耐磨性及使用寿命要求不高，为 了降低模具造价，不必选用高级优质模具钢，只选用普通模具钢即可满足使用要求。具体选用可参考表l。
      (2)根据塑料制品的种类和质量要求选用模具材料。         a．对型腔表面要求耐磨性好、心部要求韧性好，但形状不复杂的塑料注射模，可选用低碳结构钢和低碳 合金结构钢。这类钢在退火状态下塑性很好硬度低， 退火后硬度为85～135HBS，其变形抗力小，可用冷挤压成形，大大减少了切削用量。例如20钢、20Cr均属于此类钢。对于大、中型且型腔复杂的模具，可选用lJ钢和12CrNi3A、12Cr2Ni4A等优质渗钢。这类钢经渗碳、淬火、回火处理后，型腔表面有很好的耐磨性，基体又有较高的强度和韧性。         表 1 依据塑料制品的生产批量选用模具钢  
         塑料制品生产批量             选用钢材     
            1O～2O万件          SM45、SM55、40Cr    
              3O万件            P20、5NiSCa、8CrMn     
              60万件             P20、5NiSCa、SM1     
              80万件              P20、8CrMn     
             120万件              SM2、PMS     
             150万件            PCR、LD2、65Nb    
             200万件以上       065Nb、06NiTTi2Cr、012A1渗氮、  25CrNiMoA1渗氮、Crl2MolV1       
        b．对聚氯乙烯、氟塑料及阻燃ABS塑料制品，所用模具钢必须有较好的抗腐蚀性。因为这些塑料在熔融状态会分解出HCI、HF和SO等气体，对模具型腔有一定的腐蚀性。这类模具中的成型件常用耐蚀塑料模具钢，例如2Cr13、4Cr13、PCR、18Ni、AFC一77等。       
        c．对生产以玻璃纤维作增强材料的塑料制品的注射模或压缩模，要求有高的硬度、高耐磨性、高的抗压 强度和较高韧性，以防止模具型腔表面被过早磨损坏,或因模具受高压而发生局部变形，故常用淬硬模具钢制造，经淬火、回火后得到所需的模具性能。例如选用T8A、T10A、Cr6W 、Crl2、Crl2MolV1、9Mn2V、CrWMn以及基体钢等。       
        d。制造透明塑料制品的模具，要求模具钢材有良好的镜面抛光性能和高耐磨性，所以要采用时效硬化钢，如 18Ni、PMS、PCR等，也可选用预硬型钢，如SM3Cr2Mo、SM3Cr2NiMnMo及8CrMn、5NiSCa等。      
        (3)根据塑料制品的尺寸大小及精度要求选用模具材料。         
         对大型、高精度的注射模具，当塑料制品的生产批量大时，采用预硬化钢。由于模具型腔大，模具壁厚加 大，因此对钢的淬透性要求高，热处理后要求变形小。预硬型钢材在机械加工前进行了预硬处理，机械加工后不再进行热处理，以防止热处理变形。常选用的钢号有SM3Cr2Mo、SM3Cr2NiMnMO、SM1、PMS、8CrMn等。      
        (4)根据塑料制品形状复杂程度选用模具材料。如果塑料制品的形状简单、生产批量小，可选用SM45、SM50、SM55钢经调质处理即可，对形状复杂的可选用预硬化钢或时效硬化钢,SM3Cr2MoSM3Cr2NiMnMo42CrMo38CrMoA15NiSCaSMJr  8Cr2S及PMS等。               (5)塑料模具中其它零件的选用。
   塑料模具中的其它零件，如顶杆、拉料杆、各种模板、顶出板、固定支架等，其抛光性、耐腐蚀性等要求较模具本身的要求低，一般可选用与模具本身材料相同或性能稍低的常用模具材料，经过合理的热处理即可。这样既能达到使用要求，又能降低模具成本。

4 结束语

       由于塑料的品种不同、性能各异，而塑料制品的尺寸、形状复杂程度、精度、表面粗糙度值和生产批量等各方面的要求不同，因此塑料模具钢的选择和应用应根据模具的生产条件和模具的工作条件的需要，结合模具材料的基本性能和相关因素来选择符合模具需要、经济上合理、技术上先进的模具材料，从而提高塑料产品的质量和模具的使用水平。随着塑料工业生产的飞速发展，塑料模具钢材料的发展也会达到一个新的水平。