塑料模具钢

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塑料模具钢不同牌号选用分析之如何选择正确的塑料模具钢

    塑料模具用钢:在塑料零件成形模具中,被压制的塑料种类、生产的批量、工件的复杂程度、尺寸精度和表面粗糙度等质量要求是决定塑料模具用钢选择的主要因素。
    塑料大致分为热固性塑料和热塑性塑料两大类,每类又分为不同的品种。由于压制塑料的品种不同,以及对塑料制品的尺寸、形状、精度、表面粗糙度等的不同要求,对塑料模具用钢的耐磨性、抗腐蚀性、耐热性、耐压性、磁学性能、微变形和镜面抛光性能等有不同的要求。根据其用途的差异,大致分为如下几种类型。
    (1)碳素塑料模具钢。通用型塑料(如聚乙烯、聚丙烯)制品的模具,当制品批量较小、尺寸精度和表面粗糙度无特殊要求而且模具截面不大时,可以采用中碳的碳素塑料模具钢如 SM45、SM50、SM55 钢或低碳钢 10 号、20 号钢制造,前者采用调质或正火处理,后者采用渗碳加淬、回火处理;低碳钢由于变形抗力低、塑性好,主要适用于采用冷挤压成形法压制模具型腔制造模具;对于热固性塑料模具,一般采用含碳量为 0.7%~1.3%的高碳碳素塑料模具钢(即碳素工具钢)制造。碳素塑料模具钢的优点是加工性能好,价格便宜,原材料来源方便等。
    (2)预硬型塑料模具钢。当塑料制品生产批量较大,模具尺寸较大或形状复杂、精度要求高的模具,可采用预硬型塑料模具钢,这种钢材是冶金企业在供货时就预先进行调质处理,以获得模具所需要的硬度和使用性能,用户得到材料后可直接加工成模具,不需要再进行淬、回火处理就可以直接使用,从而可避免在模具加工以后再进行淬、回火处理所造成的变形、开裂、脱碳等缺陷。常用预硬型塑料模具钢可分为两类,即一类是结合塑料模具要求单独开发的钢种,如3Cr2Mo(美国 P20)、3Cr2MnNiMo(瑞典718)等;另一类是借用合金结构钢和一些热作模具钢的成熟钢号,如 40Cr、42CrMo、3CrMnSiNi2A、5CrNiMo、5CrMnMo、 4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV钢等。
    (3)易切削塑料模具钢。塑料模具的形状复杂,价格较高,在成本的构成中,切削加工、抛光工序所占的比例最大。而预硬型塑料模具钢和时效硬化型塑料模具钢等在加工时硬度较高,尤其在高硬度区间(36~42HRC),可切削性能差。为了节省制模的切削加工工时,延长刀具使用寿命,降低模具成本,国内外发展了易切削型塑料模具钢,如日本大同特殊钢公司介绍的易切削时效硬化型塑料模具钢 NAK55,在硬度高达 40HRC 时,其切削加工性能与 S53C(相当中国 SM55 钢)在硬度为 18HRC 时的切削加工性能相当;德国THYROPLAST 2312(相当中国 3Cr2MoS 钢),以及中国研制的 5CrNiMnMoVSCa、8Gr2MnWMoVS、 4Cr5MoSiVIS 钢等。
    (4)耐蚀型塑料模具钢。在生产具有化学腐蚀性塑料(如聚氯乙烯或聚苯乙烯添加阻燃剂等)为原料的塑料制品时,模具必须具有防腐蚀性能,而且还要求有一定的硬度、强度和耐磨性能等,应选用耐蚀性能好的塑料模具钢,常用钢号有 2Cr13、4Cr13、4Cr17Mo、9C8、 9Cr18Mo、Cr14Mo4V 等。在塑料模具钢产品中,这类钢属于档次较高的品种,为保证钢材冶金质量,其冶炼工艺一般选用如下两种方式∶1)电炉冶炼加真空炉外精炼;2)电炉冶炼加真空炉外精炼加电渣重熔。
    (5)渗碳型塑料模具钢。渗碳型塑料模具钢的碳含量一般在0.1%~0.25%范围内,退火后的硬度较低,具有良好的切削加工性能。切削加工成形的模具,渗碳后经淬火、低温回火后不仅具有较高的强度,而且心部韧性好,模具表面的硬度高,耐磨性好,亦可以保证良好的抛光性能,从而提高模具的质量和使用寿命,缺点是模具的热处理工艺较复杂,变形量较大。渗碳型塑料模具钢的另一个优点是塑性好,可以采用冷挤压成形法制造模具,而无须进行切削加工,对于大批生产同一形状的模具是很有利的,它的生产效率高,制造周期短,模具的互换性好,精度高,表面质量好。冷挤压成形后的模具,一般也要进行渗碳、淬火和回火,以保证模具的使用性能和使用寿命。常用的钢号∶10 钢、20 钢、20Cr、12Cr2Ni2、12CrNi3、 20CrMnTi 20Cr2Ni4 等。
    (6)高耐磨塑料模具钢。用于压制热固性塑料、复合强化塑料(如尼龙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,一般选用冷作模具钢或热作模具钢制造。这些材料通过最终热处理,可以保证模具在使用状态下具有高硬度、高耐磨性和长的使用寿命。常用的钢号∶Cr12Mo1V1、Crl2MoV、CrWMn、Cr2、 7CrMnSiMoV 4Cr5MoSiV1 、4Cr5MoSiV 等。
    (7)时效硬化型塑料模具钢。高档次的塑料模具,要保证高的使用寿命,模具材料必须具有高的综合力学性能,为此,在模具制作成形之后,应该采用最终热处理。但是,常规的最终热处理操作(淬火加回火),往往会导致模具的热处理变形,使模具的精度很难达到要求。而对时效硬化型塑料模具钢经固溶处理后变软(一般为 28~35HRC),可以进行切削加工,待模具制造成形之后再进行时效处理,可获得很高的综合力学性能,而且时效处理的变形很小。这类钢具有很好的焊接性能,又可以进行表面氮化处理等,适宜制造复杂、精密、高寿命的塑料模具和透明塑料制品模具等。
    时效硬化型塑料模具钢包括马氏体时效钢和低镍时效硬化钢两个类型。
    1)马氏体时效钢碳含量很低,属超低碳钢,代表钢号∶0ONi18Co8Mo3TiAl,其固溶处理后形成的低碳马氏体组织比较软,约30~35HRC,可进行切削加工,而随后的时效处理过程中,在马氏体基体析出细小、分布均匀的金属间化合物(如 Ni3TY 等)使得钢显著的强化,这类钢具有很高的综合力学性能。
    2)低镍时效硬化钢,合金元素含量较前者低,属中合金钢,代表钢号;10Ni3Mn2CuAlMo,其热处理工艺一般包括三个步骤,即固溶处理,目的是得到细小板条马氏体,以提高钢的强韧性;高温回火,使马氏体充分分解,降低钢的硬度,以利于加工;时效处理,在时效过程中脱溶NiAl 相,使得钢材硬化,以保证模具的使用性能。
    (8)非调质型塑料模具钢。20世纪 70 年代以来,为了节约能源、降低制造成本,各国相继开发出一系列不需要调质处理的机械结构用钢,该类钢的共同特点就是在碳素结构钢或低合金钢中加入微合金化元素(主要是V、Ti、Nb、N等),通过控制轧制(控锻)和控制冷却等强、韧化手段,使之在锻造或轧制状态就具有良好的综合力学性能。这样就节减了热处理工序和热处理设备,避免了在热处理过程中产生变形或淬火裂纹所造成的废品,改善了劳动条件,并减少了热处理造成的环境污染,具有良好的经济效益和社会效益。
非调质钢属于经济型钢种,这类新型的钢种不断发展,应用范围也不断扩大。近年来,以其良好的综合力学性能和技术经济特性,已拓展到模具行业,成为制造塑料模具、橡胶模具材料的组成部分,常用钢号∶B20、B30、F45V、YF45V、YF45MV、GF40MnSiVS 等。
    (9)无磁模具钢。无磁模具钢主要用于制造生产磁性塑料制品和其他磁性材料制品用的压制成型模具。这类钢在强磁场中不会被磁化,保证了磁性塑料制品在生产过程中即使被磁化,但仍然容易脱模,从而有效保证生产顺利进行和制品的质量与性能。
    无磁模具钢应该在各种状态下均保持稳定的奥氏体组织,具有很低的磁导率,较高的硬度、强度和耐磨性,常用钢号如下∶高锰型——7Mn15Cr2Al3V2WMo,5Cr21Mn9Ni4N;奥氏体不锈钢型——1Cr18Ni9Ti,为保证其耐磨性,一般还进行氮化处理。
    塑料模具用钢的选择可参考表1-19。
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