塑料模具鋼的熱處理

塑料模具成形零件用鋼的特點是:

1) 用鋼非常廣泛。初級階段，沒有專門用于塑料模具零件的鋼種，都是利用其他鋼類鋼種，如結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、不銹鋼、彈簧鋼等等。如今己日趨正規(guī)，專門用鋼已自成體系，在我國即在鋼號前冠以SM(塑模兩字的漢語拼音的首位字母）。其化學(xué)成分與合金工具鋼的鋼號（不冠SM)基本相同，但冶金質(zhì)量較高，加工精良，所以對熱處理有利。

2) 某些塑料模具成形零件對表面質(zhì)量要求特高，要求有良好的可拋光性和鏡面質(zhì)量，所以對鋼的純凈度，碳化物的數(shù)量，大小、形態(tài)要嚴(yán)格控制；如用冷擠壓成形方法制造塑料模具零件時所采用的滲碳鋼，非一般普通滲碳鋼（結(jié)構(gòu)鋼）可比，是特別設(shè)計的專門鋼種，如美國的P2、P4、P6鋼；瑞典的8416;我國代號為LJ鋼等。碳含量特低、塑性形變能力特強，滲碳質(zhì)量要求比普通結(jié)構(gòu)零件高，必須采用有效的碳勢控制，所以增加了熱處理難度和成本；

3) 為避免模具零件在強籾化（淬火回火）過程中的變形或其他熱處理疵病，塑料模具鋼以預(yù)硬化鋼形式供應(yīng)市場已較普遍。這樣較容易地制造高精密的塑模具且降低制造成本。同時，微合金非調(diào)質(zhì)鋼也在塑模具制造中逐漸得到推廣應(yīng)用。

4)以石化產(chǎn)品為原料的塑料制品，都有程度不同的腐蝕性，所以耐蝕鋼（不銹鋼）應(yīng)用也較多。過去用鍍層方法，因成本高，質(zhì)量差，有污染而逐漸淘汰不用。

5) 配合預(yù)硬化鋼、非調(diào)質(zhì)鋼的應(yīng)用，易切削性也是塑料模具鋼的特點，切削加工技術(shù)的進(jìn)步又促進(jìn)了預(yù)硬化鋼、非調(diào)質(zhì)鋼的推廣應(yīng)用。

6) 導(dǎo)熱性和焊接性較好。丨

為滿足塑料模具零件的多種性能要求，塑料模具鋼往往具備多種特性，如既具耐蝕性又是預(yù)硬型，又具有易切削性和高鏡面性。下面分類敘述僅是強調(diào)或突出某一特性，便于介紹而已。

3.4.1預(yù)硬化型塑料模具鋼的熱處理

所謂預(yù)硬化鋼，泛指鋼廠已進(jìn)行最終熱處理（淬火回火或形變熱處理）的鋼材。SM3Cr2Mo鋼是我國最早納標(biāo)也是應(yīng)用很廣的預(yù)硬化型塑料模具鋼。我國某些鋼廠可接受用戶委托，按外國標(biāo)準(zhǔn)或質(zhì)量要求生產(chǎn)P20型鋼，如上海五鋼公司SWP20、長城鋼廠的SCP20等。此鋼源于美國的塑料模具鋼P20。所以習(xí)慣上稱呼P20,而忘了SM3Cr2Mo。世界各先進(jìn)工業(yè)國家都有同類型的鋼種及其改進(jìn)型。鋼號很多，如瑞典一勝百（ASSAB)公司牌號為618鋼；德國的40CrMnMo;奧地利百祿公司的M202、日立金屬公司的HPM2等。所謂P20改進(jìn)型，是指在P20鋼基礎(chǔ)上調(diào)整成分，增加某種元素如Mil、Mo的含量或增添某一元素如Ni等或采用特殊的冶煉加工技術(shù)以改善鋼的性能的“變型鋼種”。

這一類鋼目前占大多數(shù)，如我國的SM3CrNilMo鋼以及按外國標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的企業(yè)牌號；日本大同特鋼的PX4、PX5、ASSAB的718,S136等。法國的CLC2738,德國的40CrMnNiMo7。

預(yù)硬化型的另一品種就是通過微合金化（添加微量合金元素如B、V、Nb等等）然后控制軋制（變形量）和控制軋后的冷卻等方法生產(chǎn)的非調(diào)質(zhì)鋼，代表性鋼號有上海寶鋼的貝氏體非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼B30及其改進(jìn)型。

預(yù)硬化型造料模具鋼（包括我國的非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼）的推廣應(yīng)用，目的就是要省卻用戶熱處理。從而避免了因熱處理帶來的種種麻煩，如果用戶在制成模具零件后再去熱處理（強韌化），就畫蛇添足了。所以對于模具制造者而言，預(yù)硬化型鋼就是“不熱處理鋼”，這種理念非常重要。比如有的塑料模具成形零件圖樣上，既采用了預(yù)硬化鋼SM3Cr2Mo,又提出熱處理技術(shù)要求：硬度30-33HRC,使人疑惑不解。但是如果設(shè)計者在零件圖樣上不標(biāo)注熱處理（硬度）要求，則在零件完成加工后成品入庫時就會漏檢而造成后患。所以預(yù)硬化應(yīng)像易切削鋼（加前綴Y)和保證淬性鋼（加后綴H)那樣在鋼號上有所表示。由于我國實施的三個塑料模具鋼標(biāo)準(zhǔn)對鋼的交貨狀態(tài)有多種不同的形式。①扁鋼（YBa094—1997),非合金塑料模具鋼SM45、SM50、SM55以熱軋狀態(tài)交貨；合金塑料模具鋼（除SM3Cr2Mo、SM3Cr2NiMo、SM2Cr13要供需雙方協(xié)商后可供預(yù)硬化鋼材外）以退火狀態(tài)交貨；②模塊在YB/T129-1997規(guī)定在訂貨合同中協(xié)商規(guī)定，可以是退火狀態(tài)，或預(yù)硬化狀態(tài)，或粗加工狀態(tài)等幾種形式。③塑料模具用厚鋼板（YB/T107—1997)，全部七個鋼號均以熱軋，熱軋緩冷或退火狀態(tài)交貨。即使是SM3Cr2Mo和SM3Cr2NilMo也沒有預(yù)硬化狀態(tài)交貨的。

塑料模具與冷作、熱作模具相比，特點之一是更新?lián)Q代快，要求模具的制造周期短，模具制造周期往往制約模具競爭力的重要因素塑料模具的品種款式多，制造和使用大多是中小企業(yè)，原材料的進(jìn)貨特點是規(guī)格多、數(shù)量少、要求急，都是從模具鋼材代理商、經(jīng)銷商處進(jìn)貨，一般經(jīng)銷商也不可能自設(shè)熱處理工場來進(jìn)行預(yù)硬化處理。所以，名為預(yù)硬化鋼而不以預(yù)硬化狀態(tài)供應(yīng)鋼材，是非常遺憾的。據(jù)了解，國外廠商供應(yīng)的以P20為代表的預(yù)硬鋼，均以預(yù)硬狀態(tài)供貨，不僅如此，為適應(yīng)不同用途或用戶的需要，預(yù)硬化的硬度也有等級，以ASSAB為例，有718(普通預(yù)硬化等級，5更度為290-330HBS)和718HH稍高硬度等級的（硬度為330-370HBS)。日本大同特鋼的Cr-Mo系塑料模具鋼、日立金屬公司公司的HPM系列及FDAC(易切削預(yù)硬型H13鋼），奧地利的M200、M738均如此。可見我國的模具鋼供應(yīng)廠商與外商比還存在差距。

我國寶鋼公司供應(yīng)的預(yù)硬化貝氏體非調(diào)質(zhì)鋼B20(20-23HRC)、B20H(24-27HRC)、B30(28-32HRC)、B30H(33-37HRC)也分二個硬度等級，以適應(yīng)不同用途的需要。

3.4.2易切削塑料模具鋼的熱處理

所謂易切鋼（Free-machingsteel和Freecuttingsteel)是指有目的地添加Pb(鉛)、Se(硒)、Ca(鈣）等元素或者提高含S量改善鋼的可加工性的鋼種。主要用于自動切削機床以提高切削效能。易切削塑料模具鋼則不然，它主要是配合預(yù)硬化鋼的應(yīng)用而產(chǎn)生的，鋼預(yù)硬化后，從性能角度而言希望硬度高，但與被切削加工性有矛盾，所以易切削塑料模具鋼是性能、被切削加工性、成本三者最佳配合的產(chǎn)物。易切削塑料模具鋼一般與預(yù)硬化鋼結(jié)合的。

眾所周知，S、P是鋼的有害雜質(zhì)元素，要盡可能降低，所以提高S含量（同時調(diào)整其他元素如Mn的含量）以改善被切削加工性，但對鋼的使用性能和工藝性能均有不利影響，在用途上受到一定限制。以日本日立金屬公司生產(chǎn)的DAC(JISSKD61即H13鋼）FDAC(易切削SKD61,易切削H13鋼）為例，對比它們的性能和用途即可區(qū)別。

我國機械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T-6057—1992《塑料模具成形部分用鋼及熱處理技術(shù)條件》中推薦的兩種易切削塑料模具鋼5CrNiMnMoVSCa和8Cr2MnWMoVS均未納入《合金工具鋼》（GB/T1299—2000)標(biāo)準(zhǔn)。

8Cr2MnWMoVS(簡稱8CrMn或8Cr2S)鋼，是含S易切削鋼，當(dāng)熱處理到40-42HRC時，其切削加工性相當(dāng)于退火態(tài)的TlOA鋼（200HBS)的加工性。綜合力學(xué)性能亦好，可研磨拋光到尺0.025nm,該鋼有良好的蝕刻性能。

退火：800±10℃保溫2-4h,降溫到700-720℃等溫，保溫4-6h,爐冷。硬度<229HBS。

淬火：880-920℃,空冷，硬度63HRC。

淬火加熱系數(shù)：

鹽浴爐1.5-2.0min/mm;

氣體介質(zhì)爐2.0-2.5min/mm •

回火：一般取160-200℃空冷，硬度>58HRC。

8Cr2MnWoMVS鋼不同溫度回火后的硬度和強度見表3-13。

表3-13 8Cr2MnWMOVS鋼經(jīng)淬火不同溫度回火后的硬度和抗拉強度

高韌性易切削鋼5CrNiMnMoVSCa(簡稱5NiSCa)在預(yù)硬狀態(tài)下（42HRC)仍具有良好的加工性，良好的鏡面拋光性能，拋光可達(dá)凡0.04(Hun,補焊性能好。

退火：760-780℃,保溫2h,670-690℃保溫6-8h,爐冷到≤530℃出爐空冷，硬度217-220HBS。

淬火：860-920℃,油冷或空冷（小零件），硬度≤58HRC,抗拉強度多2100MPa。

5CrNiMnMoVSCa鋼經(jīng)淬火不同溫度回火后的硬度和抗拉強度見表3-14。

表3-14 5CrNiMnMOVSCa鋼回火溫度與硬度的關(guān)系

我國20世紀(jì)90年代研制開發(fā)的S-Ca復(fù)合易切削預(yù)硬型塑料模具鋼（代號P20BSCa)是在P20鋼基礎(chǔ)上添加B、S、Ca的經(jīng)濟(jì)型鋼種。具有優(yōu)良的熱加工性能，易于鍛造。熱處理工藝性能良好，有高的淬透性（含B約0.002%)淬火溫度取860-880℃，油冷。在500-650℃溫度范圍內(nèi)回火,硬度可達(dá)30-40HRC，截面為600mm時，預(yù)硬化處理后心部硬度可達(dá)30HRC以上。由于用S、Ca元素改善切削加工性，在高、低速各種切削條件下可順利進(jìn)行。研磨拋光性能好，焊接和花紋蝕刻性能均好�；净瘜W(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）C0.40%，Mnl.40%，Cr1.40%，Si0.50%，B0.002%，S0.10%，Ca0.008%。綜合學(xué)性能也很好。[20]

3.4.3非合金中碳塑料模具鋼的熱處理

非合金中碳塑料模具鋼其實就是冶金質(zhì)量（純凈度）更高的中碳碳素結(jié)構(gòu)鋼。碳含量0.40%-0.60%，我國已有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)即YB/T094—1997;YB/T107—1997等。如我國上海五鋼公司生產(chǎn)的塑料模具鋼SM50鋼，其碳含量范圍由原來的（優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼50鋼）0.47%-0.53%縮小到0.49%-0.52%，P、S含量也降到≤0.025%,氣體、夾雜和宏觀缺陷少，鍛壓比大。這樣的精制鋼對熱處理工藝和操作是很有利的。對于f型、精度不太高的塑料模具零件，采用碳素鋼是價廉物美易得的首選鋼種。

對于要求耐磨性較高的塑料模具成形零件，則采用碳素工具鋼（T8A或T10A)制造。其熱處理工藝與常規(guī)工藝無異，必須強調(diào)的是熱處理時必須防止氧化脫碳等缺陷，故采用真空熱處理爐或控制氣氛爐為宜。

3.4.4滲碳型塑料模具鋼的熱處理

要求耐磨受沖擊大的塑料模具零件，要求表面硬而心部初，通常采用滲碳鋼制造。一般滲碳零件可以采用結(jié)構(gòu)鋼類的合金滲碳鋼，其熱處理工藝與結(jié)構(gòu)零件基本相同。對于表面質(zhì)量要求很高的塑料模具成形零件，宜采用專門用鋼。滲碳、淬火及回火的表面強化處理特別適用于要求表面硬、耐磨而心部強

籾的零件。但是滲碳淬硬工藝復(fù)雜、周期長、能源消耗大、成本高并且?guī)矸N種熱處理疵病如變形、開裂、后續(xù)磨削加工的磨削裂紋或滲碳層碳含量過高而使碳化物成網(wǎng)狀及粗大等。塑料模具成形零件采用滲碳鋼的目的在于采用冷擠壓成形，以加快制造周期和降低加工成本，不得已而采用碳含量很低的（一般碳平均含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，％)，0.10左右）塑性變形抗力很小的鋼種，軟化退火后硬度S160HBS、復(fù)雜型腔S130HBS)，然后再通過滲碳淬硬來提高使用性能，滿足零件服役需要，冷擠壓成形帶來的好處，足以補償淬碳淬硬工藝的損失。從這個意義而言，塑料模具零件采用滲碳鋼還不如說采用冷擠壓用鋼更確切。如美國P系列鋼。

如果采用結(jié)構(gòu)鋼中的滲碳鋼，用切削加工成形的方法制造模具零件是不經(jīng)濟(jì)的方法。

塑料模具成形零件采用低碳冷擠壓鋼滲碳工藝，必須保證成形面有良好的表面質(zhì)量，滲碳層的碳含量，碳化物的形態(tài)、數(shù)量、大小、分布要嚴(yán)格控制，使有良好的拋光性和鏡面質(zhì)量。為此，熱處理設(shè)備是關(guān)鍵，嚴(yán)格控制工藝過程，特別是碳勢控制，以保證滲碳層的組織要求。滲碳層表面碳含量控制在共折成分為佳，取0.7%-0.9%;碳化物應(yīng)細(xì)小均勻，不允許有網(wǎng)絡(luò)狀或鏈狀、粗大的碳化物；無晶內(nèi)氧化；無過量的殘留奧氏體以及其他組織缺陷。

淬碳工藝可參閱熱處理行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T399hl999《鋼件的滲碳與碳氮共滲淬火回火》；GB/T9450-1998《鋼鐵滲碳淬火有效硬化層深度的測定和校核》等。

滲碳溫度，常規(guī)取900-930℃。淬火溫度由于不同鋼號含合金元素不同而有差異，一般鋼種取790-845℃,油冷�；鼗饻囟雀鶕�(jù)硬度要求，一般鋼種取175-260℃。

非冷擠壓成形的低碳塑料模具鋼如SM3Cr2Mo也能滲碳，滲碳溫度870-900℃,淬火溫度815-870℃,油冷，回火溫度一般取175-260℃，表面硬度可達(dá)58-64HRC,若回火溫度取480-595℃，硬度為28-37HRC。•

3.4.5時效硬化型塑料模具鋼的熱處理

為了減少或避免模具零件熱處理變形和提高模具零件的精度保持性（尺寸穩(wěn)定性），形狀復(fù)雜、高精度、長壽命的塑料模具零件采用時效硬化鋼制造。模具零件在固溶處理后變軟（硬度約為28-34HRC)，便于切削加工成形，然后再時效硬化，獲得所需要的綜合力學(xué)性能。

時效硬化鋼有馬氏體時效硬化鋼和析出硬化型時效硬化鋼兩大類。

1.馬氏體時效硬化鋼

馬氏體時效鋼有高的強度和屈強比，良好的被切削加工性和焊接性，熱處理工藝簡單。典型的鋼種有美國的18Ni系列，我國的牌號為00Nil8Co8Mo3TiAl、00Nil8Co8Mo5TiAl、00Nil8Co9Mo5TiAl、00Nil8Col2Mo4Ti2Al它是通過析出金屬間化合物而強化的。屈服強度可高達(dá)1400-3500MPa。（見第4章)。

這一類鋼價格昂貴。如果制造的模具質(zhì)量高、壽命長，綜合經(jīng)濟(jì)效益很高時常被采用。

為保證模具零件表面質(zhì)量，熱處理應(yīng)在有保護(hù)氣氛爐內(nèi)加熱。

馬氏體時效硬化鋼用作塑料模具的工作零件，建議采用下列工藝：820℃固溶處理，350℃時效3-6h。

時效處理后的變形情況，尺寸變化是有規(guī)律的，在工藝設(shè)計時可預(yù)留變形量來適當(dāng)控制。如18Ni(200)鋼，長度方向收縮約0.04%;18Ni(250)鋼收縮約為0.06%;18Ni(300)和18Ni(350)收縮約為0.08%。

18Ni系列鋼的時效強化效果很明顯。如18Ni(250)鋼在固溶狀態(tài)下，硬度為28HRC，經(jīng)480℃時效3h,硬度可提高到43HRC,保溫時間延長3h或更長，硬度可達(dá)52HRC。

18Ni系列時效鋼還可以通過滲氮進(jìn)一步強化。18Ni(300)鋼的氣體滲氮工藝；455±10℃,24-28h。(參見第4章4.4.4)

2.析出硬化型時效硬化鋼

析出硬化型鋼也是通過固溶處理和時效析出第二相而強化，能滿足某些塑料模具成形零件的要求。市場以40HRC級預(yù)硬化鋼供應(yīng)，仍然有滿意的被切削加工性。這一類鋼的冶金質(zhì)量高，一般都采用特殊冶煉，所以純凈度、鏡面研磨性、蝕刻加工性良好，使模具有良好的精度和精度保持性。其焊接性好，表面和心部的硬度均勻。

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。

鋼的熱處理可分三部分：

1) 第一次固溶處理（也叫淬火）

獲得細(xì)小的板條狀馬氏狀，提高鋼的強韌性。奧氏體化溫度愈高，保溫時間愈長，固溶處理后的硬度愈低，板條狀馬氏體粗大。

2) 第二次固溶處理（也稱回火)。

目的是使馬氏體分解又不使NiAl相脫溶析出。25CrNi3MOAl鋼經(jīng)第二次固溶處理后，淬火馬氏體分解轉(zhuǎn)變成回火馬氏體。第二次固溶處理溫度取650-680℃。隨著回火溫度的升高和回火時間的延長，硬度逐漸下降。在680℃回火4h，硬度降到28HRC;680℃回火6h，硬度降到23HRC。此時極利切削加工。市場上也供應(yīng)經(jīng)第二次回溶處理后的鋼材。

3) 時效處理。

目的是使NiAl相析出而強化。美國P21鋼的時效工藝：510-538℃(950-970°F)，20-24h。

25CrNi3MoAl鋼時效變形率可控制在0.05%以下（收縮)，如果在機加工后經(jīng)消除應(yīng)力處理、變形還可進(jìn)一步減少到0.01%-0.02%。

析出硬化型鋼制的模具零件還可通過滲氮處理進(jìn)一步提高耐磨性、抗咬合能力和模具使用壽命。

美國P21鋼的滲氮溫度可取與時效溫度相同（510-525℃),滲氮時間20-24h。滲氮結(jié)果：有效滲氮層深度約0.15mm，表面硬度接近94HRB15-N。

25CrNi3MoAl鋼如果也取滲氮溫度與時效同一溫度（520-540℃)，同樣可獲得最佳硬度、強度和較高的籾性，滲氮層約0.2mm。滲氮層表面硬度可高達(dá)1100HV。 •

我國名佳利研制的新型析出硬化型塑料模具鋼10Ni3MnCuAl(SMlNi3MnCuAl未納標(biāo)，代號PMS)可與日本同類型的高性能高精密預(yù)硬型塑料模具鋼NAK55、NAK80媲美，但不含貴重合金元素Co。試驗鋼（感應(yīng)爐溶煉再經(jīng)電渣重溶）基本化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（％):C0.10,Ni2.83,Cu0.94,A10.76,Mnl.54,MO0.32,Si0.24,Cr0.09,S0.015,P0.017。加工性能（被切削加工性、熱處理工藝性、拋光性、焊接性、蝕刻性、電加工性、精度保持性等）均較好。添加易切削元素S后，可進(jìn)一步改善切削加工性而對力學(xué)性能無明顯惡化。

熱處理:870℃加熱，保溫Ih固溶處理，510℃，4h時效處理，硬度40-43HRC(以40HRC級預(yù)硬化鋼供應(yīng)市場)。抗拉強度1000-1300MPa。金相組織為板條狀馬氏體基體彌散分布大量細(xì)小化合物。

已納標(biāo)的時效硬化型塑料模具綱SM2CrNi3MOAllS的熱處理見第4章SM2CrNi3MoAllS鋼介紹。

3.4.6耐腐蝕型塑料模具鋼的熱處理

生產(chǎn)對金屬有腐蝕作用的塑料制品時，工作零件釆用耐蝕鋼制造。常用鋼種有已納標(biāo)的SM2Cr13、SM4Cr13和SM3Cr17Mo鋼等可強化的馬氏體型不銹鋼。

耐蝕塑料模具鋼都是在美國不銹鋼420(AISI)基礎(chǔ)上形成的，，如我國的SM2Cr13、SM4Cr13(GB)。曰本的SUS420J1、SUS420J2,大同特鋼的S-STAR(SUS420J2的改進(jìn)型)，日立金屬公司（YSS)預(yù)硬化型西娜一號（CENA1);HPM77,HPM38,HPM38S等。德國蒂森的GS-2083ESR、時效硬化型GS-2808VAR等。

常用的幾種耐腐蝕塑料模具鋼熱處理規(guī)范見表3-15。

需要指出的是用現(xiàn)有不銹鋼標(biāo)準(zhǔn)的鋼號制作高鏡面要求的塑料模具鋼成形零件，表面質(zhì)量的要求是難以滿足的。因此開發(fā)了耐腐蝕鏡面塑料模具鋼。如SM2Cr13,又如已進(jìn)入中國市場的法國CLC2316H鋼[同類型的德國的X39CrMo17(老標(biāo)準(zhǔn)X35CrMo17,W-Nr-1.4122)]日本大同特鋼的G-STAR是預(yù)硬化型的耐腐蝕鏡面塑料模具鋼。基本化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（％):C0.40,

SiO.35,Mn0.90,Cr16.00,MO1.03,SC0.005,P<0.03。類似于我國的SM3Cr17Mo鋼，硬度30-35HRC。鋼經(jīng)精細(xì)冶煉及熱處理，材質(zhì)純凈，組織細(xì)小均勻，具有良好的鏡面性。硬度在300HBS時，屈服強度=855MPa，抗拉強度=993MPa,斷后伸長率13%，斷面收縮率38%。如果要進(jìn)一步改變硬度和力學(xué)性能，可以重新淬火回火，淬火溫度取985-1020℃，油冷或氣冷，回火溫度按力學(xué)性能要求而定。同火需兩次，空冷。

表3-15耐腐蝕塑料模具鋼熱處理規(guī)范