塑料模具钢高性能化现状及未来发展趋势
塑料模具钢高性能化现状及未来发展趋势
塑料模具钢高性能化现状及未来发展趋势
现在，塑料已成为我们生活中所不可缺少的物品，由于其丰富的种类和优良特性而用途广泛。以手机为代表的便携式信息机械高度薄型、轻量化，以及节能型汽车和各种机械的轻量化等，使塑料的重要性日益提高。塑料生产量已超过钢铁很长时间。另外，工程塑料的使用也很显著，对塑料模具钢的要求更加严格，更加多样化。塑料成型法一般是注射成型，注射成型机由各种模具部件组成。本文介绍用于型腔、型芯的 模具钢材。
㈠塑料模具钢的种类
塑料模具钢在JIS中未区分，使用的各类钢种大致可分为四种类型，即硬度10HRC的大型模具用Sc系列、30HRC的SCM改良钢系列、40HRC的Ni-Al-Cu析出硬化钢系列以及50HRC的SUS420J2改良钢系列。如果从使用方法来看，可以分为使用时不需要热处理的“预硬化材”和必须热处理的“淬火回火材”。“预硬化材”是材料生产厂根据所规定的硬度进行热处理后提供，并在该状态下加工使用。但在大量生产基础上，机械加工的硬度界限不超过40HRC左右。50HRC以上的高硬度材料，是在退火状态加工，然后热处理硬化后使用的“淬火回火材”。
㈡塑料模具钢的特性
⒈硬度与镜面性
对于硬度的选择，必须考虑模具寿命(耐磨损性)和镜面性。注料次数多的大量生产模具应重视耐磨损性，通常使用30—40HRC的硬度。小批量生产时，应重视加工性和成本，较多选择SC、SCM系列。对于添加纤维多的工程塑料必须达到50HRC左右。尤其是纤维添加量超过30％ ，有时使用60HRC模具钢材的同时还要进行表面处理。镜面性与硬度的关系，镜面性和硬度大致成比例，硬度大的易磨光。如果硬度软，容易产生由非金属夹杂物掘起引起的微细针孔。通过电渣重熔和真空电弧重熔等工艺，减少了非金属夹杂物，所以重熔材料的镜面性很好。重熔的40HRC的Ni-Al-Cu时效硬化钢用机械磨光时，最好是8000号左右。若需要10000号以上磨光时，需采用50HRC以上的SUS420J2改良钢(重熔材)。由于60HRC的SKD11改良钢硬度高、碳化物多，所以镜面性比SUSC20J2改良钢差。
⒉耐蚀性
SUS模具钢材可有效防止模具因使用环境和冷却水产生的锈蚀。但是，由于产生腐蚀性气体的树脂以及树脂添加剂(阻燃剂、相溶化剂等)的增加，由树脂引起的腐蚀也增加了，虽然使用了耐蚀性好的SUS420J2改良钢，但也没有完全得到控制。特别是镜面用途的情况下，即使出现微小的污点也是问题，因此要特别注意。在表面处理的应用，模具设计上的脱气等方面，需要采取综合性对策。对于氯乙烯等腐蚀性很强的树脂的成型，在现有的模具钢材中，使用了耐蚀性最好的SUS63O改良钢。
⒊切削性
在预硬化材中，大多是为改善切削性添加了S的快削钢。Ni-Al-Cu时效硬化钢的特点是，不添加S也具有很好的切削性。在Ni-Al-Cu时效硬化钢中添加S以后，切削性更加优良，重点用于需要锐利形状的橡胶模具等。
⒋放电加工、褶皱加工性
为改善切削性添加的S是以非金属夹杂物分布的，因此放电加工时有时会出现不均现象。经放电加工后的表面原样用于模具时最好避免使用快削钢。另外，SUS系列模具钢材不易腐蚀，因此蚀刻褶皱性不好，有时也会出现褶皱不均。这种情况下，采用与材料轧制方向呈直角的模具面等取材办法，即可得到解决。
⒌热处理、表面处理性能
用淬火回火模具钢材制作模具时需进行热处理，但应根据需要调整回火温度。使用SUS系列模具钢材，当强调耐蚀性和尺寸精度时，要进行约200℃低温回火。热处理后进行PVD及氮化等表面处理、金属线切削时，必需经过500℃以上的高温回火。如果不进行高温回火，表面处理时会出现尺寸改变、金属线切削时有断裂危险。再者，也必须考虑热处理引起的尺寸变化。热处理引起的尺寸变化量决定于回火温度，希望在将上述使用条件转告热处理厂家的基础上，还应该商谈尺寸变化量和必要的精加工费用问题。
⒍焊接性
Ni-A1-Cu时效硬化钢不会在焊接加热后硬化，所以不太担心出现焊接裂纹，通过后热处理，焊缝、热影响区都会恢复到原来的硬度，焊后的褶皱及磨光问题很少。SC、SCM系列、SCM改良钢也都通过降低C量和调整化学成分，所以对其焊接性能必须注意。
㈢塑料模具钢的未来发展趋势
对于通用树脂模具，尤其是大型模具，由于注重成本，大多使用切削性好的低合金SC、SCM系列模具钢材。硬度30HRC以上的SCM改良钢，在模具寿命和磨光性能方面优于SCM系列，是成本兼备的优良通用钢，可充分满足ABS等准通用树脂、工程塑料使用。最近，针对镜面性能的需求，又开发出了硬度高达38HRC左右类型的钢种。40HRC的Ni-Al-Cu时效硬化钢(以日本大同NAK55、NAK80及日本日立金属HPM50为代表)，一直就作为最普通的模具钢材被广泛用于海内外。它具有充分的硬度，同时切削性能也很好，因为是再重熔材所以也适用于镜面用途，现已被广泛使用，而且评价很高。但是，为了满足多种需求，也有在Ni-Al-Cu时效硬化钢中添加Cr改善耐蚀性的钢种，被用于条件严格的成型法。另外，为了改善Ni-Al-Cu时效硬化钢的韧性，也有稍稍减小硬度类型的钢种，用于带有细肋和锐角转角的模具。50HRC的SUS420J2改良钢(以日本大同S-STAR、日本日立金属HPM38及瑞典UDDEHOLM STAVAX ESR为代表)从过去就一直生产，是世界上的定型产品。因为是重熔材而且是高硬度，所以镜面性很好，是透镜模具和圆盘模具等光学用途以及透明制品用模具的标准材料。另外，最近增加的工程塑料成型用 模具钢材也可以使用。而且针对超镜面性能的要求，为把夹杂物减少到极限进行重熔再重熔即二次再重熔的SUS420J2改良钢(以日本大同D-STAR及瑞典UDDEHOLM STAVAX SUPREME为代表)被投放市场，也满足了15000号以上的研磨。添加纤维多的塑料必需使用60HRC级别的模具钢材。但60HRC高硬度材的耐蚀性不够，开发耐磨损性和耐蚀性兼备的模具钢材成为今后的课题。最近，增加了具有优良特性的模具钢材，但也决不是万能的，很多情况下各种特性取决于利弊权衡的关系。在使用时，要充分了解模具钢材的特性，根据用途恰当选择非常重要。
现在，塑料已成为我们生活中所不可缺少的物品，由于其丰富的种类和优良特性而用途广泛。以手机为代表的便携式信息机械高度薄型、轻量化，以及节能型汽车和各种机械的轻量化等，使塑料的重要性日益提高。塑料生产量已超过钢铁很长时间。另外，工程塑料的使用也很显著，对塑料模具钢的要求更加严格，更加多样化。塑料成型法一般是注射成型，注射成型机由各种模具部件组成。本文介绍用于型腔、型芯的 模具钢材。
㈠塑料模具钢的种类
塑料模具钢在JIS中未区分，使用的各类钢种大致可分为四种类型，即硬度10HRC的大型模具用Sc系列、30HRC的SCM改良钢系列、40HRC的Ni-Al-Cu析出硬化钢系列以及50HRC的SUS420J2改良钢系列。如果从使用方法来看，可以分为使用时不需要热处理的“预硬化材”和必须热处理的“淬火回火材”。“预硬化材”是材料生产厂根据所规定的硬度进行热处理后提供，并在该状态下加工使用。但在大量生产基础上，机械加工的硬度界限不超过40HRC左右。50HRC以上的高硬度材料，是在退火状态加工，然后热处理硬化后使用的“淬火回火材”。
㈡塑料模具钢的特性
⒈硬度与镜面性
对于硬度的选择，必须考虑模具寿命(耐磨损性)和镜面性。注料次数多的大量生产模具应重视耐磨损性，通常使用30—40HRC的硬度。小批量生产时，应重视加工性和成本，较多选择SC、SCM系列。对于添加纤维多的工程塑料必须达到50HRC左右。尤其是纤维添加量超过30％ ，有时使用60HRC模具钢材的同时还要进行表面处理。镜面性与硬度的关系，镜面性和硬度大致成比例，硬度大的易磨光。如果硬度软，容易产生由非金属夹杂物掘起引起的微细针孔。通过电渣重熔和真空电弧重熔等工艺，减少了非金属夹杂物，所以重熔材料的镜面性很好。重熔的40HRC的Ni-Al-Cu时效硬化钢用机械磨光时，最好是8000号左右。若需要10000号以上磨光时，需采用50HRC以上的SUS420J2改良钢(重熔材)。由于60HRC的SKD11改良钢硬度高、碳化物多，所以镜面性比SUSC20J2改良钢差。
⒉耐蚀性
SUS模具钢材可有效防止模具因使用环境和冷却水产生的锈蚀。但是，由于产生腐蚀性气体的树脂以及树脂添加剂(阻燃剂、相溶化剂等)的增加，由树脂引起的腐蚀也增加了，虽然使用了耐蚀性好的SUS420J2改良钢，但也没有完全得到控制。特别是镜面用途的情况下，即使出现微小的污点也是问题，因此要特别注意。在表面处理的应用，模具设计上的脱气等方面，需要采取综合性对策。对于氯乙烯等腐蚀性很强的树脂的成型，在现有的模具钢材中，使用了耐蚀性最好的SUS63O改良钢。
⒊切削性
在预硬化材中，大多是为改善切削性添加了S的快削钢。Ni-Al-Cu时效硬化钢的特点是，不添加S也具有很好的切削性。在Ni-Al-Cu时效硬化钢中添加S以后，切削性更加优良，重点用于需要锐利形状的橡胶模具等。
⒋放电加工、褶皱加工性
为改善切削性添加的S是以非金属夹杂物分布的，因此放电加工时有时会出现不均现象。经放电加工后的表面原样用于模具时最好避免使用快削钢。另外，SUS系列模具钢材不易腐蚀，因此蚀刻褶皱性不好，有时也会出现褶皱不均。这种情况下，采用与材料轧制方向呈直角的模具面等取材办法，即可得到解决。
⒌热处理、表面处理性能
用淬火回火模具钢材制作模具时需进行热处理，但应根据需要调整回火温度。使用SUS系列模具钢材，当强调耐蚀性和尺寸精度时，要进行约200℃低温回火。热处理后进行PVD及氮化等表面处理、金属线切削时，必需经过500℃以上的高温回火。如果不进行高温回火，表面处理时会出现尺寸改变、金属线切削时有断裂危险。再者，也必须考虑热处理引起的尺寸变化。热处理引起的尺寸变化量决定于回火温度，希望在将上述使用条件转告热处理厂家的基础上，还应该商谈尺寸变化量和必要的精加工费用问题。
⒍焊接性
Ni-A1-Cu时效硬化钢不会在焊接加热后硬化，所以不太担心出现焊接裂纹，通过后热处理，焊缝、热影响区都会恢复到原来的硬度，焊后的褶皱及磨光问题很少。SC、SCM系列、SCM改良钢也都通过降低C量和调整化学成分，所以对其焊接性能必须注意。
㈢塑料模具钢的未来发展趋势
对于通用树脂模具，尤其是大型模具，由于注重成本，大多使用切削性好的低合金SC、SCM系列模具钢材。硬度30HRC以上的SCM改良钢，在模具寿命和磨光性能方面优于SCM系列，是成本兼备的优良通用钢，可充分满足ABS等准通用树脂、工程塑料使用。最近，针对镜面性能的需求，又开发出了硬度高达38HRC左右类型的钢种。40HRC的Ni-Al-Cu时效硬化钢(以日本大同NAK55、NAK80及日本日立金属HPM50为代表)，一直就作为最普通的模具钢材被广泛用于海内外。它具有充分的硬度，同时切削性能也很好，因为是再重熔材所以也适用于镜面用途，现已被广泛使用，而且评价很高。但是，为了满足多种需求，也有在Ni-Al-Cu时效硬化钢中添加Cr改善耐蚀性的钢种，被用于条件严格的成型法。另外，为了改善Ni-Al-Cu时效硬化钢的韧性，也有稍稍减小硬度类型的钢种，用于带有细肋和锐角转角的模具。50HRC的SUS420J2改良钢(以日本大同S-STAR、日本日立金属HPM38及瑞典UDDEHOLM STAVAX ESR为代表)从过去就一直生产，是世界上的定型产品。因为是重熔材而且是高硬度，所以镜面性很好，是透镜模具和圆盘模具等光学用途以及透明制品用模具的标准材料。另外，最近增加的工程塑料成型用 模具钢材也可以使用。而且针对超镜面性能的要求，为把夹杂物减少到极限进行重熔再重熔即二次再重熔的SUS420J2改良钢(以日本大同D-STAR及瑞典UDDEHOLM STAVAX SUPREME为代表)被投放市场，也满足了15000号以上的研磨。添加纤维多的塑料必需使用60HRC级别的模具钢材。但60HRC高硬度材的耐蚀性不够，开发耐磨损性和耐蚀性兼备的模具钢材成为今后的课题。最近，增加了具有优良特性的模具钢材，但也决不是万能的，很多情况下各种特性取决于利弊权衡的关系。在使用时，要充分了解模具钢材的特性，根据用途恰当选择非常重要。