常用塑料模具零部件材料解析.docx

6.4 常用塑料模具零部件材料
塑料注射模具结构比较复杂，一套完整的模具有各种各样的零件，各个零件在模具中所处的位置、作用不同，对材料的性能要求就有所不同。合理选择模具零件的材料，是生产高质量模具、提高效率、降低成本的基础。
6.4.1 塑料注射模具对材料的基本要求
对于塑料注射模具，模具零件材料的基本要求如下。
1. 具有良好的机械加工性能
塑料注射模具零件的生产，大部分由机械加工完成。良好的机械加工性能是实现高速加工的必要条件。良好的机械加工性能能够延长加工刀具的寿命，提高切削性能，减小表面粗糙度值，以获得高精度的模具零件。
2. 具有足够的表面硬度和耐磨性
塑料制品的表面粗糙度和尺寸精度、模具的使用寿命等，都与模具表面的粗糙度、硬度和耐磨性有直接的关系。因此，要求塑料注射模具的成型表面有足够的硬度，其淬火硬度应不低于55 H RC，以便获得较高的耐磨性，延长模具的使用寿命。
3. 具有足够的强度和韧性
由于塑料注射模具在成型过程中反复受到压应力（注射机的锁模力）和拉应力（注射模型腔的注射压力）的作用，特别是大中型和结构形状复杂的注射模具，要求其模具零件材料必须有高的强度和良好的韧性，以满足使用要求。
4. 具有良好的抛光性能
为了获得高光洁表面的塑料制品，要求模具成型零件表面的粗糙度值小，因而要求对成型零件表面进行抛光以减小其表面粗糙度值。为保证抛光效果，模具材料不应有气孔、杂质等缺陷。
5. 具有良好的热处理工艺性
模具材料经常依靠热处理来达到必要的硬度，这就要求材料具有较好的淬硬性和淬透性。塑料注射模具的零件往往形状较复杂，淬火后进行加工较为困难，甚至根本无法加工，因此模具零件应尽量选择热处理变形小的材料，以减少热处理后的加工量。
6. 具有良好的耐腐蚀性
一些塑料及其添加剂在成型时会产生腐蚀性气体，因此选择的模具材料应具有一定的耐腐蚀性，另外还可以采用镀镍、铬等方法提高模具型腔表面的抗蚀能力。
7. 表面加工性能好
塑料制品要求外表美观，花纹装饰时，则要求对模具型腔表面进行化学腐蚀花纹，因此要求模具材料蚀刻花纹容易，花纹清晰、耐磨损。
6.4.2 塑料注射模具零件常用材料
目前生产中常用的塑料模具材料有金属材料和非金属材料，常用的金属材料有碳素模具钢、渗碳型塑料模具钢、合金模具钢以及塑料模具特殊用钢等，它们的类别和特点如下。
1. 碳素模具钢
⑴ SM45钢 SM45钢属优质碳素塑料模具钢，与普通优质45碳素结构钢相比，其钢中的S、P含量低，钢材纯度好。由于SM45钢的淬透性差，制造较大尺寸的塑料模具，一般用热轧、热锻或正火状态，模具硬度低，耐磨性较差；制造小型塑料模具，用调质处理可获得较高的硬度和较好的强韧性。钢中碳含量中等，形状简单的模具一般采用水冷淬火，形状复杂的小型模具水淬容易出现裂纹，一般采用水淬油冷。SM45钢的优点是价格便宜，切削加工性能好，淬火后具有较高的硬度，调质处理后具有良好的强韧性和一定的耐磨性，被广泛用于制造中、低档的塑料模具。
⑵ SM50钢 SM50钢属碳素塑料模具钢，其化学成分与高强中碳优质结构钢——50钢相近，但钢的洁净度更高，碳含量的波动范围更窄，力学性能更稳定。SM50钢经正火或调质处理后，具有一定的硬度、强度和耐磨性，而且价格便宜，切削加工性能好，适宜制造形状简单的小型塑料模具或精度要求不高、使用寿命不需很长的模具等。但SM50钢的焊接性能不好，冷变形性能差。
⑶ SM55钢 SM55钢属碳素塑料模具钢，其化学成分与高强中碳优质结构钢——55钢相近，但钢的洁净度更高，碳含量的波动范围更窄，力学性能更稳定。SM55钢经热处理后具有高的表面硬度、强度、耐磨性和一定的韧性，一般在正火或调质处理后使用。该钢价格便宜、切削加工性能中等，当硬度为179～229HBS时，相对加工性为50％，但焊接性和冷变形性均低。适宜制造形状简单的小型塑料模具或精度要求不高、使用寿命不需要很长的塑料模具。
2. 渗碳型塑料模具钢
⑴ 20钢 20钢属于低碳钢，特点是强度低，塑性和韧性较高，切削性和焊接性很好。含锰量低的20钢的切削加工性比含锰量高的要差些，但可以用正火或冷变形的方法来改善，冷变形还可以提高钢的强度，而正火可以提高钢的韧性，所以采用冷挤压成形的模具在冷挤压加工前最好先进行正火处理。退火虽然能提高20钢的韧性，但由于其缓慢的冷却可能引起游离铁素体在晶粒边界上析出，严重影响到钢的切削加工性与加工后应有的表面粗糙度，因此20钢不适宜在退火状态下制造各类零件。
20钢适宜制作普通的中小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成形后需进行渗碳或碳氮共渗热处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有很好的韧性。
⑵ 20Cr钢 20Cr钢的强度和淬透性比相同含碳量的碳素钢都有明显提高，20Cr钢经淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。渗碳时钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心部韧性，不宜降温淬火。当正火后硬度为170～217HBS时，20Cr钢的相对切削加工性为65％，焊接性中等，焊接前要预热100～150℃，冷变形时塑性中等。该钢适于制造中小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成形后需要进行渗碳热处理或碳氮共渗热处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。对于使用寿命要求不高的模具，也可以直接进行调质处理。
⑶ 20Cr2Ni4钢 20Cr2Ni4钢是优质渗碳钢，强度、韧性及淬透性均优良，渗碳后不能直接淬火，在淬火前需进行一次高温回火。20Cr2Ni4钢的冷变形塑性中等，切削加工性一般，焊接性差，焊前应预热，白点敏感性大，有回火脆性倾向。
20Cr2Ni4钢有高的淬透性，因此可以制造截面尺寸较大的模具。20Cr2Ni4钢淬火、回火后都有良好的综合性能，可以用切削加工或冷挤压成形的方法制造模具。为了提高模具表面的硬度和耐磨性，可以采用渗碳、淬火、回火的方法或碳氮共渗、淬火、回火的方法，提高模具表面的硬度和耐磨性，而模具的心部仍保持较好的韧性。20Cr2Ni4钢适宜制造大、中型塑料模具。
3. 合金模具钢
为满足塑料注射模具对材料的各种要求，目前市场上已有许多制造塑料模具专用的合金模具钢。
⑴ 3Cr2Mo(P20)钢 这是一种可以预硬化的塑料模具钢，预硬化后硬度为36～38HRC，适用于制作塑料注射模具型腔，其加工性能和表面抛光性较好。
⑵ 10Ni3CuAlVS(PM S)钢 此种钢为析出硬化钢。预硬化后时效硬化，硬度可达40～45HRC。热变形极小，可做镜面抛光，特别适合于腐蚀精细花纹。可用于制作尺寸精度高，生产批量大的塑料注射模具。
⑶ 06Ni7Ti2Cr钢 该种钢材属于马氏体时效钢。在未加工前为固熔体状态，易于加工。精加工后以480～520℃进行时效，硬度可达50～57HRC。适用于制造要求尺寸精度高的小型塑料注射模具，可做镜面抛光。
⑷ 8CrMnWMoVS(8CrMn)钢 为易切预硬化钢，可做镜面抛光。其抗拉强度高，常用于大型注射模具。调质后硬度为33～35HRC，淬火时可空冷，硬度可达42～60HRC。
⑸ 25CrNi3MoAl钢 适用于型腔腐蚀花纹，属于时效硬化钢。调质后硬度23～25HRC，可用普通高速钢刀具加工。时效后硬度38～42HRC。可以做氮化处理，氮化处理后表层硬度可达1100HV。
⑹ Crl6Ni4Cu3Nb(PCR)钢 耐腐蚀钢，可以空冷淬火，属于不锈钢类型。空冷淬硬可达42～53HRC，适于有腐蚀性的聚氯乙烯类塑料制品的注射模具。
4. 塑料模具的结构零件用钢
塑料注射模具中的结构零件一般采用碳素结构钢或低合金钢。
⑴ Q235A钢 Q235A为碳素结构钢，其机械性能较差，但价格低廉，常用于塑料注射模的动模及定模座板、垫块等零件。
⑵ 45、55钢 此类钢为优质碳素结构钢，可以用来制造形状较简单，精度要求不高的塑料注射模具，但其使用寿命较低，抛光性不好。45、55钢可以通过调质处理来改善其性能，可以用于制造塑料注射模具的推板、型芯固定板、支承板等零件。
⑶ T8A、T10A钢 这类钢为优质碳素工具钢，其含碳量高，淬火硬度可达50～55HRC，可用于制造导柱、导套、斜销、推杆等塑料注射模具零件。
⑷ 40Gr钢 40Gr钢为低合金钢，可以用于制造形状不太复杂的中小型塑料注射模具。40Gr钢可以进行淬火、调质处理，制作型芯、推杆等零件。
5. 其他材料
有色金属材料和非金属材料也是塑料注射模具中经常用到的材料。
⑴ 铍铜合金 铍铜合金是在铜中加入3.0％以下的铍(Be)而形成的合金。铍铜合金通常采用精密铸造或者压力铸造来制造精密、复杂型腔。可采用此种方法方便、迅速地制造机械加工无法制作的复杂型腔。铍铜合金机械性能好，热处理硬度可达40～50HRC，尺寸精度高并且导热性能好。铍铜合金价格较高，因此，一般仅用其制造型腔镶件，镶入模具中。
⑵ 锌基合金 常用的锌基合金是把锌作为主要成分并加入A1、Cu、Mg等元素形成合金。锌基合金材料熔融温度低，能简单地用砂型铸造、石膏型铸造、精密铸造等方法成型。由于其熔融温度低，表面质量较好，加工周期短，经常被用在注射次数少的试模模具和小批量生产的注射成型模具。因锌基合金铸造后产生收缩较大，所以在铸造后应放置24小时使其尺寸稳定后再进行加工。锌基合金的使用温度较低，当温度高于150～200℃时容易引起变形。所以锌基合金仅适用于模具温度较低的塑料注射模具。
⑶ 环氧树脂 环氧树脂应用在试制及成型批量很少的模具上。纯环氧树脂中一般加铝粉等填料以改善其强度、硬度、收缩率等性能。采用环氧树脂制模时，只要有模型，就能在相当短的时间内制造出模具，因此对于试制产品是非常有利的。
塑料膜具零件所使用的材料可以根据生产实际情况选用。表6-11给出了部分塑料模具零件材料的选用及说明。

表6-11 塑料模具常用材料选用
零件类别
使用
要求
材料
热处理
说明
类型
硬度
成型零件
强度高、耐磨性好、耐腐蚀性好、热处理变形小
TS铜合金
出厂硬度
28～32 HRC
导热性能优良、广泛用于嵌件，耐磨损、防刮料，可替代铍青铜
合金铍铜 MM40

需快速冷却的模芯、镶件
MEK 4

高耐磨、高韧性
X13T6W (236)(236H)

高耐磨、高耐腐蚀镜面模具
718S、718H

塑料模之内模件
S136、S136H

耐腐蚀镜面模具
RAMAX 168

易切削、耐腐蚀
铜合金HIT75 MOD

需快速冷却的模芯,镶件
6061-T6/T651 6061-T6511铝合金

吹塑模、吸塑模、鞋模、发泡模
SKD11特殊钢
淬火、回火
55HRC以上
用于形状复杂之塑料模具
2738预硬钢
出厂硬度经硬化回火
290～350 HB
优良加工性能、易切削抛光和电蚀，适合要求高光整度的模具如PS、ABS，硬度均匀
5CrMnMo、5CrNiMo
淬火、中温回火
46HRC以上
用于成型温度高、压力大的模具
T8A、T10A、T12A
淬火、低温回火
55HRC以上
用于形状简单、尺寸较小的模具
45、50、55、40Cr、40CrMo、35CrMo、40MnB、40MnVB
调质、淬火
55HRC以上
普通塑料模具
10、15、20、20CoMnTi、 12CrNi类
渗碳淬火
50HRC以上
容易切削加工
锌基合金

塑件试制、小批生产
主流道衬套
耐磨性及耐腐蚀性好
40、50、55以及可用于成型零部件的其他模具材料
表面淬火
50HRC以上

LKM 2083

防腐蚀性良好、易抛光
推杆拉料杆等
一定的强度和耐磨性
T8A、T10A、T12A
淬火、低温回火
55HRC以上

导柱导套
表面耐磨、韧性好、抗弯曲
20、T8A、T10A、铜合金等
表面渗碳、淬火
50HRC以上

各种模板
一定的强度和刚度
45、50、40Cr、40MnB、Q235～Q275、HT200

习 题
1．何谓凹模（型腔）和凸模（型芯）？绘出整体组合式凹模或凸模的三种基本结构，并标上配合精度。
2．常用小型芯的固定方法有哪几种形式？分别使用在什么不同场合？
3．螺纹型芯在结构设计上应注意哪些问题？
4．在设计组合式螺纹型环时应注意哪些问题？
5．计算成型零部件工作尺寸时需要考虑哪些因素？
6．根据图示的塑件形状与尺寸，分别计算出凹模和凸模的有关尺寸（塑料收缩率取0.005，取△／3)。(答案：，，，，，，)

第6题图