做和塑料模具材料的研制与应用

塑料模具材料的研制与应用

1前言

改革开放以来，我国塑料工业迅速发展，对塑料模具材料(主要是钢材)的需求量越来越大，并对钢的质量和性能要求越来越高。目前用户使用的塑料模具钢有国产的，也有进口的，年消耗量很大。近十几年来，国内许多单位在研制新型塑料模具钢、提高冶金质量、优化热处理工艺、提高模具寿命等方面做了大量的工作，为用户提供了很多质优价廉的塑料模具钢，获得了明显的技术经济效益。

塑料模具钢的开发研制有两种方式：

(1)根据钢的合金化成分设计原理并结合我国资源与冶金技术的实情，研制高性能、长寿命、尽量少用贵重合金元素的新钢种。

(2)引进国外一些性能优良的钢种，进行国产化研制，以取代价格昂贵的进口钢材。

本文系统地介绍我国塑料模具材料的研制与应用概况，以便进一步推广应用。

2塑料模具材料概述

2.1塑料模具材料的分类和特点

(1)模具钢见图1。

(2)有色合金导热性好，制模容易，成本低。可选用国家标准中有关铸造或锻造的铜基、铝基、锌基合金。

(3)钢结硬质合金以合金钢粉末作粘结相，以金属碳化物(WC，TiC)作硬质相，直接模压及烧结成为模具型腔。它可热处理，具有高硬度、高耐磨性和一定的韧性，但表面抛光有限，用于以玻璃纤维为填料的增强塑料模具，但价格较贵，可按国家标准 GB／T10417 89碳化钨钢结硬质合金 选用，非标准牌号可从文献［1，2］中选用。

(4)镍基合金非常耐蚀耐磨，但是价格昂贵。可按国家标准 GB／T15007 94耐蚀合金牌号 选用。

2.2塑料模具钢的性能要求

(1)材料高度纯洁，组织均匀4.2.2 楔形夹具及附件 用于室温下平板及圆形试样的夹持致密，无状及带状碳化物，无孔洞疏松及白点等缺陷。

(2)应具有良好的热加工工艺性能，热处理变形少，尺寸稳定性好。

(3)淬透性高，热处理后应具有高的强韧性、高的硬度和耐磨性，等向性能好。

(4)在硬化状态下应具有良好的镜面抛光性(成型面表面粗糙度Ra 0.100 m)及花纹图案蚀刻性。这2种特性主要取决于钢的硬度、纯净度、晶粒度、夹杂物形态、组织致密性和均匀性等因素。其中高的硬度及细的晶粒，均有利于镜面抛光。

(5)预硬后应具有良好的切削加工性。

(6)应具有良好的耐氟氯腐蚀性和一定的耐热性。

2.3我国塑料模具钢的应用与市场概况

目前大量应用的预硬化钢，是在钢厂预先热处理到一定的硬度供货的钢材。其中易切削钢预硬硬度为35～50HRC，一般切削钢预硬硬度为28～35HRC，然后由用户直接作切削加工成型，不再淬火，因而可有效地避免模具淬火变形开裂，并能缩短制模周期、节约能源和降低生产成本。

据有关信息报道，目前有相当一部分关键的大型、精密、复杂、长寿命的模具(例如56cm以上的彩色电视机壳体塑料模具)要依靠进口［3］。根据不完全统计，仅珠江三角洲近百间塑胶模具厂(包括中外合资厂)，每年从国外进口高级塑胶模具钢多达3000～5000t，其价格高达5.8～6万元／t［4］。因此，为适应市场需求，必须大量生产应用面广的优质塑料模具钢，以物美价廉来提高市场竞争力，逐步以国产钢材取代价格昂贵的进口钢材。

2.4易切削预硬化塑料模具钢的类型和特性

为了改善钢的被切削性，可向钢中添加易切削元素，形成易切削相。常用的有：

(1)S系易切削钢在含S钢中加适量的Mn(Mn／S 4)，由于形成较多的低强度MnS夹杂，破坏钢的基体连续性，并降低刀具与材料间的摩擦系数，所以其切削性能优良，但使钢的横向力学性能下降［5，6］。

(2)Ca系易切削钢钢在熔炼脱氧时，加入微量的Ca，通过改变氧化物、硫化物夹杂物的性态来改善钢的切削性。该钢较纯净，对力学性能没有不利的影响［6］。

(3)Ca-S复合系易切削钢在含S钢中加适量的Ca，可对MnS形态进行变质处理，使其由长条状变为纺锤状并均匀分布，改善了钢的等向性能并易于切削。研究表明：这些纺锤状的(Mn，Ca)S夹杂基本不影响钢的镜面抛光性，其原因可能是(Mn，Ca)S相在磨削和抛光过程中起 固体润滑剂 作用的结果［7，8］。

(4)Re-S复合系易切削钢钢中加入适量的Re能使钢净化及细化组织，并对硫化物夹杂有变质作用，使MnS转变成球状分布的稀土硫化物、稀土氧硫化物以及纺锤状的(Re，Mn)S夹杂物，使钢易于切削，并改善钢的横向力学性能［6］。

(5)Re-Ca-S复合系易切削钢由于Ca、Re的变性作用，钢中生成球状或纺锤状的(Mn，Ca)S-Re2S3夹杂物并均匀分布，使钢具有优良的切削加工性和镜面抛光性但其实这些材料并不是国内不能生产，并显著改善钢的横向力学性能［9，10］。上述的易切削钢中有4种含有硫(0.06%～0.15%)，含硫钢与低硫钢相比，前者具有较低的冲击韧度。但由塑料模具的使用条件可知，塑料制品在注塑成型过程中所受的冲击载荷是很小的，这种韧性的下降并不影响模具的寿命［5］。此外，含硫钢的表面抛光性要比低硫钢的稍差一些(在相同硬度下比较)，但含硫钢可选用较高的预硬硬度来满足镜面加工的要求。还有含硫钢的防腐蚀能力稍差，抛光后应注意模具的防锈保养。

3已纳入技术标准的塑料模具钢简介

3.1已纳标的塑料模具专用钢

经过国内多年来的研制和吸收外国先进经验，形成的塑料模具钢专用系列已分别纳入有关技术标准中，包括：

(1)国家标准：GB1299 85合金工具钢。

(2)机电部行业标准：JB／T6057 92塑料模具成型部分用钢及其热处理。

(3)冶金部行业标准：YB／T094 1997塑料模具用扁钢。

(4)冶金部行业标准：YB／T107 1997塑料模具用热轧厚钢板。

(5)冶金部行业标准：YB／T129 1997塑料模具钢模块。

上述5个标准中的相关钢号详见表1。

3.2我国研制的已纳标的借用塑料模具钢

根据需要，塑料模具也可借用其它标准的一些钢种来制造。例如：

(1) GB1299 85合金工具钢 中的冷作模具钢和无磁钢可用于制作最终淬硬的高耐磨塑料模具，如Cr4W2MoV、6Cr4W3Mo2VNb、6W6Mo5Cr4V、5Cr4Mo3SiMnVAl、7Mn15Cr2Al3V2WMo钢。

(2) JB／T6058 92冲模用钢及其热处理 中的微变形高耐磨钢7CrSiMnMoV等。

4未纳入标准的新型塑料模具专用材料

近年来国内有关单位为了不同用途的模具的需要，研制了多种新型塑料模具材料供试用。已发表的举例如下：

4.1华中理工大学研制的新钢种

(1)P20BSCa属大截面易切削预硬钢，它是在P20钢的基础上增加适量的Mn及加入微量的V、B而制成。具有良好的淬透性、高的强韧性，特别适合于大型或超大型塑料模具的使用［5，12］。

(2)P20SRe属易切削预硬钢，它是在P20钢的基础上增加适量的Mn而制成。可满足大截面塑料模具钢的常规性能要求［13］。

(3)FT属易切削非调质微合金化钢，平均质量分数为(w%)：0.21C-2.0Mn-1.0Cr-0.1V-0.04Ti-0.05Al＋微量S-Ca-Re。该钢不需作调质处理，经锻轧后空冷，可获得细化的B／F复相组织，即可达到所需的预硬硬度30～38HRC，生产成本低，具有良好的强韧性和抛光性能［9］。

(4)0Cr4NiMoV(LJ)属冷挤压成型钢。模具精度高、表面质量好，适用于具有复杂型腔的模具［7，14］。

(5)TG2属塑料模具标准顶杆专用钢，平均质量分数为(w%)：0.56C-1.4Cr-0.25Mo-V，Mn、Si适量。热处理为整体淬火加中温回火，并可再加以表面淬火或渗氮［15］。

(6)25CrNi3MoAl(低S)属低镍时效硬化高精密镜面塑料模具钢，用于高精度长寿命的模具、透明塑料用模具［2，7］。该钢原设计含 0.03%S，但在纳入YB／T094 1997标准时，改为含 0.100%S。

4.2上海材料研究所研制的新钢种

(1)10Ni3MnCuAlMo(PMS)钢属马氏体析出硬化型镜面塑料模具钢，分为低硫钢和含硫钢2种。淬透性高，经固溶及时效处理后，预硬硬度为30～45HRC，具有良好的综合性能和镜面加工性能，且变形极少。还适宜进行渗氮，其时效温度与渗氮温度相近，故渗氮时可同时进行时效处理。用于要求有高镜面的精密模具，例如光学透明塑料镜片模具［2，16］。

(2)0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属马氏体时效析出硬化不锈钢，在钢中添加了特殊元素锆(0.3%Zr)，能细化晶粒、提高钢在含有氟氯离子或卤化物腐蚀介质环境中的耐腐蚀能力，其耐蚀性大大优于美国PH钢。该钢经固溶和时效后，具有优良的综合力学性能，变形小，切削加工性及表面抛光性好。用于高硬度、耐腐蚀的精密塑料模具［17］。

表1我国塑料模具钢牌号对照和特性

注：①5CrNiMnMoVSCa钢是我国研制的高效新钢种，属易切削预硬化精密塑料模具钢。在预硬状态下(36～48HRC)，具有良好的综合力学性能、耐磨性能、等向性能、切削性能和镜面抛光性能。用于大、中、小型高精度模具，例如收录机、洗衣机等塑料的模具，其质量和使用寿命达到进口模具的先进水平。［2，8，11］②高碳钢是在退火态下粗加工，然后淬火低温回火至高硬度，再精加工。获得高的耐磨性和镜面抛光性。4.3冶金部钢铁研究总院研制的新钢种

06Ni6CrMoVTiAl钢属低镍马氏体时效钢。经固溶处理后精加工，然后作时效处理，获得高硬度(42～47HRC)及良好的综合力学性能，还具有良好的切削加工性、抛光性和渗氮性能。用于精密复杂的塑料模具，例如磁带盒及照相机模［2］。

4.4清华大学研制的新钢种 空冷贝氏体钢

(1)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℃)空冷自硬化，再经低温回火，获得高强度、高硬度( 50HRC)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工序)、模具寿命长［18］。

(2)Y82钢属Mn-B-S-Ca系中碳低合金易切削空冷贝氏体钢。其特性与上述的空冷12钢相似。它在热成型后空冷，再经中温回火，获得硬度约40HRC及良好的强韧性配合。如用于电视机壳模具［19］。

具有技术高度密集、研究与开发投入高时间长、影响面大 4.5上海钢铁研究所研制的新钢种

(1)Y55CrNiMnMoV(SM1)钢属含硫系易切削预硬钢，可渗氮，它具有良好的抛光性，用于高精度模具［20］。

(2)Y20CrNi3AlMnMo(SM2)钢属含硫系中合金时效硬化易切削预硬钢，它具有高的强韧性、优良的镜面抛光性，可渗氮。用于高精度模具［20］。

4.6广州广重企业集团铸锻公司研制的新钢种

该公司经过市场调查发现，广东地区近几年来对高级塑料模具钢的需求量很大，其中相当大一部分要进口，其广泛应用的牌号主要为：ASTM-P20、ASSAB-718、GS-738等预硬钢。该公司对这3种钢进行了国产化研制，优化化学成分，采用电弧炉熔炼、电渣炉重熔、锻压成坯及调质预硬的工艺，产品质量达到进口的同类材料的水平，价格比进口钢便宜1／3～1／2［4］，详见表2［21］。

表2广州广重企业集团铸锻公司塑料模具钢

注：①以上但也许3种钢均含1.5%Mn，可提高淬透性。②调质预硬状态交货硬度：280HBC～325HBC，或由供需双方协商确定。

4.7国内其它单位研制的新钢种

4Cr5MoSiVS(H11＋S)钢属易切削预硬钢，用于要求耐热耐磨的大中型塑料模［22］。

4.8国内研制的一些新型有色合金

(1)河北省二轻工业研究所试制的铸造锌基合金(4%Al-3%Cu-0.05%Mg)。制模后可在模具表面直接电镀硬铬，制模周期短、成本低。用于型腔复杂的吹塑、吸塑模［23］。

(2)福建省二轻工业研究所试制的析出硬化型铜基合金(3.5%～6.0%Ti，＜0.2%Ni)。经固溶处理后冷压成型，再时效硬化。模具型腔质量好［24］。

5结论和建议

(1)根据我国国情研制高性能、长寿命、高的性能价格比和高效的新型塑料模具钢，以及对国外优良钢种国产化，取代昂贵的进口钢材，将会带来明显的技术效果和经济效益。

(2)我国研制的一些新型塑料模具钢的性能和寿命已达到或接近国外先进水平，但其产量和品种规格仍未能满足塑料模具工业发展的需要。因此，建议积极开展新钢种的信息交流，大量增加用途广泛、性能优良钢材的供应，努力实现规格多样化、精品化及制品化，以便迅速推广应用。

(3)我国的Mn、V、Ti、B、Re、Nb等合金资源丰富，微合金非调质易切削预硬化塑料模具钢的研制和应用，可节约能源及贵重合金元素，但仍有待深入研究，预期将有更为广阔的发展前景。

(4)国家标准 GB1299 85合金工具钢 是早期的技术标准，所收录的专用塑料模具钢只有3Cr2Mo钢，远不能满足生产发展的需要。建议尽快把该标准修订补充、完善其系列。

(5)合理选用高效的新钢种，提高钢的冶金、锻轧和热处理质量，是提高模具寿命、降低生产成本的重要途径。