第4章 塑料模具钢及其热处理

4.1塑料模具的工作条件与性能要求4.1.1塑料模具材料的使用性能要求4.1.2塑料模具材料的工艺性能要求4.2塑料模具材料的选用4.2.1渗碳型塑料模具用钢4.2.2淬硬型塑料模具用钢4.2.3预硬型塑料模具用钢4.2.4时效硬化型塑料模具钢4.2.5耐蚀塑料模具钢4.2.6其它塑料模具材料4.3塑料模具的热处理及实例4.3.1塑料模具的制造工艺路线4.3.2塑料模具的热处理特点4.3.3塑料模的表面处理第4章塑料模具钢及其热处理目录重点1.了塑料模具材料的服役条件、失效特点和性能要求2.合理地选择塑料模具材料及热处理工艺塑料模具用钢及适应的工作条件钢的类型牌号适应的工作条件渗碳钢12CrNi2、12CrNi3A、20Cr、20CrMnMo、20Cr2Ni4A生产批量较大，承受较大动载荷，受磨损较重的模具10、20生产批量较小，精度要求不高，尺寸不大的模具调质钢45、553Cr2Mo、40CrNiMoA、40CrNi2Mo、40CrMnMo、45CrNiMoVA、5CrNiMo、5CrMnMo、40Cr、4Cr5MoVSi、4Cr5MoV1Si、35SiMn2MoVA大型、复杂、生产批量较大的塑料注射或挤压成型模高碳工具钢Cr12、Cr12MoV、CrWMn、9Mn2V、9CrWMn、Cr6WV、Cr4W2MoV、GCr15、SiMnMo热固性塑料模具，生产批量较大，精度要求高及要求高强度、高耐磨的塑料注塑模耐蚀钢4Cr13、9Cr18、9Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14MoV要求耐腐蚀及表面要求较高的模具沉淀硬化不锈钢17-7PH、PH15-7Mo、PH14-8Mo、AM-355马氏体Ni18Co8Mo5TiA1、Ni20Ti2A1Nb、Ni25Ti2A1Nb、Cr5Ni12Mo3TiA1复杂、精密、耐磨、耐腐蚀、超镜面的模具4.1塑料模具的工作条件与性能要求塑料模具材料应具有的性能包括使用性能和工艺性能两方面。4.1.1塑料模具材料的使用性能要求1.硬度、耐磨性和耐蚀性2.强度、韧性和疲劳强度:注射压力30~200MPa，闭模压力1.5~2倍3.耐热性：20~350℃4.尺寸稳定性4.导热性4.1.2塑料模具材料的工艺性能要求1.切削加工性和表面抛光性：预硬35~45HRC后切削加工2.塑性加工性：冷挤压成型，超塑性热挤压成型3.电加工性：电火花、线切割加工4.热处理工艺性4.表面处理工艺性6.表面刻蚀性能和镜面加工性能：非金属夹杂物、基体硬度、组织均匀性的影响7.焊接性能4.1塑料模具的工作条件与性能要求表4-1常用塑料的成型条件中文名称低密度聚乙烯硬质聚氯乙烯聚丙烯聚苯乙烯丙烯腈-丁二烯-苯乙烯英文缩写LDPEPVCPPPSABS烘料温度/℃70~8070~9080~10060~7580~85料筒温度/℃前段170~200170~190200~220170~190180~200中段—165~180180~200—165~180后段140~160160~170160~180140~160150~170模具温度/℃60~7030~6080~9032~6550~80注射压力/MPa60~10080~13070~10060~11060~100说明高压聚乙烯成型条件除了模温宜为35~55℃外，其他均与低压聚乙烯相似——丁苯橡胶改性以及甲基丙烯酸甲酯改性的聚苯乙烯成型条件与上相似该成型条件为加工通用级ABS塑料时所用，苯乙烯一丙烯腈共聚物(AS)成型条件与上相似4.2塑料模具材料的选用1.模具材料选择的基本要求（1）综合性能优良一定的硬度和耐磨性：使模具能够保持其形状和尺寸的稳定;足够的强度和韧性：能承受一定的高压又能承受一定冲击载荷的作用;一定的抗热性能：承受因强烈的摩擦而产生的局部高温。（2）工艺性能良好良好的冷、热加工性能及热处理工艺性能，制造简单方便2.模具材料选择时应考虑的因素（1）模具的工作条件压力的大小、冲击载荷的大小、工作温度及腐蚀情况等。（2）模具的失效形式塑性变形失效、磨损失效、疲劳及断裂失效。（3）模具所加工的产品塑料的种类、批量的大小、质量的高低、（4）模具的结构模具的大小、形状、模具工件的工作性质等。（5）模具的制造工艺（6）现有的设备及技术水平4.2塑料模具材料的选用4.2.1几种典型塑料模具材料4.2.1.1渗碳型塑料模具用钢4.2.1.2淬硬型塑料模具用钢4.2.1.3预硬型塑料模具用钢4.2.1.4时效硬化性塑料模具用钢4.2.1.5耐蚀型塑料模具用钢4.2.1.6调质及其他塑料模具材料塑料模具用钢有哪六种？4.2.1几种典型塑料模具材料表4-2塑料模具用钢分类类别钢种类别钢种渗碳型20,20Cr,20Mn,12CrNi3A,20CrNiMo,DT1,DT2，0Cr4NiMoV预硬型3Cr2Mo，3Cr2NiMo，5NiSCa，Y55CrNiMnMoV(SM1),4Cr5MoSiVS,8Cr2S，8Cr2Mn.WMoVS(8CrMn)调质型SM45,SM50,SM55,45,50,55,40Cr，40Mn，50Mn，S48C，4Cr5MoSiV，38CrMoAlA耐蚀型3Cr13,2Cr13,0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR),1Cr18Ni9,3Cr17Mo,0Cr17Ni4Cu4Nb(74PH)淬硬型T7A,T8A,T10A,5CrNiMo,9SiCr,9CrWMn,GCr15,3Cr2W8V,Cr12MoV,45Cr2NiMoVSi,6CrNiSiMnMoV(GD)时效硬化型18Nil40级，18N1170级，18Ni210级,10Ni3MnCuAlMoS(PMS)，18Ni9Co,06Ni6CrMoVTiAl，25CrNi3MoAlY20CrNi3AlMnMo(SM2)4.2.1几种典型塑料模具材料4.2.1.1渗碳型塑料模具用钢4.2.1几种典型塑料模具用钢4.2.1.1渗碳型塑料模具用钢主要用途：采用冷挤压成型法制造塑料模具。性能要求：高的塑性和低的变形抗力化学成分：低的或超低的碳含量工艺路线：冷挤压成型→渗碳→淬火→回火表面硬度：58～62HRC常用牌号：20，20Cr，20Mn，12CrNi3A，20CrNiMo，DT1，DT2，0Cr4NiMoV国外钢号：8416（瑞典）、P2、P4(美国)重点介绍：0Cr4NiMoV(LJ)钢、12CrNi3A钢（一）0Cr4NiMoV(LJ)钢1.化学成分：表3-3LJ钢的化学成分（质量分数）（%）CMnSiCrNiMoV≤0.08＜0.3＜0.23.6～4.20.3～0.70.2～0.60.08～0.15该钢含碳量很低，因而塑性优异、变形抗力低。钢中主加元素为铬，辅加元素为镍、钼、钒等，合金元素的主要作用是提高淬透性和渗碳能力，增加渗碳层的硬度和耐磨性以及心部的强韧性。4.2.1几种典型塑料模具用钢4.2.1.1渗碳型塑料模具用钢2.工艺性能：LJ钢具有良好的锻造性能和热处理工艺性。•锻造：加热1230℃，始锻：1200℃，终锻：900℃。•退火：加热880℃×2ｈ，炉冷至650℃出炉空冷硬度100～105HBS，可顺利进行冷挤压成形。•渗碳：930℃×(6～8)ｈ,LJ钢渗碳速度快，渗层比20钢深一倍。•淬火：850～870℃油淬•回火：200～220℃×2ｈ表面58～60HRC，心部27～29HRC，变形微小。3.实际应用：用冷挤压法成形制造塑料模具LJ钢冷成形性与工业纯铁相近，模具型腔轮廓清晰、光洁、精度高。LJ钢主要用来替代10、20钢及工业纯铁等冷挤压成形的精密塑料模。由于渗碳淬硬层较深，基体硬度高，不会出现型腔表面塌陷和内壁咬伤现象，使用效果良好。（二）12CrNi3A钢1.化学成分：中淬透性合金渗碳钢该钢含碳量低，加入镍、铬合金元素，以提高钢的淬透性和渗碳层的强韧性，尤其是镍，在产生固溶强化的同时，明显增加钢的塑韧性。与其它冷成形塑料模具钢相比，该钢的冷成形性属于中等。表3-412CrNi3A钢的化学成分（质量分数）（%）CSiMnCrNiP、S0.09～0.160.17～0.370.30～0.600.60～0.902.75～3.25≤0.0252.工艺性能：•锻造工艺：加热1200℃，始锻1150℃，终锻850℃•退火工艺：740～760℃×4～6ｈ,以5～10℃／ｈ的速度缓冷至600℃，再炉冷至室温硬度＜160HBS，适于冷挤压成形。•正火工艺：870～900℃×3～4ｈ后空冷硬度≤229HBS，切削加工性良好。•气体渗碳：900～920℃×6～7ｈ渗碳层：0.9～1.0ｍｍ•淬火工艺：渗碳后预冷至800～850℃直接油淬或空冷表层硬度：56～62HRC心部硬度：250～380HBS，变形微小。3.实际应用：冷挤压成形的形状复杂的浅型腔塑料模具大、中型切削加工成形的塑料模具为了改善切削加工性，模坯须经正火处理，4.2.1.2淬硬型塑料模具用钢1.常用钢种•碳素工具钢：T7A、T8A•高碳低合金冷作模具钢：9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15、7CrSiMnMoV•高耐磨冷作模具钢：Cr12、Cr12MoV•高速钢：W6Mo5Cr4V2•基体钢和某些热作模具钢：65Nb等2.热处理淬火+低温回火（少数采用中温回火或高温回火）硬度：45～50HRC4.2.1几种典型塑料模具材料3.实际应用•碳素工具钢：尺寸较小、受力较小、形状简单、精度要求不高的塑料模具;•低合金冷作模具钢：尺寸较大、形状较复杂、精度较高的塑料模具;•Cr12型钢：高耐磨性的大型、复杂和精密的塑料模具;•基体钢和热作模具钢：较高强韧性和一定耐磨性的塑料模具。•GD钢：新的淬硬型塑料模具钢。该钢强韧性高、淬透性和耐磨性好，淬火变形小，价格低。取代Cr12MoV钢或基体钢制造大型、高耐磨、高精度塑料模具，不仅降低了成本，而且提高了模具的使用寿命。4.2.1几种典型塑料模具材料4.2.1.3预硬型塑料模具用钢预硬钢：就是供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态硬度的钢。特点：在硬度30～40HRC的状态下可以直接进行成型车削、钻孔、铣削、雕刻、精锉等加工，精加工后可直接交付使用，这就完全避免了热处理变形的影响，从而保证了模具的制造精度。典型钢种：3Cr2Mo（P20）钢3Cr2NiMo（P4410）钢8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）钢5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）钢Y55CrNiMnMoV（SM1）钢1.3Cr2Mo（P20）钢3Cr2Mo钢是引进的美国塑料模具钢常用钢号。（1）化学成分及相变点表3-53Cr2Mo钢的化学成分（质量分数）（%）CSiMnCrMoP、S0.28～0.400.20～0.800.60～1.001.40～2.000.30～0.55≤0.030相变点：Ａc1=770℃，Ac3=825℃，Ar1=640℃，Ar3=760℃，Ｍs=300℃，Ｍf=120℃。（2）工艺性能˙锻造：加热1100～1150℃，始锻1050～1100℃，终锻≥850℃，锻后空冷。˙退火：850℃×2～4h+720℃×4～6h，500℃出炉空冷。˙淬火及回火：860～870℃油淬，540～580℃回火。预硬态硬度为30～35HRC。˙化学热处理：渗碳淬火后表面硬度可达65HRC具有较高的热硬度及耐磨性。1.3Cr2Mo（P20）钢（3）力学性能表3-6P20钢室温力学性能(850℃淬火，550℃回火)硬度HRCσb/Mpaσ0.2/MPaδ5(%)ψ(%)αk/(J/cm2)3012501140145811.5（4）实际应用制造大型塑料模具：电视机的外壳模具、洗衣机面板盖模具其切削加工性能及抛光性能均显著优于45钢，在相同抛光条件下，表面粗糙度比45钢低1～3级。制造电视机外壳塑料模具，成型24万模次，模具仍完好无损。1.3Cr2Mo（P20）钢2.3Cr2NiMo（P4410）钢（1）化学成分及相变点3Cr2NiMo钢是3Cr2Mo钢的改进型。国内试制的P4410钢(瑞典生产的718钢)表3-7P4410的化学