塑料模具鋼熱處理
塑料制品已在工業及日常生活中得到廣泛應用。塑料模具已向精密化、大型化方向發展，對塑料模具鋼的性能要求越來越高。塑模鋼的性能應根據塑料種類、制品用途、成型方法和生產批量大小而定。一般要求塑料模具鋼有良好的綜合性能，對模具材料的強度和韌要求不如冷作和熱作模具高，但對材料的加工工藝性能要求高，如熱處理工藝簡便、處理變形小或者不變形、預硬狀態的切削加工性能好、鏡面拋光性能和圖案蝕刻性能優良等。
塑料模具鋼所要求的基本性能如下：
1)綜合力學性能 成型模具在工作過程中要受到不同的溫度、壓力、侵蝕和磨損用。因此要求模具材料組織均勻，無網狀及帶狀碳化物出現，熱處理過程應具有較小的氧化、脫碳及畸變傾向，熱處理以后應具有一定的強度。為保證足夠的抗磨損性能，許多塑料模具經調質后再進行滲氮或鍍鉻等表面強化處理。
2)切削加工性能 對于大型、復雜和精密的注射模具，通常預硬化到28~35hrc之間，再進行切削和磨削加工，至所要求的尺寸和精度后再投人使用，從而排除熱處理變形、氧化和脫碳的缺陷。因此常用加入易切削元素s、co和稀土，以改善預硬的切削加工性能。
3)鏡面加工性 能做光盤和塑料透鏡等塑料制品的表面粗糙度要求很高，主要由模具型腔的粗糙度來保證。一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一級。模具鋼的鏡面加工性能與鋼的純潔度、組織、硬度和鏡面加工技術有關。高的硬度、細小而均勻的顯微組織、非金屬夾雜少，均有利于鏡面拋光性提高。鏡面拋光性要求高的塑料模具鋼常采用真空熔煉、真空除氣。
4)圖案蝕刻性能 某些塑料制品表面要求呈現清晰而豐滿的圖案花紋，皮革工業中大型皮紋壓花版，都要求模具鋼有良好的圖案光刻性能。圖案光刻性能對材質的要求與鏡面拋光性能相似，鋼的純潔度要高，組織要致密，硬度要高。
5)耐蝕性能 含氯和氟的樹脂以及在abs樹脂中添加抗燃劑時，在成型過程中將釋放出有腐蝕性的氣體。因此，這類塑料模具要選用耐蝕塑料模具鋼，或鍍鉻，或采用鎳磷非晶態涂層。
另外，還要求塑料模具鋼有良好的預硬化性能、較高的冷壓性能和補焊性能等。
塑料模具鋼根據化學成分和使用性能，可以分為：滲碳型、預硬化型、耐蝕型、時效硬化型和冷擠壓成形型等。它們的熱處理分述如下。
1.滲碳型塑料模具鋼的熱處理
受沖擊大的塑料模具零件，要求表面硬而心部韌，通常采用滲碳工藝、碳氮共滲工藝等來達到此目的。
一般滲碳零件可采用結構鋼類的合金滲碳鋼，其熱處理工藝與結構零件基本相同。對于表面質量要求很高的塑料模具成型零件，宜采用專門用鋼。熱處理的關鍵是選擇*的滲碳設備，嚴格控制工藝過程，以保證滲碳層的組織和性能要求。
滲碳或碳氮共滲工藝規范可參考熱處理行業工藝標準：jb/t3999-1999《鋼的滲碳與碳氮共滲淬火回火處理》。
常用滲碳型橡塑模具鋼有20、20cr、l2crni2、l2crni3、l2cr2ni4、20cr2ni4鋼等。
1）l2crni3鋼 l2crni3鋼是傳統的中淬透性合金滲碳鋼，冷成形性能屬中等。該鋼碳含量較低，加入合金元素鎳、鉻，以提高鋼的淬透性和滲碳層的強韌性，尤其是加入鎳后，在產生固溶強化的同時，可明顯提高鋼的塑性。該鋼的鍛造性能良好，鍛造加熱溫度為1200℃，始鍛溫度1150℃，終鍛溫度大于850℃，鍛后緩冷。
l2crni3鋼主要用于冷擠壓成形復雜的淺型腔塑料模具，或用于切削加工成形的大、中型塑料模具。采用切削加工制造塑料模具，為了改善切削加工性能，模坯需經正火處理。采用冷擠壓成形型腔，鍛后必須進行軟化退火工藝。
12crni3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℃直接油冷或空冷淬火，淬火后表層硬度可達56~62hrc，心部硬度為250~380hbs。
2）20cr2ni4鋼 20cr2ni4鋼為高強度合金滲碳鋼，有良好的綜合力學性能，其淬透性、強韌性均超過l2crni3鋼。該鋼鍛造性能良好，鍛造加熱溫度為1200℃始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度大于850℃，鍛后緩冷。
2.預硬化型塑料模具鋼的熱處理
預硬型塑料模具鋼是指將熱加工的模塊，預先調質處理到一定硬度(一般分為10hrc、20hrc、30hrc、40hrc四個等級)供貨的鋼材，待模具成形后，不需再進行最終熱處理就可直接使用，從而避免由于熱處理而引起的模具變形和開裂，這種鋼稱預硬化鋼。預硬化鋼宜制作形狀復雜的大、中型精密塑料模具。常用的預硬型橡塑模具鋼有3cr2mo(p20)、3cr2nimo(p4410)、8cr2mnwmovs、4cr5mosivl、p20sre、5nisca等。
1) 3cr2mo鋼 3cr2mo(現為sm3cr2mo)鋼是列入標準的預硬化塑料模具鋼，相當于美國p20鋼，同類型的還有瑞典(assab)的718、德國的40crmnmo7、日本的hpm2鋼等。3cr2 mo鋼是gb/t 1299-1985中惟一的塑料模具鋼，主要用于聚甲醛、abs塑料、醋酸丁酸纖維素、聚碳酸酯(pc)、聚酯(pef)、聚乙烯(dpe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)等熱塑性塑料的注射模具。
我國某廠推薦的3cr2mo鋼的強韌化熱處理工藝：淬火溫度840~880℃，油冷；溫度600~650℃，空冷，硬度28~33hrc。
美國標準(aisi, sae)推薦的p20鋼滲碳后的熱處理工藝：淬火溫度820~870℃，回火溫度150~260℃，空冷，硬度58~64hrc (滲碳層表面硬度)。
2）8cr2mnwmovs (8cr2s)鋼 為了改善預硬化鋼的切削加工性，在保證原有性能的前提下添加一種或幾種易切削合金元素，成為一種易切削型的預硬化鋼。
8cr2s鋼是我國研制的硫系易切削預硬化高碳鋼，該鋼不僅用來制作精密零件的冷沖壓模具，而且經預硬化后還可以用來制作塑料成型模具。此鋼具有高的強韌性、良好的切削加工性能和鏡面拋光性能，具有良好的表面處理性能，可進行滲氮、滲硼、鍍鉻、鍍鎳等表面處理。
8cr2s鋼熱處理到硬度為40~42hrc時，其切削加工性相當于退火態的tl0a鋼(200hbs)的加工性。綜合力學性能好，可研磨拋光到ra0.025μm，該鋼有良好的光刻浸蝕性能。
8cr2s鋼的淬火加熱溫度為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的鋼材空冷淬火可以淬透，淬火硬度為62~64hrc?；鼗饻囟瓤稍?50~620℃溫度范圍內選擇，回火硬度為40~48hrc。因加有s，預硬硬度為40~48hrc的8cr2s鋼坯，其機械加工性能與調質到30hrc的碳素鋼相近。
3.時效硬化型塑料模具鋼的熱處理
對于復雜、精密、高壽命的塑料模具，模具材料在使用狀態必須有高的綜合力學性能，為此，必須采用最終熱處理。但是，采用一般的最終熱處理工藝，往往導致模具的熱處理變形，模具的精度就很難達到要求。而時效硬化型橡塑模具鋼在固溶處理后變軟(一般為28~34hrc)，可進行切削加工，待冷加工成形后進行時效處理，可獲得很高的綜合力學性能。時效熱處理變形很小，而且該類鋼一般具有焊接性能好，可以進行滲氮等優點。適合于制造復雜、精密、高壽命的塑料模具。
時效硬化型塑料模具鋼有馬氏體時效硬化鋼和析出（沉淀）硬化鋼兩大類。
1)馬氏體時效硬化鋼 馬氏體時效硬化鋼有屈強度比高、切削加工性和焊接性能良好、熱處理工藝簡單等優點。典型的鋼種是18ni系列，屈服強度可高達1400~3500mpa。這一類鋼制造模具雖然價格昂貴，但由于使用壽命長，綜合經濟效益仍然很高。
2)析出(沉淀)硬化鋼 析出硬化型鋼也是通過固溶處理和沉淀析出第二相而強化，硬度在37~43hrc左右，能滿足某些塑料模具成型零件的要求。市場以40hrc級預硬化供應，仍然有滿意的切削加工性。這一類鋼的冶金質量高，一般都采用特殊冶煉，所以純度、鏡面研磨性、蝕花加工性良好，使模具有良好的精度和精度保持性。其焊接性好，表和心部的硬度均勻。
析出硬化型塑料模具鋼的代表性鋼號有25crni3moal，屬低碳中合金鋼，相當于美國p21鋼。析出硬化型鋼制的模具零件還可通過滲氮處理進一步提高耐磨性、抗咬合能力和模具使用壽命。
4.耐腐蝕型塑料模具鋼的熱處理
生產對金屬有腐蝕作用的塑料制品時，工作零件采用耐蝕鋼制造。常用鋼種有crl3型
和9crl8鋼等可強化的馬氏體型不銹鋼。
9.1.4耐腐蝕塑料模具鋼的熱處理規范
序號
鋼號
熱處理
硬度
備注
1
crl3系列
980~1050℃油冷，650~700℃回火，油冷?？蛇M行滲氮提高表面硬度和耐磨性,但耐蝕性會下降
229~341hbs
2
9crl8
850℃預熱，1050~1100℃奧氏體化油冷,—80℃冷處理，160~260℃回火3h，130~140℃去應力退火15~20h
58~62hr
3
s-star
次預熱500℃，第二次預熱80℃，奧氏體化溫度1020~1070℃，空冷、油冷或氣冷均可，回火：①要求酎蝕性，200~400℃回火,按60~90min/25mm;②要求高硬度，490~510℃回火,按50~90min/25mm
精度保持要求高的模具零件需進行冷處理
以預硬化鋼交貨, 31~34hrc；淬火回火態交貨,≤229hbs
日本大同特特鋼公司
需要指出的是，用現有不銹鋼標準的鋼號制作高鏡面要求的塑料模具鋼成型零件，其表面質量的要求是難以滿足的。因此開發了耐腐蝕鏡面塑料模具鋼。例如已進入中國市場的法國clc2 316 h鋼(同類型的德國x36crmol7)，是預硬化型的抗腐蝕鏡面塑料模具鋼。
耐腐蝕塑料模具鋼零件的熱處理與一般不銹鋼制品的熱處理基本相同，其熱處理工藝可以參考我國行業標準:熱處理工藝標準在zb/t36017-1990《不銹鋼和耐熱鋼熱處理》。
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1)綜合力學性能 成型模具在工作過程中要受到不同的溫度、壓力、侵蝕和磨損用。因此要求模具材料組織均勻，無網狀及帶狀碳化物出現，熱處理過程應具有較小的氧化、脫碳及畸變傾向，熱處理以后應具有一定的強度。為保證足夠的抗磨損性能，許多塑料模具經調質后再進行滲氮或鍍鉻等表面強化處理。
2)切削加工性能 對于大型、復雜和精密的注射模具，通常預硬化到28~35hrc之間，再進行切削和磨削加工，至所要求的尺寸和精度后再投人使用，從而排除熱處理變形、氧化和脫碳的缺陷。因此常用加入易切削元素s、co和稀土，以改善預硬的切削加工性能。
3)鏡面加工性 能做光盤和塑料透鏡等塑料制品的表面粗糙度要求很高，主要由模具型腔的粗糙度來保證。一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一級。模具鋼的鏡面加工性能與鋼的純潔度、組織、硬度和鏡面加工技術有關。高的硬度、細小而均勻的顯微組織、非金屬夾雜少，均有利于鏡面拋光性提高。鏡面拋光性要求高的塑料模具鋼常采用真空熔煉、真空除氣。
4)圖案蝕刻性能 某些塑料制品表面要求呈現清晰而豐滿的圖案花紋，皮革工業中大型皮紋壓花版，都要求模具鋼有良好的圖案光刻性能。圖案光刻性能對材質的要求與鏡面拋光性能相似，鋼的純潔度要高，組織要致密，硬度要高。
5)耐蝕性能 含氯和氟的樹脂以及在abs樹脂中添加抗燃劑時，在成型過程中將釋放出有腐蝕性的氣體。因此，這類塑料模具要選用耐蝕塑料模具鋼，或鍍鉻，或采用鎳磷非晶態涂層。
另外，還要求塑料模具鋼有良好的預硬化性能、較高的冷壓性能和補焊性能等。
塑料模具鋼根據化學成分和使用性能，可以分為：滲碳型、預硬化型、耐蝕型、時效硬化型和冷擠壓成形型等。它們的熱處理分述如下。
1.滲碳型塑料模具鋼的熱處理
受沖擊大的塑料模具零件，要求表面硬而心部韌，通常采用滲碳工藝、碳氮共滲工藝等來達到此目的。
一般滲碳零件可采用結構鋼類的合金滲碳鋼，其熱處理工藝與結構零件基本相同。對于表面質量要求很高的塑料模具成型零件，宜采用專門用鋼。熱處理的關鍵是選擇*的滲碳設備，嚴格控制工藝過程，以保證滲碳層的組織和性能要求。
滲碳或碳氮共滲工藝規范可參考熱處理行業工藝標準：jb/t3999-1999《鋼的滲碳與碳氮共滲淬火回火處理》。
常用滲碳型橡塑模具鋼有20、20cr、l2crni2、l2crni3、l2cr2ni4、20cr2ni4鋼等。
1）l2crni3鋼 l2crni3鋼是傳統的中淬透性合金滲碳鋼，冷成形性能屬中等。該鋼碳含量較低，加入合金元素鎳、鉻，以提高鋼的淬透性和滲碳層的強韌性，尤其是加入鎳后，在產生固溶強化的同時，可明顯提高鋼的塑性。該鋼的鍛造性能良好，鍛造加熱溫度為1200℃，始鍛溫度1150℃，終鍛溫度大于850℃，鍛后緩冷。
l2crni3鋼主要用于冷擠壓成形復雜的淺型腔塑料模具，或用于切削加工成形的大、中型塑料模具。采用切削加工制造塑料模具，為了改善切削加工性能，模坯需經正火處理。采用冷擠壓成形型腔，鍛后必須進行軟化退火工藝。
12crni3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℃直接油冷或空冷淬火，淬火后表層硬度可達56~62hrc，心部硬度為250~380hbs。
2）20cr2ni4鋼 20cr2ni4鋼為高強度合金滲碳鋼，有良好的綜合力學性能，其淬透性、強韌性均超過l2crni3鋼。該鋼鍛造性能良好，鍛造加熱溫度為1200℃始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度大于850℃，鍛后緩冷。
2.預硬化型塑料模具鋼的熱處理
預硬型塑料模具鋼是指將熱加工的模塊，預先調質處理到一定硬度(一般分為10hrc、20hrc、30hrc、40hrc四個等級)供貨的鋼材，待模具成形后，不需再進行最終熱處理就可直接使用，從而避免由于熱處理而引起的模具變形和開裂，這種鋼稱預硬化鋼。預硬化鋼宜制作形狀復雜的大、中型精密塑料模具。常用的預硬型橡塑模具鋼有3cr2mo(p20)、3cr2nimo(p4410)、8cr2mnwmovs、4cr5mosivl、p20sre、5nisca等。
1) 3cr2mo鋼 3cr2mo(現為sm3cr2mo)鋼是列入標準的預硬化塑料模具鋼，相當于美國p20鋼，同類型的還有瑞典(assab)的718、德國的40crmnmo7、日本的hpm2鋼等。3cr2 mo鋼是gb/t 1299-1985中惟一的塑料模具鋼，主要用于聚甲醛、abs塑料、醋酸丁酸纖維素、聚碳酸酯(pc)、聚酯(pef)、聚乙烯(dpe)、聚丙烯(pp)、聚氯乙烯(pvc)等熱塑性塑料的注射模具。
我國某廠推薦的3cr2mo鋼的強韌化熱處理工藝：淬火溫度840~880℃，油冷；溫度600~650℃，空冷，硬度28~33hrc。
美國標準(aisi, sae)推薦的p20鋼滲碳后的熱處理工藝：淬火溫度820~870℃，回火溫度150~260℃，空冷，硬度58~64hrc (滲碳層表面硬度)。
2）8cr2mnwmovs (8cr2s)鋼 為了改善預硬化鋼的切削加工性，在保證原有性能的前提下添加一種或幾種易切削合金元素，成為一種易切削型的預硬化鋼。
8cr2s鋼是我國研制的硫系易切削預硬化高碳鋼，該鋼不僅用來制作精密零件的冷沖壓模具，而且經預硬化后還可以用來制作塑料成型模具。此鋼具有高的強韌性、良好的切削加工性能和鏡面拋光性能，具有良好的表面處理性能，可進行滲氮、滲硼、鍍鉻、鍍鎳等表面處理。
8cr2s鋼熱處理到硬度為40~42hrc時，其切削加工性相當于退火態的tl0a鋼(200hbs)的加工性。綜合力學性能好，可研磨拋光到ra0.025μm，該鋼有良好的光刻浸蝕性能。
8cr2s鋼的淬火加熱溫度為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的鋼材空冷淬火可以淬透，淬火硬度為62~64hrc?；鼗饻囟瓤稍?50~620℃溫度范圍內選擇，回火硬度為40~48hrc。因加有s，預硬硬度為40~48hrc的8cr2s鋼坯，其機械加工性能與調質到30hrc的碳素鋼相近。
3.時效硬化型塑料模具鋼的熱處理
對于復雜、精密、高壽命的塑料模具，模具材料在使用狀態必須有高的綜合力學性能，為此，必須采用最終熱處理。但是，采用一般的最終熱處理工藝，往往導致模具的熱處理變形，模具的精度就很難達到要求。而時效硬化型橡塑模具鋼在固溶處理后變軟(一般為28~34hrc)，可進行切削加工，待冷加工成形后進行時效處理，可獲得很高的綜合力學性能。時效熱處理變形很小，而且該類鋼一般具有焊接性能好，可以進行滲氮等優點。適合于制造復雜、精密、高壽命的塑料模具。
時效硬化型塑料模具鋼有馬氏體時效硬化鋼和析出（沉淀）硬化鋼兩大類。
1)馬氏體時效硬化鋼 馬氏體時效硬化鋼有屈強度比高、切削加工性和焊接性能良好、熱處理工藝簡單等優點。典型的鋼種是18ni系列，屈服強度可高達1400~3500mpa。這一類鋼制造模具雖然價格昂貴，但由于使用壽命長，綜合經濟效益仍然很高。
2)析出(沉淀)硬化鋼 析出硬化型鋼也是通過固溶處理和沉淀析出第二相而強化，硬度在37~43hrc左右，能滿足某些塑料模具成型零件的要求。市場以40hrc級預硬化供應，仍然有滿意的切削加工性。這一類鋼的冶金質量高，一般都采用特殊冶煉，所以純度、鏡面研磨性、蝕花加工性良好，使模具有良好的精度和精度保持性。其焊接性好，表和心部的硬度均勻。
析出硬化型塑料模具鋼的代表性鋼號有25crni3moal，屬低碳中合金鋼，相當于美國p21鋼。析出硬化型鋼制的模具零件還可通過滲氮處理進一步提高耐磨性、抗咬合能力和模具使用壽命。
4.耐腐蝕型塑料模具鋼的熱處理
生產對金屬有腐蝕作用的塑料制品時，工作零件采用耐蝕鋼制造。常用鋼種有crl3型
和9crl8鋼等可強化的馬氏體型不銹鋼。
9.1.4耐腐蝕塑料模具鋼的熱處理規范
序號
鋼號
熱處理
硬度
備注
1
crl3系列
980~1050℃油冷，650~700℃回火，油冷?？蛇M行滲氮提高表面硬度和耐磨性,但耐蝕性會下降
229~341hbs
2
9crl8
850℃預熱，1050~1100℃奧氏體化油冷,—80℃冷處理，160~260℃回火3h，130~140℃去應力退火15~20h
58~62hr
3
s-star
次預熱500℃，第二次預熱80℃，奧氏體化溫度1020~1070℃，空冷、油冷或氣冷均可，回火：①要求酎蝕性，200~400℃回火,按60~90min/25mm;②要求高硬度，490~510℃回火,按50~90min/25mm
精度保持要求高的模具零件需進行冷處理
以預硬化鋼交貨, 31~34hrc；淬火回火態交貨,≤229hbs
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耐腐蝕塑料模具鋼零件的熱處理與一般不銹鋼制品的熱處理基本相同，其熱處理工藝可以參考我國行業標準:熱處理工藝標準在zb/t36017-1990《不銹鋼和耐熱鋼熱處理》。
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