塑料模具常用钢材介绍,

1292.7

1194.6

15

52.7

20.6

PMS钢（低S）

510

42.7

1331.9

1264.5

14.7

47.8

21.6

530

41.8

1252.5

1191.7

14.6

55.7

21.6

4.实际应用

PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。

例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。

PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。

PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。

（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢

1.化学成分及相变点

Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。

                  表3-22   SM2钢化学成分（质量分数）                   (%)

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。

（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。

3.力学性能

经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。

表3-23  SM2钢的力学性能

4.实际应用

Y20CrNi3AlMnMo钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。

五、耐蚀塑料模具钢PCR

0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。

（一）PCR钢的化学成分及相变点

PCR钢的化学成分见表3-24。

           表3-24  PCR钢的化学成分（质量分数）                      （%）

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。

（二）力学性能

见表3-25。    

表3-25  PCR钢时效处理后的力学性能

①  C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能

1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。

     钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。

2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。

3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。

4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。

（四）实际应用

PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。

具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。

聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。

     四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。

六、其它塑料模具材料

 （一）铜合金 

用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。

（二）铝合金

铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。

（三）锌合金

用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26

                  表3-26   Zn-4Al-3Cu的化学成分 （质量分数）                  （%）

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。

用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节  塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具

例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具

例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具

例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点

     1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。       

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理

1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理

1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。

表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺

（四）时效硬化钢塑料模的热处理

1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。

                      表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。

钢 ,      种

时效温度/℃

硬度/HRC

σb/MPa

σs/MPa

δ5(%)

ψ(%)

αk/(J/cm2)

PMS钢（含S）

510

42.5

1303.5

1169.1

16

49.2

14.7～17.1

530

41.4

1292.7

1194.6

15

52.7

20.6

PMS钢（低S）

510

42.7

1331.9

1264.5

14.7

47.8

21.6

530

41.8

1252.5

1191.7

14.6

55.7

21.6

4.实际应用

PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。

例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。

PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。

PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。

（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢

1.化学成分及相变点

Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。

                  表3-22   SM2钢化学成分（质量分数）                   (%)

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。

（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。

3.力学性能

经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。

表3-23  SM2钢的力学性能

4.实际应用

Y20CrNi3AlMnMo钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。

五、耐蚀塑料模具钢PCR

0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。

（一）PCR钢的化学成分及相变点

PCR钢的化学成分见表3-24。

           表3-24  PCR钢的化学成分（质量分数）                      （%）

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。

（二）力学性能

见表3-25。    

表3-25  PCR钢时效处理后的力学性能

①  C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能

1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。

     钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。

2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。

3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。

4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。

（四）实际应用

PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。

具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。

聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。

     四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。

六、其它塑料模具材料

 （一）铜合金 

用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。

（二）铝合金

铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。

（三）锌合金

用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26

                  表3-26   Zn-4Al-3Cu的化学成分 （质量分数）                  （%）

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。

用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节  塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具

例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具

例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具

例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点

     1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。       

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理

1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理

1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。

表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺

（四）时效硬化钢塑料模的热处理

1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。

                      表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。

钢 ,      种

时效温度/℃

硬度/HRC

σb/MPa

σs/MPa

δ5(%)

ψ(%)

αk/(J/cm2)

PMS钢（含S）

510

42.5

1303.5

1169.1

16

49.2

14.7～17.1

530

41.4

1292.7

1194.6

15

52.7

20.6

PMS钢（低S）

510

42.7

1331.9

1264.5

14.7

47.8

21.6

530

41.8

1252.5

1191.7

14.6

55.7

21.6

4.实际应用

PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。

例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。

PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。

PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。

（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢

1.化学成分及相变点

Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。

                  表3-22   SM2钢化学成分（质量分数）                   (%)

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。

（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。

3.力学性能

经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。

表3-23  SM2钢的力学性能

4.实际应用

Y20CrNi3AlMnMo钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。

五、耐蚀塑料模具钢PCR

0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。

（一）PCR钢的化学成分及相变点

PCR钢的化学成分见表3-24。

           表3-24  PCR钢的化学成分（质量分数）                      （%）

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。

（二）力学性能

见表3-25。    

表3-25  PCR钢时效处理后的力学性能

①  C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能

1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。

     钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。

2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。

3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。

4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。

（四）实际应用

PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。

具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。

聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。

     四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。

六、其它塑料模具材料

 （一）铜合金 

用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。

（二）铝合金

铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。

（三）锌合金

用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26

                  表3-26   Zn-4Al-3Cu的化学成分 （质量分数）                  （%）

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。

用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节  塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具

例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具

例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具

例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点

     1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。       

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理

1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理

1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。

表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺

（四）时效硬化钢塑料模的热处理

1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。

                      表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。

钢 ,      种

时效温度/℃

硬度/HRC

σb/MPa

σs/MPa

δ5(%)

ψ(%)

αk/(J/cm2)

PMS钢（含S）

510

42.5

1303.5

1169.1

16

49.2

14.7～17.1

530

41.4

1292.7

1194.6

15

52.7

20.6

PMS钢（低S）

510

42.7

1331.9

1264.5

14.7

47.8

21.6

530

41.8

1252.5

1191.7

14.6

55.7

21.6

4.实际应用

PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。

例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。

PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。

PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。

（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢

1.化学成分及相变点

Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。

                  表3-22   SM2钢化学成分（质量分数）                   (%)

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。

（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。

3.力学性能

经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。

表3-23  SM2钢的力学性能

4.实际应用

Y20CrNi3AlMnMo钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。

五、耐蚀塑料模具钢PCR

0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。

（一）PCR钢的化学成分及相变点

PCR钢的化学成分见表3-24。

           表3-24  PCR钢的化学成分（质量分数）                      （%）

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。

（二）力学性能

见表3-25。    

表3-25  PCR钢时效处理后的力学性能

①  C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能

1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。

     钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。

2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。

3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。

4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。

（四）实际应用

PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。

具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。

聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。

     四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。

六、其它塑料模具材料

 （一）铜合金 

用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。

（二）铝合金

铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。

（三）锌合金

用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26

                  表3-26   Zn-4Al-3Cu的化学成分 （质量分数）                  （%）

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。

用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节  塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具

例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具

例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具

例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点

     1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。       

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理

1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理

1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。

表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺

（四）时效硬化钢塑料模的热处理

1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。

                      表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。

钢 ,      种

时效温度/℃

硬度/HRC

σb/MPa

σs/MPa

δ5(%)

ψ(%)

αk/(J/cm2)

PMS钢（含S）

510

42.5

1303.5

1169.1

16

49.2

14.7～17.1

530

41.4

1292.7

1194.6

15

52.7

20.6

PMS钢（低S）

510

42.7

1331.9

1264.5

14.7

47.8

21.6

530

41.8

1252.5

1191.7

14.6

55.7

21.6

4.实际应用

PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。

例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。

PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。

PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。

（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢

1.化学成分及相变点

Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。

                  表3-22   SM2钢化学成分（质量分数）                   (%)

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。

（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。

3.力学性能

经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。

表3-23  SM2钢的力学性能

4.实际应用

Y20CrNi3AlMnMo钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。

五、耐蚀塑料模具钢PCR

0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。

（一）PCR钢的化学成分及相变点

PCR钢的化学成分见表3-24。

           表3-24  PCR钢的化学成分（质量分数）                      （%）

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。

（二）力学性能

见表3-25。    

表3-25  PCR钢时效处理后的力学性能

①  C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能

1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。

     钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。

2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。

3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。

4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。

（四）实际应用

PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。

具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。

聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。

     四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。

六、其它塑料模具材料

 （一）铜合金 

用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。

（二）铝合金

铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。

（三）锌合金

用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26

                  表3-26   Zn-4Al-3Cu的化学成分 （质量分数）                  （%）

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。

用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节  塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具

例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具

例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具

例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点

     1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。       

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理

1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理

1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。

表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺

（四）时效硬化钢塑料模的热处理

1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。

                      表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。

钢 ,      种

时效温度/℃

硬度/HRC

σb/MPa

σs/MPa

δ5(%)

ψ(%)

αk/(J/cm2)

PMS钢（含S）

510

42.5

1303.5

1169.1

16

49.2

14.7～17.1

530

41.4

1292.7

1194.6

15

52.7

20.6

PMS钢（低S）

510

42.7

1331.9

1264.5

14.7

47.8

21.6

530

41.8

1252.5

1191.7

14.6

55.7

21.6

4.实际应用

PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。

例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。

PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。

PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。

（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢

1.化学成分及相变点

Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。

                  表3-22   SM2钢化学成分（质量分数）                   (%)

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。

（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。

3.力学性能

经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。

表3-23  SM2钢的力学性能

4.实际应用

Y20CrNi3AlMnMo钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。

五、耐蚀塑料模具钢PCR

0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。

（一）PCR钢的化学成分及相变点

PCR钢的化学成分见表3-24。

           表3-24  PCR钢的化学成分（质量分数）                      （%）

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。

（二）力学性能

见表3-25。    

表3-25  PCR钢时效处理后的力学性能

①  C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能

1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。

     钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。

2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。

3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。

4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。

（四）实际应用

PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。

具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。

聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。

     四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。

六、其它塑料模具材料

 （一）铜合金 

用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。

（二）铝合金

铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。

（三）锌合金

用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26

                  表3-26   Zn-4Al-3Cu的化学成分 （质量分数）                  （%）

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。

用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节  塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

2.高合金渗碳钢制模具

例如12CrNi3A，12CrNi4A钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→正火并高温回火→机械粗加工→高温回火→精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。

3.调质钢制模具

例如，45，40Cr等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→调质→机械精加工→修整、抛光→装配。

4.碳素工具钢及合金工具钢制模具

例如T7A～T10A，CrWMn，9SiCr等钢的工艺路线为：下料→锻成模坯→球化退火→机械粗加工→去应力退火→机械半精加工→机械精加工→淬火、回火→研磨抛光→装配。

5.预硬钢制模具

例如5NiSiCa，3Cr2Mo（P20）等钢。对于直接使用棒料加工的，因供货状态已进行了预硬化处理，可直接加工成形后抛光、装配。对于要改锻成坯料后再加工成形的，其工艺路线为：下料→改锻→球化退火→刨或铣六面→预硬处理（34～42HRC）→机械粗加工→去应力退火→机械精加工→抛光→装配。

二、塑料模具的热处理特点

（一）渗碳钢塑料模的热处理特点

     1.对于有高硬度、高耐磨性和高韧性要求的塑料模具，要选用渗碳钢来制造，并把渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

2.对渗碳层的要求，一般渗碳层的厚度为0.8～1.5mm，当压制含硬质填料的塑料时模具渗碳层厚度要求为1.3～1.5mm，压制软性塑料时渗碳层厚度为0.8～1.2mm。渗碳层的含碳量为0.7%～1.0%为佳。若采用碳、氮共渗，则耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化、防粘性就更好。       

3.渗碳温度一般在900～920℃，复杂型腔的小型模具可取840～860℃中温碳氮共渗。渗碳保温时间为5～10h，具体应根据对渗层厚度的要求来选择。渗碳工艺以采用分级渗碳工艺为宜，即高温阶段（900～920℃）以快速将碳渗入零件表层为主；中温阶段（820～840℃）以增加渗碳层厚度为主，这样在渗碳层内建立均匀合理的碳浓度梯度分布，便于直接淬火。

4.渗碳后的淬火工艺按钢种不同，渗碳后可分别采用：重新加热淬火；分级渗碳后直接淬火（如合金渗碳钢）；中温碳氮共渗后直接淬火（如用工业纯铁或低碳钢冷挤压成形的小型精密模具）；渗碳后空冷淬火（如高合金渗碳钢制造的大、中型模具）。

（二）淬硬钢塑料模的热处理

1.形状比较复杂的模具，在粗加工以后即进行热处理，然后进行精加工，才能保证热处理时变形最小，对于精密模具，变形应小于0.05%。

2.塑料模型腔表面要求十分严格，因此在淬火加热过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热等。应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂，同时要控制加热速度，冷却时应选择比较缓和的冷却介质，控制冷却速度，以避免在淬火过程中产生变形、开裂而报废。一般以热浴淬火为佳，也可采用预冷淬火的方式。

3.淬火后应及时回火，回火温度要高于模具的工作温度，回火时间应充分，长短视模具材料和断面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

（三）预硬钢塑料模的热处理

1.预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理，但有时需进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

2.预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性能。

3.预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，调质后获得回火索氏体组织。高温回火的温度范围很宽能够满足模具的各种工作硬度要求。由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。表3-27为部分预硬钢的预硬处理工艺，供参考。

表3-27 部分预硬钢的预硬处理工艺

（四）时效硬化钢塑料模的热处理

1.时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶入奥氏体中，完成奥氏体后淬火获得马氏体组织。第二步进行时效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

2.固溶处理加热一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热时间分别可取：1min/mm、2～2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

3.时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内须通入保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱保护条件下进行时效。装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范可参照表3-28。

                      表3-28 部分时效硬化钢的热处理规范

三、塑料模的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性，常对其进行适当的表面处理。

1.塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法，镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性。镀铬层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

2.渗氮具有处理温度低（一般为550～570℃），模具变形甚微和渗层硬度高（可达1000～1200HV）等优点，因而也非常适合塑料模的表面处理。含有铬、钼、铝、钒和钛等合金元素的钢种比碳钢有更好的渗氮性能，用作塑料模时进行渗氮处理可大大提高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有：氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，PVD、CVD法沉积硬质膜或超硬膜等。

钢 ,      种

时效温度/℃

硬度/HRC

σb/MPa

σs/MPa

δ5(%)

ψ(%)

αk/(J/cm2)

PMS钢（含S）

510

42.5

1303.5

1169.1

16

49.2

14.7～17.1

530

41.4

1292.7

1194.6

15

52.7

20.6

PMS钢（低S）

510

42.7

1331.9

1264.5

14.7

47.8

21.6

530

41.8

1252.5

1191.7

14.6

55.7

21.6

4.实际应用

PMS镜面塑料模具钢适于制造各种光学塑料镜片，高镜面、高透明度的注射模以及外观质量要求极高的光洁、光亮的各种家用电器塑料模。

例如电话机壳体模具，生产出的电话机塑料壳体制品外观质量达到国外同类产品的先进水平，模具使用寿命也明显提高。又如大型双卡收录机注射模，生产出的机壳外观质量高，原用45钢制造注射模，模具寿命15万模；而PMS钢制造的注射模，寿命达40万模。

PMS钢是含铝钢，其渗氮性能好，时效温度与渗氮温度相近，因而，可以在渗氮处理的同时进行时效处理。渗氮后模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性均提高，可用于注射玻璃纤维增强塑料的精密成形模具。

PMS钢还具有良好的焊接性能，对损坏的模具可进行补焊修复。PMS钢还适于高精度型腔的冷挤压成形。

（五）Y20CrNi3AlMnMo（SM2）钢

1.化学成分及相变点

Y20CrNi3AlMnMo（SM2）属时效硬化型塑料模具钢，其化学成分见表3-22。

                  表3-22   SM2钢化学成分（质量分数）                   (%)

相变点 Ac1710℃、Ac3795℃、Ms405℃。

2.工艺性能

（1）锻造：锻造性能良好，锻造无特殊要求。

（2）软化处理： 870～930℃加热，油冷，680～700℃高温回火2h，油冷，硬度≤30HRC。

（3）热处理工艺：870～930℃加热，油淬，680～700℃油冷，500～560℃时效。

3.力学性能

经上述处理后，SM2的力学性能见表3-23所示。

表3-23  SM2钢的力学性能

4.实际应用

Y20CrNi3AlMnMo钢生产工艺简便易行，性能优越稳定，使用寿命长。经电子、仪表、家电、玩具、日用五金等行业推广应用，效果显著。

五、耐蚀塑料模具钢PCR

0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属析出硬化不锈钢,硬度为32～35HRC时可进行切削加工。该钢再经460～480℃时效处理后，可获得较好的综合力学性能。

（一）PCR钢的化学成分及相变点

PCR钢的化学成分见表3-24。

           表3-24  PCR钢的化学成分（质量分数）                      （%）

相变点： As580℃，Ａf723℃、Ｍs85℃、Mf300℃。

（二）力学性能

见表3-25。    

表3-25  PCR钢时效处理后的力学性能

①  C形缺口冲击试样，R=12.7mm。

（三）工艺性能

1.锻造工艺：加热温度1180～1200℃，始锻温度1150～1100℃，终锻温度≥1000℃空冷或砂冷。

     钢中含有元素铜，其压力加工性能与含铜量有很大关系。当铜质量分数wCu＞4.5%时，锻造易出现开裂；当铜质量分数wCu≤3.5%时，其压力加工性能有很大改善。锻造时应充分热透，锻打时要轻锤快打，变形量小；然后可重锤，加大变形量。

2.固溶处理：固溶温度1050℃，空冷，硬度为32～35HRC，在此硬度下可以进行切削加工。

3.时效处理：在420～480℃时效，其强度和硬度可以达到最高峰值，但在440℃时冲击韧度最低，因此，推荐时效处理温度为460℃，时效后硬度为42～44HRC。

4.淬透性及淬火变形：PCR钢淬透性好，在φ100mm断面上硬度均匀分布。回火时效后总变形率：径向为-0.04%～-0.05%，轴向为-0.037%～-0.04%。

（四）实际应用

PCR钢适于制作含有氟、氯的塑料成形模具，具有良好的耐蚀性。

具体应用：如用于氟塑料或聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出机螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模，可作为17-4PH钢的代用材料。

聚三氟氯乙烯阀门盖模具，原用45钢或镀铬处理模具，使用寿命1000～4000件；用PCR钢，当使用6000件时仍与新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达10000～12000件。

     四氟塑料微波板，原用45钢或表面镀铬模具，使用寿命仅2～3次；改用PCR钢后，模具使用300次，未发现任何锈蚀或磨损，表面光亮如镜。

六、其它塑料模具材料

 （一）铜合金 

用于塑料模材料的铜合金主要是铍青铜，如ZCuBe2、ZCuBe2.4等。一般采用铸造方法制模，不仅成本低，周期短，而且还可制出形状复杂的模具。铍青铜可通过固溶—时效强化，固溶后合金处于软化状态，塑性较好，便于机械加工。经时效处理后，合金的抗拉强度可达1100～1300MPa，硬度可达40～42HRC。铍青铜适用于制造吹塑模、注射模等，以及一些高导热性、高强度和高耐腐蚀性的塑料模。利用铍青铜铸造模具可以复制木纹和皮革纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成型面。

（二）铝合金

铝合金的密度小，熔点低，加工性能和导热性都优于钢，其中铸造铝硅合金还具有优良的铸造性能，因此在有些场合可选用铸造铝合金来制造塑料模具，以缩短制模周期，降低制模成本。常用的铸造铝合金牌号有ZL101等，它适于制造要求高导热率，形状复杂和制造周期短的塑料模具。形变铝合金Lcq也是用于塑料模制造的铝合金之一，由于它的强度比ZL101高，可制作要求强度较高且有良好导热性的塑料模。

（三）锌合金

用于制作塑料模具的锌合金大多为Zn-4Al-3Cu共晶型合金，其主要成分见表3-26

                  表3-26   Zn-4Al-3Cu的化学成分 （质量分数）                  （%）

还含有少量Pb、Cd、Sn、Fe等杂质。用此合金通过铸造方法易于制出光洁而复杂的模具型腔，并可降低制模费用和缩短制模周期，锌合金的不足之处是高温强度较差，且合金易于老化，因此锌合金塑料模长期使用后易出现变形甚至开裂，这类锌合金适合制造注射模和吹塑模等。

用于塑料模具的锌合金还有铍锌合金和镍钛锌合金。铍锌合金有较高的硬度（150HBS），耐热性好，所制作的注射模的使用寿命可达几万至几十万件。镍钛锌合金由于镍和钛的加入可使强度、硬度提高，从而使模具寿命成倍增长。

第三节  塑料模具零件的热处理工艺

选用不同品种钢材作塑料模具，其化学成分和力学性能各不相同，因此制造工艺路线不同；同样，不同类型塑料模具钢采用的热处理工艺也是不同的。本节主要介绍塑料模具的制造工艺路线和热处理工艺的特点。

一、塑料模具的制造工艺路线

1.低碳钢及低碳合金钢制模具

例如，20，20Cr，20CrMnTi等钢的工艺路线为：下料→锻造模坯→退火→机械粗加工→冷挤压成形→再结晶退火→机械精加工→渗碳→淬火、回火→研磨抛光→装配。