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塑料模具材料塑料模具材料1
隨著塑料產量的提高和應用領域的擴大，對塑料模具提出了越來越高的要求，促進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
預硬型
3Cr2Mo,Y20CrNi3AlMnMo(SM2),5NiSCa,Y55CrNiMnMoV(SM1),4Cr5MoSiVS,8Cr2Mn－WMoVS(8CrMn)
調質型 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)
&n
bsp; 時效硬化型
18Ni140級,18Ni170級,18Ni210級,10Ni3MnCuAl(PMS),18Ni9Co,06Ni16MoVTiAl,25CrNi3MoAl
對于我國傳統常用的塑料模具鋼，已有很多書藉資料作過詳細的論述，本節(jié)主要介紹我國近年研制和從國外引進并已在生產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行滲碳和淬回火處理，表面硬度可達58～62HRC。
此類鋼國外有專用鋼種，如瑞典的8416、美國的P2和P4等。國內常采用工業(yè)純鐵（如DT1和DT2）、20、20Cr、12CrNi3A和12Cr2Ni4A鋼，以及國內最新研制的冷成形專用鋼
0Cr4NiMoV（LJ）。現介紹兩個典型鋼種。
（一）0Cr4NiMoV（LJ）鋼
1. 化學成分：表3-3是LJ鋼的化學成分。
表3-3 LJ鋼的化學成分（質量分數） （%）
C Mn Si Cr Ni Mo V
≤0.08 ＜0.3 ＜0.2 3.6～4.2 0.3～0.7 0.2～0.6
&nb
sp; 0.08～0.15
POM塑膠原料POM/3510/杜邦－旭化成
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2ｈ，隨爐緩冷至（冷速約40℃／h）650℃后出爐空冷，退火硬度100～105HBS，可順利地進行冷擠壓成形。
固體滲碳工藝：加熱930℃×（6～8）ｈ，滲后在850～870℃油淬，再進行200～220℃×2ｈ的低溫回火，熱處理后表面硬度58～60HRC，心部硬度為27～29HRC，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，不會出現型腔表面塌陷和內壁咬傷現象，使用效果良好。
（二）12CrNi3A鋼
1.化學成分：12CrNi3A鋼是傳統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韌性，尤其是鎳，在產生固溶強化的同時，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鋼的化學成分 （質量分數） （%）
C Si Mn Cr Ni P、S
0.09～0.16 0.17～0.37 0.30～0.60 0.60～0.90
2.75～3.25 ≤0.025
&n
bsp; 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：740～760℃加熱，保溫4～6ｈ后以5～10℃／ｈ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：870～900℃加熱并保溫3～4ｈ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900～920℃保溫6～7ｈ，可獲得0.9～1.0ｍｍ的滲碳層，滲碳后預冷至800～850℃直接油淬或空冷，淬火后表層硬度可達56～62HRC，心部硬度為250～380HBS，變形微小。
3. 實際應用：
12CrNi3A鋼主要用于冷擠壓成形的形狀復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（少數采用中溫回火或高溫回火），熱處理后的硬度通常在45～50HRC以上。
（二）實際應用
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、復雜和精密的塑料模；W6Mo5Cr4V2鋼適于制造要求強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、預硬型塑料模具用鋼
所謂預硬鋼就是供應時已預先進行了熱處理，并使之達到模具使用態(tài)硬度。這類鋼的特點是在硬度30～40HRC的狀態(tài)下可以直接進行成形車削、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。
我國近年研制的預硬化型塑料模具鋼，大多數是以中碳鋼為基礎，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，從而制得易切削預硬化鋼。有些預硬化鋼可以在模具加工成形后進行滲氮處理，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硬化塑料模具鋼。
（一）3Cr2Mo（P20）塑料模具鋼
3Cr2Mo鋼是引進的美國塑料模具鋼常用鋼號，也是GB1299—85《合金工具鋼技術條件》中正式納標的唯一一種塑料模具鋼。
1.化學成分及相變點
化學成分見表3-5所示。
表3-5 3Cr2Mo鋼的化學成分 （質量分數） （%）
C Si Mn Cr Mo P、S
0.28～0.40 0.20～0.80 0.60～1.00 1.40～2.00
0.30～0.55 ≤0.030
相變點為Ａc1770℃、Ac3825℃、Ar1640℃、Ar3760℃、Ｍs300℃、Ｍf120℃。
&
nbsp; 2.工藝性能
（1）鍛造：加熱溫度1100～1150℃，始鍛溫度1050～1100℃，終鍛溫度≥850℃，鍛后空冷。
（2）退火：加熱溫度850℃，保溫2～4h，等溫溫度720℃，保溫4～6h，爐冷至500℃，出爐空冷。
（3）淬火及回火：淬火加熱溫度860～870℃，油淬，540～580℃回火。預硬態(tài)硬度為30～35HRC。
（4）化學熱處理：P20鋼具有較好的淬透性及一定的韌性，可以進行滲碳，滲碳淬火后表面硬度可達65HRC，具有較高的熱硬度及耐磨性。
3.力學性能
850℃淬火，550℃回火的P20鋼室溫力學性能見表3-6所示。
表3-6 P20鋼室溫力學性能
硬度HRC σb/Mpa σ0.2/MPa δ5(%) ψ(%)
αk/(J/cm2)
30 1250 1140 14 58 11.5
4.實際應用
P20鋼適宜制造電視機、大型收錄機的外殼及洗衣機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1～3級。
如制造的“飛躍”牌14吋黑白電視機外殼
塑料模具，已成型24萬模次，模具仍完好無
損。還制造過18吋彩色電視機外殼塑料模具，大型收錄機模具，電唱機盤罩模具，以及洗
衣機面板蓋模具等。
（二）3Cr2NiMo（P4410）塑料模具鋼
1.化學成分及相變點
3Cr2NiMo鋼是3Cr2Mo鋼的改進型，是在3Cr2Mo鋼中添加了質量分數為0.8%～1.2%的鎳，其化學成分見表3-7所示。國內試制的P4410鋼實際成分，與瑞典生產的P20鋼改進型718鋼一致。
表3-7 P4410的化學成分（質量分數） （%）
C Mn Si Cr Mo Ni P S
0.28～0.40 0.60～1.00 0.20～0.80 1.40～2.00
0.30～0.55 0.80～1.20 ≤0.020 ≤0.015
相變點Ac1725℃、Ac3810℃、Ms280℃。
2.生產工藝
堿性平爐粗煉→真空脫氣、鋼包噴粉精煉→水壓機鍛造→粗加工→超聲波探傷→調質熱處理→檢驗出廠。經此工藝生產出的鋼材達到較高的潔凈度，組織細密，鏡面拋光性能好，表面粗糙度可達Ra0.05～0.025μm。
3.性能特點
經860℃淬火，650℃回火后，室溫及高溫力學性能見表3-8所示。
&nb
sp; 表3-8 P4410鋼的力學性能
試驗溫度/℃ σb/MPa σs/MPa δ(%) ψ(%) αk/(J/cm2)
HRC
室溫 1120 1020 16 61 96 35
200 1006 882 13.6 56 — —
400 882 811 14.0 67 — —
P4410鋼在硬度值為32～36HRC范圍內，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800～825℃，在空氣中或用壓縮空氣冷卻，局部表面硬度可達56～62HRC，可延長模具使用壽命。也可對模具進行表面鍍鉻，表面硬度可由370～420HV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，焊接質量良好，可以進行加工。
4.應用
P4410鋼在預硬態(tài)（30～36HRC）使用，防止了熱處理變形，適于制造大型、復雜、精密塑料模具。該鋼也可采用滲氮、滲硼等化學熱處理，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，是為適應精密塑料模和薄板無間隙精密沖裁模之急需而設計的，其成分設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鋼的化學成分及性能在第一章第二節(jié)已經介紹過，這里就使用方面再進一步介紹。
1.鋼的特點
（1）熱處理工藝簡便，淬透性好：空冷淬硬直徑φ100mm以上，空淬硬度為61.5～62HRC，熱處理變形小。當860～900℃淬火，160～300℃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207～239HBS，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)40～45HRC時，用高速鋼或硬質合金刀具進行車、銑、刨、鏜、鉆等加工，相當于碳鋼調質態(tài)，硬度為30HRC左右的切削性能，遠優(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1～2級，最低表面粗糙度為Ra
0.1μm。
（4）表面處理性能好：滲氮性能良好，一般滲氮層深達0.2～0.3mm，滲硼附著力強。
2.應用
8Cr2S作為預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1～2個數量級，表面粗造度低1～2級，使用壽命普遍高2～3倍，有的高十幾倍。
（四）5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）鋼
5NiSCa屬易切削高韌性塑料模具鋼，在預硬態(tài)（35～45HRC）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Ra
0.2～0.1μm，使用過程中表面粗糙度保持能力強；花紋蝕刻性能好，清晰，逼真；淬透性好，可作型腔復雜、質量要求高的塑料模。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展的能力。
1.化學成分及相變點
5NiSCa鋼采用中碳加鎳，其主要化學成分見表3-9。
表3-9 5NiSCa鋼的化學成分（質量分數） （%）
C Cr Ni Mn Mo V S Ca
0.57 0.89 1.03 1.19 0.52 0.26 0.028
0.0036
加熱時相變點695～735℃，冷卻時相變點378～305℃，Ms220℃。
2.工藝性能
（1）鍛造：加熱溫度1100℃，始鍛溫度1070～1100℃，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880～900℃，小件取下限，大件取上限，油冷或260℃硝鹽分級淬火。
3.力學性能
5NiSCa鋼經880℃和900℃淬火后的力學性能，見表3-10所列。
表3-10 5NiSCa鋼不同溫度淬火及回火后的力學性能
淬火/℃ 回火/℃ σ0.2/Mpa σb/MPa σbc/MPa &n
bsp; δ(%)
ψ(%) αk/(J/cm2) HRC
880 575 1240.7 1274.0 1271.1 8.8 42.1
46.1 45.5
625 1240.7 1274.0 1271.1 8.8 42.1
46.1 39
650 1008.4 1045.7 1011.4 9.0 45.3
56.8 36
900 575 1364.2 1430.8 1442.6 7.9 39.6
42.1 47
625 1252.4 1291.6 1355.3 8.3 41.7
49 41.5
650 1061.3 1084.9 1110.3 10.5 47.0
; 66.6 37
4.生產應用
5NiSCa鋼可用作型腔復雜、型腔質量要求高的注射模、壓縮模、橡膠模，印制板沖孔模等效果顯著。
（五）Y55CrNiMnMoV（SM1）
SM1屬易切削調質型預硬化塑料模具鋼，預硬態(tài)交貨，預硬硬度為35～40HRC。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.化學成分及相變點
Y55CrNiMnMoV鋼的化學成分，見表3-11。
表3-11 SM1鋼化學成分（質量分數） (%)
C Mn S P Cr Ni Mo V Si
0.50～0.60 0.80～1.20 0.080～0.150 ＜0.030
0.80～1.20 1.00～1.50 0.20～0.50 0.10～0.30
＜0.40
相變點 Ac1712℃、Ac3772℃、Ｍs290℃。
2.工藝性能
（1）鍛造：鍛造性能良好，鍛造無特殊要求。
&n
bsp; （2）軟化處理：800℃加熱、保溫3ｈ，680℃等溫加熱5ｈ，硬度≤235HBS。
（3）淬火、回火：800～860℃加熱油淬，600～650℃回火。
3.力學性能
經上述處理后，SM1的力學性能見表3-12所示。
表3-12 SM1鋼的力學性能
σb/MPa σ0.2/Mpa δ5(%) ψ(%) αk/(J/cm2)
硬度HRC
1176 980 15 45 44 35
4.實際應用
Y55CrNiMnMoV鋼生產工藝簡便易行，性能優(yōu)越穩(wěn)定，使用壽命長。經電子、儀表、家電、玩具、日用五金等行業(yè)推廣應用，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小彌散的金屬化合物，從而造成鋼的強化和硬化。并且，這一強化過程引起的尺寸、形狀變化極小。因此，采用此類鋼制造塑料模具時，可在固溶處理后進行模具的機械成形加工，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，并根據我國冶煉工業(yè)的特點及使用廠對性能的要求加以改進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.化學成分及相變點
25CrNi3MoAl鋼的化學成分見表3-13。
表3-13 25CrNi3MoAl鋼的化學成分（質量分數） （%）
C Cr Ni Mo Al Si Mn S、P
0.2～0.3 1.2～1.8 3.0～4.0 0.2～0.4 1.0～1.6
0.2～0.5 0.5～0.8 ≤0.03
相變點Ac1740℃、Ac3780℃、Ｍs290℃。
2.力學性能
（1）硬度：25CrNi3MoAl鋼經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鋼經不同溫度固溶處理后的硬度
加熱溫度/℃（保溫30min） 830 920 960 1000
; 硬度HRC 50 48.5 46.4 45.6
表3-15 25CrNi3MoAl鋼時效處理后的硬度
時效溫度/℃ 500 520 540
硬度HRC 35.5～38 39～41 39～42
（2）室溫力學性能：25CrNi3MoAl鋼經880℃固溶，680℃回火，540℃時效處理8ｈ后的力學性能見表3-16。
表3-16 25CrNi3MoAl鋼的室溫力學性能
HRC σb/Mpa σs/MPa δ(%) ψ(%) αk①/(J/cm2)
39～42 1260～1350 1170～1200 13～16.8 55～59
45～52
① αk 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48～50HRC，再經680℃，4～6ｈ高溫回火，空冷或水冷，回火硬度22～23HRC，經機加工成形。再經時效處理，時效溫度520～540℃，保溫6～8ｈ，空冷，時效硬度39～42HRC。再經研磨、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680℃高溫回火，其余工藝同上。但在高溫回火后對模具進行粗加工和半精加工，再經650℃保溫1ｈ，消除加工后的殘留內應力，然后再進行精加工。此后的時效、研磨、拋光等工藝仍同上。經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粗加工、精加工，進行520～540℃、6～8ｈ的時效處理，再經研磨、拋光及裝配使用。經此處理后，模具硬度40～43HRC，時效變形率≤0.05%。
（4）用作冷擠型腔工藝的塑料模具：模具鍛坯經軟化處理后，即對模具擠壓面進行加工、研磨、拋光。然后對冷擠壓模具型腔和模具外形進行修整，最后對模具進行真空時效處理或表面滲氮處理后再裝配使用。
4.特點及應用
綜上所述，25CrNi3MoAl鋼有如下特點：
（1）鋼中含鎳量低，價格遠低于馬氏體時效鋼，也低于超低碳中合金時效鋼。
（2）調質硬度為230～250HBS，常規(guī)切削加工和電加工性能良好。時效硬度為38～42HRC，時效處理及滲氮處理溫度范圍相當，且滲氮性能好，滲氮后表層硬度達1000HV以上，而心部硬度保持在38～42HRC。
（3）鏡面研磨性好，表面粗糙度可在Ra 0.2～0.025μm，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，經十多家工廠試用，技術經濟效益顯著。
(二)18Ni類鋼
這類鋼屬于低碳馬氏體時效鋼，其成分和力學性能見表3-17。
表3-17 18Ni類鋼的化學成分和力學性能
&n
bsp; 18Ni鋼級別 化學成分（w，％） 熱處理工 藝 σs/MPa σb/MPa
δ(%) ψ(%) 硬度HRC
Ni Co Mo Ti Al
140級 17.5～18.5 8～9 3.0～3.5 0.15～0.25
0.05～0.15 815℃±10℃固溶處理1h空冷，經480℃±10℃時效3h，空冷
1350～1450 1400～1550 14～16 65～70 46～48
170級 17～19 7.0～8.5 4.6～5.2 0.3～0.5
0.05～0.15 1700～1900 1750～1950 10～12
48～58 50～52
210級 18～19 8.0～9.5 4.6～5.2 0.55～0.80
0.05～0.15 2050～2100 2100～2150 12 60
53～55
&nbs
p; 馬氏體時效鋼碳質量分數極低（約0.03%），目的是改善鋼的韌性。因這類鋼的屈服強度有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作用形成時效強化相Ni3Mo，鎳的質量分數在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、型腔復雜、大截面、大批量生產的塑料模具。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.化學成分及相變點
低碳馬氏體時效鋼的硬化機理是在馬氏體基體中析出金屬間化合物而產生硬化，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鋼化學成分見表3-18所示。
表3-18 06Ni6CrMoVTiAl鋼的化學成分（質量分數） （%）
C Ni Cr Mo Ti Al V Mn Si
P、S
0.06 5.5～6.5 1.3～1.6 0.9～1.2 0.9～1.3
0.6～0.9 0.08～0.16 ≤0.5 ≤0.6 ≤0.03
相變點Ac1705℃、Ac3836℃、Ar1425℃、Ar3525℃、Ms512℃、Mf395℃。
&nb
sp; 2.熱加工工藝
（1）鍛造：加熱溫度1100～1150℃，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，通過固溶既可達到軟化目的，又可以保證鋼材在最終時效時具有硬化效應。固溶處理可以利用鍛軋后快速冷卻實現，也可以把鋼材加熱到固溶溫度之后油冷或空冷實現。
&nb, sp; 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26～28HRC，油冷硬度為24～25HRC，水冷硬度為22～23HRC。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（28～32HRC）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800～880℃，保溫1～2ｈ，油冷。
（4）時效處理：推薦的時效工藝：時效溫度500～540℃，時效時間4～8ｈ，硬度為42～45HRC。
3.力學性能
測得的不同溫度下06鋼的力學性能見表3-19。
表3-19 06鋼室溫和高溫力學性能
試驗溫度/℃ σb/Mpa σ0.2/MPa δ(%) ψ(%)
αk/(J/cm2)
室溫 1478 1422 9.3 37.2 3.4
100 — — — — 1503
200 1292 1262 11.2 54.2 36.8
300 1238 1197 10.5 53.3 41.7
400 1153 1128 13.7 56.5 51.9
由表3-19可見，隨著試驗溫度的增加，雖然鋼的強度有所下降，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.實際應用
馬氏體時效鋼06Ni6CrMoVTiAl已分別應用在化工、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、電傳打字機等零件的塑料模具，均收到很好效果。
該鋼制作的錄音機磁帶盒塑料模具壽命可達200萬次以上，壓制的產品質量可與進口模具壓制的產品相媲美；制作收錄機磁帶盒塑料模具，其平均壽命達110萬次以上。
（四）10Ni3CuAlMoS（PMS）鏡面塑料模具鋼
光學塑料鏡片、透明塑料制品以及外觀光潔、光亮、質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性能，熱處理工藝簡便，變形小，淬透性高，適宜進行表面強化處理，在軟化狀態(tài)下可進行模具型腔的擠壓成形。
1.化學成分及相變點
PMS鋼的化學成分見表3-20，碳質量分數限制在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鋼的化學成分（質量分數） （%）
C Si Mn Ni Cu Al Mo P、S.
0.06～0.16 ≤0.35 1.4～1.7 2.8～3.4 0.8～1.2
0.7～1.1 0.2～0.5 ≤0.01
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1120～1160℃，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充分溶解，使固溶體均勻化，并達到軟化，便于切削加工。經840～850℃加熱3ｈ固溶處理，空冷后的硬度為28～30HRC。
（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，鋼出現硬化峰值的溫度約為5
10℃±10℃，時效后硬度為40～42HRC。
（4）變形率：PMS的變形率很小，收縮量＜0.05%，總變形率徑向為-0.11％～0.041％，軸向為-0.021%～0.026%，接近馬氏體時效鋼。
3.力學性能
PMS鋼經840～850℃加熱保溫空冷固溶處理，再經510℃及530℃時效處理后的力學性能，見表3-21所示。
表3-21 PMS鋼不同溫度時效后的力學性能
鋼 種 時效溫度/℃ 硬度/HRC σb/MPa σs/MPa δ5(%)
ψ(%) αk/(J/cm2)
PMS鋼（含S） 510 42.5 1303.5 1169.1 16
49.2 14.7～17.1
530 41.4 1292.7 1194.6 15 52.7
20.6
PMS鋼（低S） 510 42.7 1331.9 1264.5 14.7
47.8 21.6
530 41.8
1252.5 1191.7 14.6 55.7
21.6
4.實際應用
PMS鏡面塑料模具鋼適于制造各種光學塑料鏡片，高鏡面、高透明度的注射模以及外觀質量要求極高的光潔、光亮的各種家用電器塑料模。
例如電話機殼體模具，生產出的電話機塑料殼體制品外觀質量達到國外同類產品的先進水平，模具使用壽命也明顯提高。又如大型雙卡收錄機注射模，生產出的機殼外觀質量高，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，對損壞的模具可進行補焊修復。PMS鋼還適于高精度型腔的冷擠壓成形。
（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）鋼
1.化學成分及相變點
Y20CrNi3AlMnMo（SM2）屬時效硬化型塑料模具鋼，其化學成分見表3-22。
表3-22 SM2鋼化學成分（質量分數） (%)
C Mn S P Cr Ni Mo Al Si
0.17～0.23 0.80～1.20 0.080～0.150 &
nbsp; ＜0.030
0.80～1.20 3.00～3.50 0.20～0.50 1.00～1.50
＜0.40
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： 870～930℃加熱，油冷，680～700℃高溫回火2h，油冷，硬度≤30HRC。
（3）熱處理工藝：870～930℃加熱，油淬，680～700℃油冷，500～560℃時效。
3.力學性能
經上述處理后，SM2的力學性能見表3-23所示。
表3-23 SM2鋼的力學性能
σb/MPa σ0.2/Mpa δ5(%) ψ(%) αk/(J/cm2)
硬度HRC
1176 980 15 45 54 35
4.實際應用
Y20CrNi3AlMnMo鋼生產工藝簡便易行，性能優(yōu)越穩(wěn)定，使用壽命長。經電子、儀表、家電、玩具、日用五金等行業(yè)推廣應用，效果顯著。
五、耐蝕
塑料模具鋼PCR
0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)鋼屬析出硬化不銹鋼,硬度為32～35HRC時可進行切削加工。該鋼再經460～480℃時效處理后，可獲得較好的綜合力學性能。
（一）PCR鋼的化學成分及相變點
PCR鋼的化學成分見表3-24。
表3-24 PCR鋼的化學成分（質量分數） （%）
C Mn Si Cr Ni Cu Nb S、P 其它
≤0.07 ＜1.0 ＜1.0 15～17 3～5 2.5～3.5
0.2～0.4 ≤0.03 添加特殊元素
相變點： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。
（二）力學性能
見表3-25。
表3-25 PCR鋼時效處理后的力學性能
熱處理規(guī)程 σb/Mpa σs/MPa σsc/MPa δ5(%) ψ(%)
αk①/(J/cm2) HRC
950℃固溶460℃時效 1324 1211 — 13 55
50
42
1000℃固溶460℃時效 1334 1261 — 13 55 50
43
1050℃固溶460℃時效 1355 1273 1442 13 56 47
43
1100℃固溶460℃時效 1391 1298 — 15 45 41
45
1150℃固溶460℃時效 1428 1324 — 14 38 28
46
① 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1180～1200℃，始鍛溫度1150～1100℃，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系。當銅質量分數wCu＞4.5%時，鍛造易出現開裂；當銅質量分數wCu≤3.5%時，其壓力加工性能有很大改善。鍛造時應充分熱透，鍛打時要輕錘快打，變形量小；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32～35HRC，在此硬度下可以進行切削加工。
3.時效處理：在420～480℃時效，其強度和硬度可以達到最高峰值，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42～44HRC。
4.淬透性及淬火變形：PCR鋼淬透性好，在φ100mm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1000～4000件；用PCR鋼，當使用6000件時仍與新模具一樣，未發(fā)現任何銹蝕或磨損，模具壽命達10000～12000件。
四氟塑料微波板，原用45鋼或表面鍍鉻模具，使用壽命僅2～3次；改用PCR鋼后，模具使用300次，未發(fā)現任何銹蝕或磨損，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雜的模具。鈹青銅可通過固溶—時效強化，固溶后合金處于軟化狀態(tài)，塑性較好，便于機械加工。經時效處理后，合金的抗拉強度可達1100～1300MPa，硬度可達40～42HRC。鈹青銅適用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高導熱性、高強度和高耐腐蝕性的塑料模。利用鈹青銅鑄造模具可以復制木紋和皮革紋，可以用樣品復制人像或玩具等不規(guī)則的成型面。
（二）鋁合金
&
nbsp; 鋁合金的密度小，熔點低，加工性能和導熱性都優(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熱率，形狀復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，由于它的強度比ZL101高，可制作要求強度較高且有良好導熱性的塑料模。
（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的化學成分 （質量分數） （%）
Al Cu Mg Zn
3.9～4.5 2.8～3.5 0.03～0.06 約92
還含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等雜質。用此合金通過鑄造方法易于制出光潔而復雜的模具型腔，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幾萬至幾十萬件。鎳鈦鋅合金由于鎳和鈦的加入可使強度、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，其化學成分和力學性能各不相同，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
&nb
sp; 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→機械粗加工→冷擠壓成形→再結晶退火→機械精加工→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.調質鋼制模具
例如，45，40Cr等鋼的工藝路線為：下料→鍛造模坯→退火→機械粗加工→調質→機械精加工→修整、拋光→裝配。
4.碳素工具鋼及合金工具鋼制模具
例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等鋼的工藝路線為：下料→鍛成模坯→球化退火→機械粗加工→去應力退火→機械半精加工→機械精加工→淬火、回火→研磨拋光→裝配。
5.預硬鋼制模具
例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等鋼。對于直接使用棒料加工的，因供貨狀態(tài)已進行了預硬化處理，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→預硬處理（34～42HRC）→機械粗加工→去應力退火→機械精加工→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0.8～1.5mm，當壓制含硬質填料的塑料時模具滲碳層厚度要求為1.3～1.5mm，壓制軟性塑料時滲碳層厚度為0.8～1.2mm。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900～920℃，復雜型腔的小型模具可取840～860℃中溫碳氮共滲。滲碳保溫時間為5～10h，具體應根據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（900～920℃）以快速將碳滲入零件表層為主；中溫階段（820～840℃）以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內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.形狀比較復雜的模具，在粗加工以后即進行熱處理，然后進行精加工，才能保證熱處理時變形最小，對于精密模具，變形應小于0.05%。
2.塑料模型腔表面要求十分嚴格，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。應在保護氣氛爐中或在嚴格脫氧后的鹽浴爐中加熱，若采用普通箱式電阻爐加熱，應在模腔面上涂保護劑，同時要控制加熱速度，冷卻時應選擇比較緩和的冷卻介質，控制冷卻速度，以避免在淬火過程中產生變形、開裂而報廢。一般以熱浴淬火為佳，也可采用預冷淬火的方式。
3.淬火后應及時回火，回火溫度要高于模具的工作溫度，回火時間應充分，長短視模具材料和斷面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。
（三）預硬鋼塑料模的熱處理
1.預硬鋼是以預硬態(tài)供貨的，一般不需熱處理，但有時需進行改鍛，改鍛后的模坯必須進行熱處理。
; 2.預硬鋼的預先熱處理通常采用球化退火，目的是消除鍛造應力，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.預硬鋼的預硬處理工藝簡單，多數采用調質處理，調質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為部分預硬鋼的預硬處理工藝，供參考。
表3-27 部分預硬鋼的預硬處理工藝
鋼 號 加熱溫度/℃ 冷卻方式 回火溫度/℃ 預硬硬度HRC
3Cr2Mo 830～840 油冷或160～180℃硝鹽分級 580～650 28～36
5NiSCa 880～930 油冷 550～680 30～45
8Cr2MnWMoVS 860～900 油或空冷 550～620 42～48
P4410 830～860 油冷或硝鹽分級 550～650 35～41
SM1 830～850 油冷 620～660 36～42
（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。第二步進行時效處理，利用時效強化達到最后要求的力學性能。
2.固溶處理加熱一般在鹽浴爐、箱式爐中進行，加熱時間分別可取：1min/mm、2～2.5min/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
能準確控制終鍛溫度，鍛造后可直接進行固溶淬火。
3.時效處理最好在真空爐中進行，若在箱式爐中進行，為防模腔表面氧化，爐內須通入保護氣氛，或者用氧化鋁粉、石墨粉、鑄鐵屑，在裝箱保護條件下進行時效。裝箱保護加熱要適當延長保溫時間，否則難以達到時效效果。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HRC
06Ni6CrMoVTiAl 800～850℃油冷 510～530℃×（6～8）h 43～48
PMS 800～850℃空冷 510～530℃×（3～5）h 41～43
25CrNi3MoAl 880℃水淬或空冷 520～540℃×（6～8）h 39～42
SM2 900℃×2h油冷+700℃×2h 510℃×10h 39～40
PCR 1050℃固溶空冷 460～480℃×4h 42～44
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，常對其進行適當的表面處理。
1.塑料模鍍鉻是一種應用最多的表面處理方法，鍍鉻層在大氣中具有強烈的鈍化能力，能長久保持金屬光澤，在多種酸性介質中均不發(fā)生化學反應。鍍層硬度達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。
&nb
sp; 2.滲氮具有處理溫度低（一般為550～570℃），模具變形甚微和滲層硬度高（可達1000～1200HV）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、化學鍍鎳、離子鍍氮化鈦、碳化鈦或碳氮化鈦，PVD、CVD法沉積硬質膜或超硬膜等。
