特殊塑料模具钢的应用和特征

1.低C-Ni-Al-Cu系析出硬化型钢

该类钢的代表为NAK55及NAK80（大同品牌）。它们在20世纪60年代后期相继得到开发^[39，40]，20世纪70年代得以量产。它们作为高性能塑料模具钢，不仅在日本国内，而且在中国、东南亚等国家和地区也得到了普及。

NAK钢以0.1%C-3%Ni-1%Al-1%Cu为主要化学成分，其中的NAK55钢是硫的质量分数为0.2%的易切削钢，NAK80钢则将硫的质量分数控制在0.003%以下，为了达到更高镜面性的钢种。

图4-41所示为析出硬化钢的强化机理，图4-42所示为低C-Ni-Al-Cu系析出硬化钢NAK的特性。在固溶化加热状态下，组织变成奥氏体相，其后冷却时基体成为呈现原奥氏体晶界的贝氏体组织。然后加热到约500℃，使固溶于基体中的Ni、Al、Cu以Ni₃Al及Ni₃Cu在基体内析出。此时产生的微细应变使基体得到强化，硬度上升到40HRC左右。

图4-41 析出硬化钢的强化机理

该预硬钢的硬度可达40HRC，所以不仅耐磨性较好，而且具备预硬析出硬化型钢所特有的长处。首先是韧性虽低，但切削性出色。其次是预硬钢不用担心热处理尺寸变化和热处理变形。再次是进行堆焊及电火花加工时，即使局部升温超过相变点，冷却后也只是形成固溶体，并由于是低碳成分，所以硬度只有30HRC左右，不用担心局部出现淬火开裂。同时，电火花加工时变质层也较容易研磨清除。修补时用同种金属焊接后再以时效温度加热并保温，相当于进行了时效处理，硬度可回升到初期的40HRC左右。由此可消除焊接部分与母材的硬度差异，在后续进行蚀纹加工、镜面研磨抛光等时也会得到与母材相同的效果，看不出痕迹。图4-43所示为焊接之前和时效处理后的蚀纹加工面及研磨面的对比。由此可了解到焊接部位时效后呈现出与母材相同的均匀蚀纹面和研磨面。

图4-42 低C-Ni-Al-Cu系析出硬化钢NAK的特性

图4-43 析出硬化钢的焊接修补特点

进一步来看，NAK钢是重熔精炼钢。其中的NAK55钢采用的是真空电弧重熔（VAR），NAK80钢采用的是电渣重熔（ESR），均可形成纯净均匀且微细的组织。

图4-44所示为NAK钢（NAK55和NAK80）的显微组织。NAK55钢为改善切削性而加入了S，可看到其硫化物的分布。其硬度虽然达40HRC，却与硬度为30HRC的Cr-Mo钢具有相同的切削性。(www.xing528.com)

图4-44 NAK钢的显微组织

NAK钢广泛用于汽车内饰件、家电、办公自动化设备的壳体、化妆品容器等塑料产品的成形。特别是NAK80钢适用于镜面研磨和电火花加工表面要求高的模具，NAK55钢则发挥其易切削的特性，除了用于注射成形模具外，还用于橡胶模及各种夹具配件等。

目前被称为黑亮面的液晶电视的黑色外框需求量有所增加，所用模具的镜面要求也更加严格。作为无痕成形工法的急冷急热（H&C）成形法得到了广泛应用，由于模具水孔中需通入水蒸气，因此提高耐蚀性已成为当务之急。为此，析出硬化型的NAK钢种得到了进一步改善^[41，42]。

2.硬度为33HRC的低C-Cr-Mo系钢

这是AISI的P20改良钢种，属于铬钼钢。许多厂家都在生产同类钢种，其中的PX5钢^[43]是0.20%C-2%Cr-0.4%Mo系钢，并加入S元素改善了切削性，与P20钢相比，加工效率可提高30%。

该钢属于大气熔炼材料，其特点是含碳量低，从而造成在电火花加工时产生的熔融凝固变质层的硬度也低，所以变质层的研磨清除较容易，并且焊接开裂敏感性较低，焊接时的预热和后热，即使以较简单的方式进行也不易产生焊接开裂。这是一种通用塑料模具钢，常用于制作汽车各种内饰件、车灯透镜、家电和立体音响设备的外壳、办公自动化设备等。

目前，硬度由33HRC提升到38HRC左右的铬钼钢也得到了应用。

3.高硬度耐蚀塑料模具钢

作为耐蚀钢，SUS420J2（0.33%C-13%Cr）的许多改良种得到了开发。其中瑞典Uddehom公司制造的STAVAX钢问世较早，在世界范围得到了普及^[44]，许多厂家也在制造同类钢种^[45]。该类钢是重熔精炼钢，经淬火和回火后硬度可达53HRC，并且具有出色的镜面性，适用于透明制品、透镜及CD等模具的制造。另外，其在300℃回火时的热处理尺寸变化极小，仅为±0.01%左右，常用于精密模具。用于DVD模具的材料当中，还有经两次重熔精炼，即所谓的三次熔炼钢，从而得到更纯净的超高镜面钢。

再者，由于铬系不锈钢不耐氯气的腐蚀，因此SUS630（17%Cr-4%Ni）等钢也得到了应用。