橡塑模具如何选择模具钢（上）
时间:2025-03-08 14:45来源:德松官网 作者:德松模具钢
橡塑模具的使用条件不同，对橡塑模具材料的使用性能要求也各不相同。橡塑模具要求模具材料具有一定的强度、硬度、耐磨性和耐热性能等，同时也要有更好的可加工性、抛光性能等
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随着塑胶制品在各行各业以及我们的日常生活中扮演着越来越重要的角色，对于塑胶模具的需求也随之增加。在制造塑胶产品的过程中，模具的质量直接关系到产品品质。如今的塑料模具正朝着高精密、大尺寸、多腔体的设计趋势发展，这对模具钢材提出了更高的要求。根据不同的塑料种类、产品用途、生产数量、尺寸精准度以及表面质感等因素，选择合适的模具钢材变得非常重要。
A】橡塑模具材料的性能
由于橡塑模具的使用条件不同，对橡塑模具材料的使用性能要求也各不相同。总的来说，要求模具材料应具有一定的强度、硬度、耐磨性和耐热性能等，同时也要求模具材料应具备良好的工艺性能，其中包括可加工性、抛光性能、焊接性能、表面饰纹加工性能、尺寸稳定性和热处理变形小等。这些要求对于制造大型、复杂、高精度的塑料成型模具更为重要。
B】渗碳型橡塑模具钢
渗碳型橡塑模具钢的塑性好，主要用于冷挤压成形的橡塑模具，无需进行切削加工，对于大批量生产同一形状的模具是很有利的，它可缩短模具的制造周期、降低成本，而且模具的互换性好。为了便于冷挤压成形，这类钢在退火状态必须有高的塑性和小的变形抗力，冷加工硬化效应不明显。
成形复杂模腔时，要求退火硬度≤100HBW；成形浅模腔时，要求退火硬度≤160HBW。因此，对这类钢要求有低的碳含量，一般Wc=0.10%~0.25%；钢中的合金元素使铁素体产生固溶强化，这是我们不希望的，因而需要加以选择和限制，铬、镍是比较理想的元素。常用渗碳型橡塑模具钢有20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20CrNi4、LJ钢等。
★ 12CrNi3模具钢
12CrNi3钢是传统的中淬透性合金渗碳钢，冷成形性能属中等。该钢碳含量较低，加入合金元素镍、铬，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，明显提高钢的塑性。该钢的锻造性能良好，锻造加热温度为1200°C，始锻温度1150°C，终锻温度大于850°C，锻后缓冷。
为了提高钢的冷成形性，锻后必须进行软化退火，退火工艺为加热到740~760°C，保温4~6小时后以5~10°C/小时的速度缓冷至600°C，再炉冷至室温，退火后的硬度<160HBW，适于冷挤压成形。
12CrNi3钢也可用来制造切削加工成形的橡塑模具，为了改善切削性能，模坯须经正火处理，正火工艺为加热到880~900°C，保温3~4小时后空冷，正火硬度≤229HBW，切削性能良好。
12CrNi3钢采用气体渗碳工艺时，加热温度为900~920°C，保温6~7小时，可获得0.9~ 1.0mm的渗碳层，渗碳后预冷至800~850°C直接油冷或空冷淬火，淬火后表层硬度可达56~62HRC，心部硬度为250~380HBW。12CrNi3钢主要用于冷挤压成形复杂的浅型腔塑料模具，或用于切削加工成形大、中型塑料模具。
★ 20Cr2Ni4模具钢
20CrNi4钢为高强度合金渗碳钢，有良好的综合力学性能，其淬透性、强韧性均超过12CrNi3钢。该钢可锻性能良好，锻造加热温度为1200°C，始锻温度1150°C，终锻温度大于850°C，锻后缓冷。
20Cr2Ni4钢如在锻后出现晶粒粗大时，即使经正火及随后渗碳加热，在淬火后仍将得到粗大的马氏体组织。而且，当表面碳含量较高时，还易于在粗大奥氏体晶粒的晶界上形成碳化物网。对于此类钢，如锻后发现晶粒粗大，可以用下列热处理工艺加以改善。
即先在640~670°C回火6小时后空冷，以消除锻造后的残余应力。然后以大于20°C/min的速度加热到880~940°C，空冷，再在650~770°C回火，以获得均匀细小的珠光体和少量铁素体组织。
★ LJ钢（0Cr4NiMoV）
LJ钢为冷挤压成形橡塑模具专用钢。LJ钢的碳含量极低，塑性优异，变形抗力低，其冷挤压成形性能与工业纯铁相近，冷挤压成形的模具模腔轮廓清晰、光洁、精度高。钢中的主加元素为Cr，辅加元素为Ni、Mo、V等，合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，提高渗碳层的硬度、耐磨性和心部强度。
LJ钢具有良好的锻造性能和热处理工艺性能。锻造加热温度为1230°C，始锻温度为1200°C，始锻温度为900°C。退火加热温度为880°C，保温2小时，随炉缓冷至650°C出炉空冷，退火硬度为100~105HBW。
LJ钢的渗碳速度快，渗碳速度比20钢快一倍，固体渗碳加热温度为930°C，保温6~8小时，渗后在850~870°C油中淬火，在200~220°C回火2小时，回火后表面硬度为58~60HRC，心部硬度为27~29HRC，热处理变形小。LJ钢主要用来冷挤压成形精密塑料模具，由于渗碳层深度较大，不会出现模腔表面塌陷和内壁咬伤的现象，使用效果良好。
C】预硬型橡塑模具钢
预硬型橡塑模具钢是指将热加工的模块，预先调质处理到一定硬度（一般分为10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四个等级）供货的钢材，待模具成形后，不需再进行最终热处理就可直接使用。从而避免由于热处理而引起的模具变形和开裂，这种钢称预硬化钢。预硬化钢最适宜制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。
常用的预硬型橡塑模具钢有P20模具钢、3Cr2NiMo模具钢、P20BSCa模具钢、P20SRe模具钢、P20S模具钢、5NiSCa模具钢、SM1模具钢、8Cr2MnWMoVS模具钢、H13模具钢等。
预硬化钢的使用硬度一般在30~42HRC范围内，可加工性较差。为了减少机加工工时、延长刀具使用寿命、降低模具成本，中国或国外都研制了一些易切削预硬化钢，即加入硫S、铅Pb、硒Se、钙Ca等合金元素，以改善钢的可加工性。下面介绍几种典型的预硬化橡塑模具钢。
★ P20系列模具钢（3Cr2Mo）
3Cr2Mo钢与美国通用型塑料模具钢P20是同类型钢，具有高的纯洁度，镜面抛光性好，力学性能均匀。该钢含有合金元素铬、钼，故淬透性较好，通常采用调质预硬处理，预硬硬度一般为30~36HRC。将3Cr2Mo钢调质到30HRC以上的硬度，进行机械加工，然后进行抛磨，表面粗糙度可达到R=0.05~0.10um的镜面要求，P20模具钢价廉物美，主要用于制造中、小型橡塑模具，如黑白电视机、大型收录机的外壳和洗衣机面板盖等塑料成型模具。该钢在成形加工后，还可进行镀铬、渗碳、渗氮、气相沉积等表面处理，以提高模具型腔表面的耐磨性。近年来，中国的材料商在3Cr2Mo钢的基础上，研究开发了一系列模具材料，如3Cr2NiMo钢（P4410）、P20BSCa钢、P20SRe钢、3Cr2MnMo钢（GZ943）、3Cr2NiMnMo钢（GZ942）、3Cr2NiMnMoV（GZ941）、P20S钢、P20Ca钢等，初步形成了P20系列模具钢（3Cr2Mo）。
★ P4410模具钢（3Cr2NiMo）
3Cr2NiMo钢是3Cr2Mo钢的改进型，是在3Cr2Mo钢的基础上添加质量分数为0.8% 1.2%的镍而制成的钢种，以提高钢的淬透性、强韧性和耐蚀性。中国研制的P4410钢的成分，与瑞典生产的P20钢改进型钢号718一致。截面厚度为250mm的钢坯经860°C加热淬火后，整个截面的硬度均匀，均为45HRC。
P4410钢有较高的纯洁度，组织致密，镜面抛光性能好，表面粗糙度可达Ra0.01~0.05 um。经预硬化到32~36HRC后，具有良好的车、铣、磨等可加工性。P4410钢可采用火焰局部加热到800~825°C，在空气中自然冷却或压缩空气冷却，使局部表面的硬度达到56~62HRC，以延长模具的使用寿命。也可对模具进行表面镀铬，表面硬度从370~420HV提高到1000HV，显著提高模具的耐磨性和耐蚀性。该钢的焊接工艺性良好，可进行焊补修复。该钢主要用于预硬截面厚度要求大于250mm的橡塑成型模具。
★ SM1模具钢（Y55CrNiMnMoV）
Y55CrNiMnMoV钢属含硫系易切削预硬塑料模具钢，经预硬处理后，硬度一般为35~40HRC。在此硬度下，SM1钢具有高的强韧性、优良的切削性能和镜面抛光性能，模具加工成形后可不再热处理而直接使用。此钢还具有较好的耐蚀性和可渗氮等优点，广泛用于制造高精度橡塑成型模具，如录音机外壳模、洗衣机外壳模、继电器组合件射出模等。SM1钢的碳、铬含量较低，具有比较好的锻造性能，锻造加热温度为1150°C，始锻温度为1050°C，终锻温度≥850°C，锻后需进行球化退火，等温球化退火工艺为缓慢升温到810°C左右，保温2~4小时，冷却到680°C等温4~6小时，炉冷到550°C出炉，退火硬度为200HBW。SM1钢的淬火加热温度为800~860°C，淬火硬度为58HRC，回火温度为620°C，回火硬度为35~40HRC。
★ 5NiSCa模具钢（5CrNiMnMoVSCa）
5NiSCa钢是中国研制的高效新钢种，属于硫、钙复合系易切削预硬化橡塑模具钢。该钢不仅具有良好的切削性能，而且镜面抛光性也好，蚀刻花纹图案清晰逼真，并在使用中有较强的保持模具镜面的能力。5NiSCa钢经880°C加热油淬、600°C回火的预硬处理后，硬度为36~48HRC，具有优良的综合力学性能、耐磨性能、等向性能、切削性能和镜面抛光性能，表面粗糙度可达Ra，0. 05~0.025 um，抛光后的模具，置于大气中容易锈蚀氧化，应及时进行镀铬或渗氮处理，既能保护模腔表面，又能提高表面硬度和耐磨性。5NiSCa钢在高硬度（50HRC以上）仍具有高的韧性及止裂能力，且变形小。
5NiSCa钢的锻造预热温度为800°C，锻造加热温度为1100°C，始锻温度为1070~1100°C，始锻温度为850°C，锻后砂冷。此钢锻造变形抗力小，塑性良好，容易锻造。
5NiSCa钢可用于制作型腔复杂、精密的大、中、小型射出模具、橡皮模具，例如收录机、洗衣机等塑料模具，模具使用寿命超过P20钢，接近进口模具的先进水准。这材料在还没开发出来前，过去依靠进口NAK55及S136镜面钢。现将5NiCa钢预硬处理到40~42HRC后制造模具，使用效果良好，模具质量和使用寿命超过了进口钢材，从而解决了中国内对易切削高精度预硬模具钢的要求。
★ 8Cr2S模具钢（8Cr2MnWMoVS）
8Cr2S钢是中国研制的硫系易切削预硬化高碳钢，该钢不仅用来制作精密零件的冷冲压模具，而且经预硬化后还可以用来制作塑料成型模具。此钢具有高的强韧性、良好的切削性能和镜面抛光性能，具有良好的表面处理性能，可进行渗N、渗B、镀Cr、镀Ni等表面处理。
8Cr2S钢的可锻性，锻造加热温度为1100~1150°C，始锻温度为1060°C，终锻温度≤900°C，锻造后，MnS（硫化锰）沿锻轧方向延伸成条状。等温球化退火工艺为790~810°C加热2小时，然后冷到700°C再保温6~8小时，炉冷到550°C出炉，退火硬度≤229HBW，退火组织为细粒状珠光体。
8Cr2S钢的淬火加热温度为860~920°C，油冷淬火、空冷淬火或在240~280°C硝盐中等温淬火都可以，100mm的钢材空冷淬火可以淬透，淬火硬度为62~64HRC。回火温度可在550~620°C温度范围内选择，回火硬度为40~48HRC。因加有S，预硬硬度为40~48HRC的8Cr2S钢坯，其切削性能与调质到30HRC的碳素钢相近。
★ 空冷12钢和Y82钢
空冷12钢属Mn-B系中高碳空冷贝氏体钢。具有良好的淬透性，在热锻或热轧后（终锻轧900°C）空冷自硬化，再经低温回火，获得高强度、≥50HRC高硬度的细化B/M复相组织，变形极小，并能保持高的抛光性。生产工艺简单、节能、成本低（因省去了淬火重新加热程序）、模具使用寿命长。
Y82钢属Mn-B-S-Ca系中碳低合金易切削空冷预硬型贝氏体钢。采用少量Mn、B合金化，空冷即可获得B/M（贝氏体/马氏体）复相组织，具有优良的强韧性和淬透性。Y82钢加入适量的易切削元素S和Ca，改善了夹杂物的形态，提高了Y82钢的可加工性和抛光性能，Y82钢可以在预硬转状态下加工成形，并可抛光至镜面。其特性与上述的空冷12钢相似。它在热成形后空冷，再经中温回火，获得硬度约40HRC及良好的强韧性配合。可用于电视机壳等模具。
D】整体淬硬型橡塑模具钢
用于压制热固性塑料、复合强化塑料（如尼龙型强化或玻璃纤维强化塑料）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，一般选用高淬透性的冷作模具钢和热作模具钢材制造。这些材料通过最终热处理，可保证模具在使用状态具有高硬度、高耐磨性和长的使用寿命。用于制造塑料模具的冷作模具钢主要有T10A模具钢、9Mn2V模具钢、9SiCr模具钢、CrWMn钢、9CrWMn模具钢、Cr12钢、Cr12MoV模具钢、DC53模具钢、7CrSiMnMoV模具钢、GCr15钢等。
与冷作模具钢比较，热作模具钢的韧度好，淬透性高，回火稳定性高，因此可以进行渗氮，从而大大地提高了模具表面的耐磨性，更适合制造要求高温固化的塑料成型模具。常用于制造塑料模具的热作模具钢有5CrNiMo钢、5CrMnMo钢、4Cr5MoSiV钢、4Cr5MoSiV1钢、5CrW2Si钢等。
这类材料由于淬透性高，如4Cr5MoSiV钢、4Cr5MoSiV1钢、4Cr5MoSiVS钢（H11+S），当钢材截面尺寸小于150mm时，用空冷淬火就可以获得较高的硬度，从而有效地减少模具的热处理变形量，适宜制造复杂、精密的塑料成型模具。热作模具钢的最终热处理一般采用淬火加高温回火，使基体获得回火屈氏体或回火索氏体组织，以保证钢材具有较高的韧度。
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