塑料模具用鋼及熱處理

塑料模具用鋼及熱處理第1頁/共93頁WheelHousingPC/ABS輪罩蓋BaggageDoors(MillenniumIII?)行李艙門FrontPanel&BumperfacialPC/ABS前面板/保險杠DoorHousing&SidePanel(MillenniumIII?)門板&側(cè)板Interiorpanels(low-glossGeloy?CR5020)內(nèi)裝飾板第2頁/共93頁第3頁/共93頁第4頁/共93頁第5頁/共93頁第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件5.1.1塑料模具的分類及工作條件分類熱固性塑料壓模(膠木模)：用于各種膠木粉的壓制成形。熱塑性塑料注射模：用于尼龍、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等熱塑性塑料的注射成形。5.1塑料模具的工作條件及失效形式第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件第6頁/共93頁第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件

塑料模具合模力受力分析型腔內(nèi)熔體的壓力開模力

(1)熱固性塑料模具：工作溫度一般在160－250℃，快速成型時，模具的局部溫度會較高。模腔承受壓力一般為30－200MPa，型腔表面易受腐蝕和磨損。

(2)熱塑性塑料模具：工作溫度一般在200℃以下，模腔承受壓力為100－200MPa。在塑料熔體充模時，會受到熔體的摩擦、沖刷。對聚氯乙烯、氟塑料及阻燃級的ABS塑料，成型過程中會分解出HCl、SO2、HF等腐蝕性氣體．使模具表面腐蝕破壞。主要因素，計算型腔的強度和剛度時，以此為據(jù)。塑料成型模具的工作條件第7頁/共93頁5.1.2塑料模具的主要失效形式及性能要求主要失效形式表面磨損變形斷裂第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件第8頁/共93頁表面磨損的主要原因及形式熱固性塑料對模具表面嚴(yán)重磨擦，會造成表面拉毛塑料中含有云母粉、硅砂、玻璃纖維等固體無機填料時，會加劇模具的磨損。由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱分解析出HCl、HF等強腐蝕性氣體，加劇模具的磨損。第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件第9頁/共93頁第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件塑性變形失效模具型腔表面的硬化層過薄，變形抗力不足或工作溫度高于回火溫度而發(fā)生相變軟化。斷裂失效由于結(jié)構(gòu)、溫差產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力，因回火不足，在使用溫度下殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體引起局部體積膨脹，在模具內(nèi)部產(chǎn)生組織應(yīng)力所致。第10頁/共93頁對塑料模具的性能要求第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件

強度與韌性使用性能硬度與耐磨性耐腐蝕性、耐熱性高度純凈性能機械加工性能鏡面加工性能工藝性能熱加工性能、焊接修補電加工性能第11頁/共93頁第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件對使用性能的要求1)強度與韌性，使模具能承受開模力、熔體壓力、鎖模力的作用而不發(fā)生變形和開裂。2)硬度與耐磨性，通常在38-55HRC范圍內(nèi)。形狀簡單、拋光性能要求高的模具，硬度可取高些：反之，硬度可取低些。3)耐腐蝕，以抵御HCl、SO2、HF等腐蝕性氣體的侵蝕。4)耐熱性和尺寸穩(wěn)定性，模具材料應(yīng)有穩(wěn)定的組織和低的熱膨脹系數(shù)數(shù)→模具變形。5)材料應(yīng)高度純凈，組織均勻致密，無網(wǎng)狀及帶狀碳化物，無孔洞、疏松及白點等缺陷。第12頁/共93頁硬度與耐磨性由這些碳化物提供第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件第13頁/共93頁第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件不同類型塑料模具的工作硬度第14頁/共93頁第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件對加工工藝性能的要求

機械加工性能：塑料模具型腔復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，因此應(yīng)具有優(yōu)良的切削和磨削加工性能。

鏡面加工及圖案蝕刻性能：在硬態(tài)下應(yīng)具有良好的鏡面拋光性能及花紋圖案蝕刻性能。

熱加工性能：淬透性高，熱處理變形小，尺寸穩(wěn)定性好。熱處理后有高強韌性、高硬度和耐磨性。

焊接性能：模具磨損、崩塊等修復(fù)時，常用焊補。

電加工性能：電加工時不會產(chǎn)生電加工硬化層。第15頁/共93頁用于塑膠模具的模塊可拋光到鏡面第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件第16頁/共93頁第五章塑料模具用鋼及熱處理第一節(jié)塑料模具的分類及工作條件影響模具材料鏡面加工的主要因素鋼中第二相（Al2O3、硅酸鹽以及碳化物）的數(shù)量、尺寸和分布。

→第二相硬質(zhì)點越多，其鏡面加工性越差。

→非金屬夾雜物的危害比碳化物還大，因此，塑料模具鋼大多為超清凈鋼。鋼的硬度。一般硬度越高．其鏡面加工性能越好→因為硬度低會使拋光產(chǎn)生磨痕。模具鋼的組織均勻性。組織均勻性越好，鏡面加工性能越好→實際仍是硬度問題。第17頁/共93頁5.2塑料模具鋼塑料模具鋼的分類按鋼種類型分為：低碳低合金鋼：滲碳型塑料模具鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼析出硬化鋼馬氏體時效鋼第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第18頁/共93頁低碳低合金鋼這類鋼的退火硬度較低，經(jīng)冷擠壓成型后進(jìn)行滲碳和回火處理，使模具具有一定的硬度、強度和耐磨性，表面性能接近4Cr5MoSiV熱模鋼的水平。由于這類模具系冷擠壓成型，無須再進(jìn)行切削加工，故制模周期短，便于批量生產(chǎn)，精度高。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第19頁/共93頁滲碳型塑模鋼→碳素滲碳鋼合金滲碳鋼特點→表面具有高硬度和耐磨性心部具有較好的強韌性雞蛋殼較好的拋光性能→硬度與第二相滲碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.1％~0.25％范圍內(nèi)，退火后硬度較低，具有良好的切削加工性能，也可采用冷擠壓成形法制造模具。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第20頁/共93頁冷擠壓成形法冷擠壓成形無需進(jìn)行切削加工→少無切削加工可大批量生產(chǎn)同形狀模具制模周期短、成本低，互換性好為了冷擠壓成形，這類鋼在退火狀態(tài)必須有高的塑性和小的變形抗力，冷加工硬化效應(yīng)小。退火硬度≤100HBS，成形復(fù)雜型腔時，≤160HBS，成形淺型腔時，

第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第21頁/共93頁常用滲碳型塑料模具鋼的化學(xué)成分

C、Si、Mn、Cr、Ni、Mo第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第22頁/共93頁滲碳型塑料模具鋼的熱處理

滲碳直接淬火→節(jié)能熱處理→淬火→一次淬火二次淬火低溫回火→通常為200℃左右

使模具獲得高的硬度、強度，一定的塑、韌性，保證了模具的使用性能，↑模具的壽命。滲碳后一般應(yīng)先緩冷，然后進(jìn)行一次淬火。淬火溫度應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇，通?？刂圃?10~850℃之間，使模具表面和心部組織同時得到改善。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第23頁/共93頁二次淬火

對于性能要求較高的塑料模具第一次淬火的目的：細(xì)化心部組織，并消除滲碳層中的網(wǎng)狀碳化物。為了減小零件的變形，可以油冷，有時甚至可用正火代替。第一次淬火的問題：雖然心部組織細(xì)化，但是滲碳層馬氏體晶粒較粗大，因而脆性較大。第二次淬火工藝與目的：較低的加熱溫度(760~830℃)，可細(xì)化滲碳層中的馬氏體晶粒，獲得滲碳層組織為隱晶馬氏體以及均勻分布的細(xì)粒狀碳化物→提高韌性。二次淬火會的不足：↑↑↑氧化、脫碳及變形等缺陷，生產(chǎn)周期長，經(jīng)濟(jì)效益低，一般不常采用。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第24頁/共93頁一、滲碳鋼及合金滲碳鋼10、20鋼是成分最簡單、價格最便宜的滲碳鋼。滲碳后表面高的硬度和耐磨性因淬透性差，淬火后心部強度很低適宜要求載荷小、強度低的模具。鋼中碳含量及合金元素含量↑，淬透性將↑↑↑合金滲碳鋼的淬透性較高．淬火時可采用較緩和的冷卻介質(zhì)，從而減小了模具的熱處理變形。常用的合金滲碳鋼牌號有20Cr、12CrNi2、12CrNi3、12CrNi4和20Cr2Ni4等。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第25頁/共93頁二、12CrNi3鋼中淬透性合金滲碳鋼．冷成形性能屬于中等。合金化原則：碳↓→有利于冷成形；加入Ni、Cr↑鋼的淬透性和滲碳層的強韌性，尤其是Ni，在固溶強化的同時?！摰乃苄?。鍛造工藝：加熱溫度為1200℃，始鍛溫度1150℃，終鍛溫度≥850℃，鍛后緩冷。退火工藝為：加熱到740-760℃，保溫4-6h，以5-10℃／h的速度緩冷至600℃，再爐冷至室溫。退火后的硬度≤160HBS便于冷擠壓成形。若切削加工制模，須經(jīng)正火處理。正火工藝為：加熱到880－900℃，保溫3-4h后空冷。正火硬度≤229HBS，切削加工性能良好。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第26頁/共93頁12CrNi3鋼的氣體滲碳工藝滲碳工藝→900~920℃×6-7h，可獲得0.9~1.0mm的滲碳層。淬火工藝→滲碳后預(yù)冷至800~850℃可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250~380HBS。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。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第27頁/共93頁三、20Cr2Ni4高強度合金滲碳鋼，淬透性、強韌性均超過12CrNi3鋼。晶粒粗大的問題：鍛后如出現(xiàn)晶粒粗大，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，還易于在粗大奧氏體晶粒的晶界上形成網(wǎng)狀碳化物。解決措施先在640－670℃回火6h后空冷，消除鍛造后的殘余應(yīng)力然后以大于20℃／min的速度加熱到880-940℃，空冷再在650-770℃回火．可獲得均勻細(xì)小的珠光體和少量鐵索體組織→晶粒細(xì)化再滲碳、淬火、回火第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第28頁/共93頁四、0Cr4NiMoV(LJ)鋼LJ鋼為冷擠成形塑料模具專用鋼→華工。合金化原則碳量極低，塑性、變形抗力極低，其冷擠成形性與純鐵相近。Cr、Ni、Mo、V等，↑↑淬透性、滲碳層的硬度、耐磨性和心部強度。鍛造工藝：→鍛造加熱溫度為1230℃，始鍛溫度為1200℃。終鍛溫度為900℃退火工藝：→880℃×2h，隨爐冷至650℃出爐空冷，退火硬度為100~105HBS。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第29頁/共93頁LJ鋼滲碳速度快，比20鋼快一倍。固體滲碳工藝：930℃×6-8h．熱處理：滲碳后850~870℃油淬，200~220℃×2h回火表硬58~60HRC，心硬27~29HRC特點→冷擠成形的模具輪廓清晰、光潔、精度高用途→主要用來冷擠成形精密塑料模具。因滲碳層厚，不會出現(xiàn)雞蛋殼和內(nèi)壁咬傷的現(xiàn)象，使用效果良好。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第30頁/共93頁碳素結(jié)構(gòu)鋼含碳量一般為0.5%~0.6%，國內(nèi)普遍采用45鋼。隨著塑料制品精密化，形狀復(fù)雜及大型化，成型方法的高速化，碳素結(jié)構(gòu)鋼逐漸被合金鋼取代。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第31頁/共93頁第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼定義：將鍛造、軋制的模塊預(yù)先調(diào)質(zhì)處理到一定硬度(20~40HRC)，直接加工成模使用?！A(yù)硬型塑料模具鋼特點：完全避免了因熱處理而引起的模具變形和開裂。適用：模塊、模板、中厚板。預(yù)硬鋼最適宜制作形狀復(fù)雜的大、中型精密塑料模具。有利于模具材料的標(biāo)準(zhǔn)化、批量化。調(diào)質(zhì)預(yù)硬鋼及易切削預(yù)硬鋼第32頁/共93頁含碳量一般為0.3%~0.5%，并含有一定的Cr、Mn、V、Ni等合金元素，以保證淬透性。調(diào)質(zhì)處理后，可獲得單一組織和所需的硬度。典型鋼種H13（4Cr5MoSiV1），較高的耐熱性能，適用于聚縮醛、聚酰胺（尼龍）等注射成型。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼調(diào)質(zhì)預(yù)硬鋼及易切削預(yù)硬鋼第33頁/共93頁易切削預(yù)硬鋼問題：預(yù)硬化鋼的使用硬度一般在30~42HRC，切削加工性能較差。加入S、Se、Ca等元素形成易切削鋼，既保證了較高的調(diào)質(zhì)硬度（39~43HRC），又保證了良好的切削性能，適用于尺寸精度要求較高的大型塑料模。如8Cr2S（8Cr2MnWMoVS）、5NiSCa等。分類：S→

條狀MnS，軟質(zhì)點→S-Ca、S-RePb→球形軟質(zhì)點→有毒Se→球形軟質(zhì)點

Ca→

低熔點Ca-Al-Si共晶化合物，硬質(zhì)點軟化、潤滑。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第34頁/共93頁一、3Cr2Mo(P20)是目前GB/Tl299—1985中唯一的專用塑模鋼特點：與美國P20是同類型鋼鏡面拋光性好→Ra0.05-0.10微米淬透性好（Cr、Ni、Mo）預(yù)硬硬度一般為30－36HRC。適用范圍：主要用于制造中、小型塑料模具，如小型電視機、大型收錄機的外殼和洗衣機面板蓋等。3Cr2Mo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。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第35頁/共93頁3Cr2NiMo(P4410)鋼P20的改進(jìn)型，加0.8％~1.2％(wt%)的Ni，以提高鋼的淬透性和強韌性。與瑞典的718鋼一致。截面厚度為250mm的鋼坯經(jīng)860℃加熱淬火后．整個截面的硬度均為45HRC左右。P4410鋼鏡面拋光性能好，粗糙度可達(dá)Ra0.01~0.05μm。經(jīng)預(yù)硬到32~36HRC后．具有良好的車、銑、磨等切削加工性能。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第36頁/共93頁表面處理可采用火焰局部加熱到800~825℃，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，以延長模具的使用壽命。也可對模具進(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)行焊補修復(fù)。該鋼主要用于預(yù)硬截面厚度要求大于250mm的塑料成型模具。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第37頁/共93頁P20系列簡介國內(nèi)有關(guān)單位在P20的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了一系列模具材料，如P20S、易切削P20BSCa紡錘化－MnS改性P20SRe紡錘化－MnS改性3Cr2NiMo(P4410)提高淬透性及韌性3Cr2MnMo提高淬透性及韌性3Cr2NiMnMo提高淬透性及韌性3Cr2NiMnMoV還提高預(yù)硬性第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第38頁/共93頁二、Y55CrNiMnMoV(SM1)鋼SM1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鋼具有高的強韌性、優(yōu)良的切削加工性和鏡面拋光性能。碳含量↑→淬透性↑→和P20系列相比SM1具有較好的耐蝕性和可滲氮等優(yōu)點，廣泛用于制造高精度塑料成型模具，如錄音機外殼模具、洗衣機外殼模、繼電器組合件注射模等。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第39頁/共93頁SM1鋼的處理工藝SM1鋼碳、鉻含量較低，具有比較好的鍛造性能，鍛造加熱溫度為1150℃，始鍛溫度為l050℃，終鍛溫度為850℃，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℃左右，保溫2-4h，冷卻到680℃等溫4-6h，爐冷到550℃出爐，退火硬度為200HBS。SM1鋼的淬火加熱溫度為800-860℃，淬火硬度為58HRC，回火溫度為620℃．回火硬度為35-40HRC。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第40頁/共93頁三、5CrNiMnMoVSCa(5NiSCa)鋼5NiSCa鋼是華工研制的新鋼種，屬于S、Ca復(fù)合系易切削預(yù)硬型塑料模具鋼。該鋼不僅具有良好的切削加工性，而且鏡面拋光性也好，蝕刻花紋圖案清晰逼真，并在使用中有較強的保持模具鏡面的能力。5NiSCa鋼經(jīng)880℃加熱油淬、600℃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、切削加工性能和鏡面拋光性能，表面粗糙度可達(dá)Ra0.05-0.025μm。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第41頁/共93頁5NiSCa鋼鍛造工藝：鍛造變形抗力小，塑性好，易鍛造?？蛇M(jìn)行鍍鉻或滲氮處理，既能保護(hù)型腔表面，又能提高表面硬度和耐磨性。5NiSCa鋼在高硬度(50HRC以上)仍可進(jìn)行機械加工，具有高的韌性及止裂能力，且變形小。5NiSCa可用于制作型腔復(fù)雜、精密的大、中、小型注射模具、橡膠模具和壓塑模具例如收錄機、洗衣機等塑料模具，模具質(zhì)量和使用壽命超過P20鋼.第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第42頁/共93頁MnS第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第43頁/共93頁(Mn,Ca)S第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第44頁/共93頁四、8Cr2MnWMoVS(8Cr2S)鋼8Cr2S鋼是華工研制的硫系易切削預(yù)硬高碳鋼，8Cr2S鋼的鍛造性能好，鍛造加熱溫度為1100~1150℃，始鍛溫度為1060℃，終鍛溫度≤900℃。鍛后MnS沿鍛軋方向延伸成條狀。有各向異性等溫球化退火工藝為：790-810℃×2h，然后冷到700℃再保溫6-8h，爐冷到550℃出爐空冷，退火硬度≤

229HBS，退火組織為細(xì)粒狀珠光體。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第45頁/共93頁8Cr2S鋼淬火加熱溫度為860-920℃，油冷淬火、空冷淬火或在240-280℃硝鹽中等溫淬火都可以。直徑100mm的鋼材空淬可以淬透，淬火硬度為62-64HRC?；鼗饻囟?50-620℃，回火硬度為40-48HRC?？蛇M(jìn)行滲氮、滲硼、鍍鉻、鍍鎳等表面處理。因有S，預(yù)硬硬度為40-48HRC時仍可進(jìn)行機械加工，加工性能與調(diào)質(zhì)到30HRC的碳素鋼相近。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第46頁/共93頁五、空冷12鋼和Y82鋼空冷12鋼屬Mn-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℃)空冷自硬化，再經(jīng)低溫回火，獲得高強度、高硬度(≥50HRC)的細(xì)化B/M復(fù)相組織，變形極小，并能保持高的拋光性。機理：微量B使C曲線P區(qū)大大右移，空冷淬火可得B/M復(fù)相組織。生產(chǎn)工藝簡單、節(jié)能、成本低(因省去了淬火重新加熱程序)、模具壽命長。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第47頁/共93頁Y82鋼Y82鋼屬于Mn-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復(fù)相組織，具有優(yōu)良的強韌性和淬透性。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)．Y82鋼可以在預(yù)硬狀態(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及良好的強韌性配合。可用于電視機殼等模具。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第48頁/共93頁第五節(jié)整體淬硬型塑料模具鋼用于壓制熱固性塑料、復(fù)合強化塑料(如尼龍型強化或玻璃纖維強化塑料)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制造。這些材料通過最終熱處理．可保證模具在使用狀態(tài)具有高硬度、高耐磨性和長的使用壽命。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第49頁/共93頁冷模具鋼型用于制造塑料模具的冷模具鋼有T10A、9Mn2V、9SiCr、CrWMn、9CrWMn、Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、7CrSiMnMoV（空淬鋼）、GCr15鋼等。整體淬硬型塑料模具鋼（冷作模具鋼類）的最終熱處理一般為淬火加低溫回火，少數(shù)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。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第50頁/共93頁熱作模具鋼型與冷作模具鋼比較，熱作模具鋼的韌性好，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、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、5CrW2Si鋼等。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第51頁/共93頁熱作模具鋼型這類鋼淬透性高，如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiVS(H11＋S)鋼，當(dāng)鋼材截面尺寸小于150mm時，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。－－注：和預(yù)硬鋼相比，變形很大?。?！熱作模具鋼的最終熱處理一般采用淬火加高溫回火，使基體獲得回火托氏體或回火索氏體組織，以保證鋼材具有較高的韌性。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第52頁/共93頁耐腐蝕型塑料模具鋼在生產(chǎn)以聚氯乙烯、聚苯乙烯、添加阻燃劑為原料的塑料制品時，會產(chǎn)生HCl、SO2、HF等腐蝕性氣體，因此模具材料必須具有一定的耐腐蝕性能。常用來制作塑料模具的耐蝕鋼有3Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2等不銹鋼和馬氏體時效不銹鋼。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第53頁/共93頁一、高碳高鉻型耐蝕鋼常用于制作塑料模具的高碳高鉻型耐蝕鋼有9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V鋼等。高碳高鉻鋼屬于菜氏體鋼。必須通過鍛造使粗大碳化物均勻分布。鋼坯的鍛造加熱溫度為1100-1130℃，始鍛溫度為1050-1080℃，終鍛溫度為850-900℃。鍛后砂冷或灰冷。為降低鍛造后的硬度，改善切削加工性能，并為淬火做好組織準(zhǔn)備，鍛后應(yīng)進(jìn)行球化退火．退火組織為粒狀珠光體和均勻分布的粒狀碳化物，退火硬度為179-255HBS。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第54頁/共93頁高碳高鉻型耐蝕塑模鋼的化學(xué)成分第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第55頁/共93頁二、中碳高鉻型耐蝕鋼—4Cr13屬于馬氏體不銹鋼，嚴(yán)格地講，只能耐大氣和水蒸氣腐蝕。在熱處理后能獲得較高的硬度和耐磨性．可用于制造要求一定耐蝕性能的塑料模具。軟化處理→可采用在750~800℃進(jìn)行高溫回火2~6h，也可采用在875-900℃保溫1-2h。以15~20℃/h的速度冷至低于600℃出爐空冷，退火硬度為170~200HBS。淬火溫度→1040~1060℃?；鼗饻囟取僖蟾哂埠透吣臀g→

200~350℃②要求強度、塑性和沖擊韌性有最佳配合時，→

650~750℃回火。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第56頁/共93頁三、低碳鉻鎳型耐蝕鋼-1Cr17Ni2屬于馬氏體型不銹耐酸鋼，對于氧化酸類、鹽類的水溶液有良好的耐蝕性。具有較高的強度和硬度，耐蝕性能比4Cr13好。缺點→有脆性傾向，焊接性較差。淬火溫度一般為1000℃回火溫度→①要求高硬和高耐蝕→

250~300℃②要求強度、塑性和沖擊韌性有最佳配合時，→

600~700℃回火。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第57頁/共93頁四、0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)鋼馬氏體沉淀硬化型不銹鋼．因碳含量低．耐腐蝕性和焊接性都優(yōu)于馬氏體型不銹鋼，而接近奧氏體不銹鋼。PCR鋼熱處理工藝簡單，經(jīng)1050℃固溶處理后空冷可獲得單一的板條馬氏體組織，硬度為32-35HRC，具有良好的切削加工性能。經(jīng)460-480℃時效處理后，由于馬氏體基體析出富銅相，使強度和硬度進(jìn)一步提高，達(dá)44HRC，可獲得較好的綜合力學(xué)性能。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第58頁/共93頁PCR鋼PCR鋼經(jīng)時效處理后，工件僅有微量變形．其拋光性能良好。拋光后可在300-400℃進(jìn)行PVD表面離子鍍處理，可獲得高于1600Hv的表面硬度。因此，PCR鋼適于制造要求高耐磨、高精度和耐腐蝕的塑料成型模具，如氟塑料、加阻燃劑塑料、聚氯乙烯塑料成型模具。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第59頁/共93頁問題提出→為了↑模具的性能→就要最終熱處理→模具熱處理變形→導(dǎo)致精度↓解決措施→微變形最終熱處理時效硬化固溶處理→變軟(28-34HRC)，可切削加工，成形后進(jìn)行時效處理時效處理→可↑↑力學(xué)性能，變形很小優(yōu)點→可切削、力學(xué)性能好、變形很小焊接性能好、可進(jìn)行滲氮等應(yīng)用→宜制造復(fù)雜、精密塑料模具?！鷥r格高！分類→馬氏體時效鋼析出硬化型時效鋼第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼時效硬化鋼第60頁/共93頁一、馬氏體時效鋼馬氏體時效鋼具有高的強度/密度比、良好的可加工性和焊接性，及簡單的熱處理制度等優(yōu)點，受到宇航工業(yè)的高度重視，得到了迅速的發(fā)展。典型鋼號是18Ni，屈服強度級別為1400-3500MPa→典型牌號有18Ni(200)、18Ni(250)、18Ni(300)、18Ni(350)、06Ni6CrMoVTiAl等。模具對鋼材性能的要求比宇航工業(yè)低的多，為此發(fā)展了一些低鈷、無鈷、低鎳的馬氏體時效鋼，如06Ni6CrMoVTiAl鋼。使成本↓↓↓。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第61頁/共93頁18Ni類鋼的化學(xué)成分和力學(xué)性能

Ni、Co、Mo、Ti、Al第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第62頁/共93頁合金化原則與強化機理？大量加入Ni，確保固溶處理（淬火）后．能獲得單一的M組織、Ni與Mo相互作用形成時效強化相Ni3Mo，Ni≥10％wt后，還可↑↑斷裂韌度。大量加入Co,強化元素→

Mo、Ti、Al強化機理→碳不是強化元素，其強化相為金屬間化合物如：Ni3Mo、Ni3Al、Ni3Ti或NiAl等．馬氏體時效鋼即使很慢冷卻也只能產(chǎn)生馬氏體，不會出現(xiàn)淬透性不足的問題。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第63頁/共93頁馬氏體時效鋼的熱處理工藝第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第64頁/共93頁工藝、性能、及應(yīng)用

馬氏體時效鋼固溶處理后的硬度很低，一般在28HRC左右，可以進(jìn)行切削加工。因時效的溫度較低（480-520℃），對模具表面質(zhì)量的影響不大。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第65頁/共93頁06Ni06Ni6CrMoVTiAl鋼→屬低鎳無鈷馬氏體時效鋼，優(yōu)點：價格比18Ni↓↓↓

熱處理變形小固溶工藝：850℃×1h→空冷26-28HRC

油冷24-25HRC

水冷22-23HRC固溶后的冷卻速度越快，硬度越低，但時效后的硬度卻越高。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第66頁/共93頁06Ni時效工藝→520℃×6h，硬度為43-48HRC組織→板條M加析出的強化相(Ni3Al、Ni3Ti、TiC、TiN)性能→具有良好的綜合力學(xué)性能和一定的耐蝕性能，并可以進(jìn)行滲氮、鍍鉻。應(yīng)用→化工、儀表、輕工、電器、航空航天和國防工業(yè)部門等，用以制作磁帶盒、照相機、電傳打字機等零件的塑料模具。制作的磁帶盒塑料模具使用壽命可達(dá)200萬次以上。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第67頁/共93頁二、析出硬化型時效鋼析出硬化型時效鋼所含的合金元素比馬氏體時效鋼少，特別是Ni含量少得多。在固溶處理狀態(tài)下硬度為30HRC左右，可以進(jìn)行切削加工，制成模具后再進(jìn)行時效處理，使硬度達(dá)到40HRC左右。時效變形量很小，約在0.01％左右，適宜制造高硬度、高強度和高韌性的精密塑料模具。固溶處理的目的在于得到細(xì)小的板條馬氏體．以提高鋼的強韌性；固溶淬火后的馬氏體硬度較高，需進(jìn)行高溫回火降低硬度。鋼材的最終性能通過時效處理得到NiAl相而強化第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第68頁/共93頁1．25CrNi3MoAl鋼低Ni無Co型Ni-Mo-Al系析出硬化型馬氏體時效鋼，適于制造變形率低、鏡面要求高或要求光刻花紋的普通及精密塑料模具。Ni含量低，價格遠(yuǎn)低于馬氏體時效鋼，也低于超低碳中合金時效鋼。調(diào)質(zhì)硬度為230~250HBS，有良好的切削加工性能和電加工性能時效硬度為38-42HRC，時效變形≤0.05％鏡面研磨性好，表面光刻侵蝕性好，光刻花紋清晰焊接修補性好，時效后焊縫硬度和基體硬度相近。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第69頁/共93頁熱處理工藝調(diào)質(zhì)工藝→880℃固溶，水淬或空冷，48－50HRC

680℃×5h回火，硬度為22-23HRC。時效工藝→成形后540x6h時效，39-42HRC，時效變形率約為－0.039％。因時效溫度范圍與滲氮溫度范圍一致。故兩者可同時進(jìn)行，從而提高模具表面的耐磨性和抗咬合能力。制作高精密塑料模具時，與上述工藝相同，只需在半精加工后，進(jìn)行一次650℃×1h的去應(yīng)力處理，時效變形率僅為-0.01～-0.02％。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第70頁/共93頁210Ni3MnCuAlMo(PMS)鋼PMS鋼屬馬氏體析出硬化型鏡面塑料模具鋼，→低的含碳量，金屬間化合物NiA1、CuAl、CuNi等強化。鍛造工藝→加熱溫度為1130-1160℃，始鍛溫度1100－1120℃，終鍛溫度≥850℃。鍛后不必退火，即可進(jìn)行機械加工。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第71頁/共93頁PMS鋼固溶工藝→870℃×1h空淬，硬度30-35HRC時效工藝→成形后490-500℃時效，45HRC有良好的綜合性能和鏡面加工性能，變形極小。因含有Al，特別適宜進(jìn)行表面滲氮或碳氮共滲，硬度可達(dá)1000Hv以上，其時效溫度與滲氮溫度相近，故滲氮時可同時進(jìn)行時效處理。用于要求有高鏡面要求的精密模具，是理想的光學(xué)透明塑料制品的成型模具材料。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第72頁/共93頁PMS鋼焊接性能→優(yōu)異，補焊硬度30HRC左右，機械加工，為模具補焊修復(fù)提供了方便。冷擠成形→碳量在下限時．PMS鋼實際上是一種Fe-Ni-Al-Cu合金，可擠壓成形，對于形狀復(fù)雜的模具，這一優(yōu)點顯得特別重要。鏡面性能→表面粗糙度Ra≤0.05微米，拋磨時間較45鋼可縮短50％，質(zhì)量比45鋼高1倍。表面潔凈耐蝕，圖案蝕刻性能絕佳。耐蝕性→在鹽酸溶液中加熱沸騰時，有極好的耐蝕性能，腐蝕率只有2Crl3鋼的1／6－1／8。第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第73頁/共93頁3．Y20CrNi3A1MnMo(SM2)鋼SM2鋼屬含硫系中合金時效硬化易切削預(yù)硬鋼，它具有良好的綜合力學(xué)性能和加工工藝性能、優(yōu)良的鏡面拋光性能，可滲氮。適用于高精度模具。合金化原則→

Al，時效強化相Ni3A1。

Cr,↑淬透性．

S和Mn，形成易切削相因此，SM2鋼的切削性能和淬透性優(yōu)于PMS鋼，但鏡面性能略低第五章塑料模具用鋼及熱處理第二節(jié)塑料模具鋼第74頁/共93頁SM2鋼鍛造工藝→與SM1鋼相同。固溶工藝→

900℃x2h，油冷，42~45