如何防止橡塑模具钢的时效硬化？

对于复杂、精密、高寿命的塑料模具，模具材料在使用状态必须有高的综合力学性能，为此，必须采用最终热处理。但是，采用一般的最终热处理工艺，往往导致模具的热处理变形，模具的精度很难达到要求。而时效硬化型橡塑模具钢在固溶处理后变软（一般为28～34 HRC），可进行切削加工，待冷加工成型后进行时效处理，可获得很高的综合力学性能，时效热处理变形很小。而且这类钢一般具有焊接性能好以及可以进行渗氮等优点，适于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具。

时效硬化型橡塑模具钢主要包括两种类型，即马氏体时效钢和析出硬化型钢。

1）马氏体时效钢

自1959年马氏体时效钢出现以来，由于这类钢具有高的强度／密度比、良好的可加工性和焊接性，以及简单的热处理制度等优点，立即受到航空工业的高度重视，得到了迅速的发展。其中最为典型的钢号是18Ni马氏体时效钢，它们的屈服强度级别为1 400～3 500 MPa，典型牌号有18Ni（200），18Ni（250），18Ni（300），18Ni（350），06Ni6CrMoVTiAl等。对于模具而言，所要求钢材具备的性能比航空工业低，对冶金质量及性能的要求可适当降低，并为此发展了一些低钴、无钴、低镍的马氏体时效钢，如06Ni6CrMoVTiAl钢，从而使钢材的成本大幅度下降。

马氏体时效钢是不同于常规钢种的超高强度钢，它不是由于碳含量而强化的，这种钢是由于很低碳含量的马氏体基体时效硬化时，发生金属间化合物沉淀而强化的，强度与淬透性无关。事实上，碳在马氏体时效钢中是杂质，要控制在尽可能低的范围内。马氏体时效钢在冷却时奥氏体转变为马氏体，在达到Ms温度和形成马氏体以前没有相变。大工件即使很慢冷却也只产生马氏体，不会出现大尺寸截面淬透性不足的问题。马氏体时效钢的热处理工艺见表4-2。

表4-2　马氏体时效钢的热处理工艺

马氏体时效钢固溶处理后的硬度很低，一般在28 HRC左右，可以进行切削加工，而时效的温度较低，对模具表面质量的影响不大。

06Ni6CrMoVTiAl钢，代号06Ni，属低镍马氏体时效钢，价格比18Ni类马氏体时效钢低得多，此钢的突出优点是热处理变形小。经850℃固溶处理1 h后硬度为25～28 HRC，具有良好的切削加工性能和抛光性能。06Ni钢固溶处理后，采用的冷却方式不同，对固溶及时效硬度的影响很大。如固溶后空冷，硬度为26～28 HRC，油冷硬度为24～25 HRC，水冷硬度为22～23 HRC。固溶后的冷却速度越快，硬度越低，但时效后的硬度却越高。

时效工艺为500～540℃时效4～8 h。一般采用520℃时效6 h，硬度为43～48 HRC，组织为板条马氏体加析出的强化相Ni3Al，Ni3Ti，TiC，TiN，具有良好的综合力学性能和一定的耐蚀性能，并可以进行渗氮、镀铬。

06Ni钢已分别应用在化工、仪表、轻工、电器、航空航天和国防工业部门，用以制作磁带盒、照相机、电传打字机等零件的塑料模具，均收到良好的效果。制作的磁带盒塑料模具使用寿命可达200万次以上，产品质量可与进口模具生产的产品相媲美。

2）析出硬化型时效钢

析出硬化型时效钢也是比较新型的钢种之一，它所含的合金元素比马氏体时效钢少，特别是镍含量少得多。材料也是在固溶处理状态下，硬度为30 HRC左右，可以进行切削加工，制成模具后再进行时效处理，使硬度达到40 HRC左右，而时效变形量很小，在0.01%左右，适宜制造高硬度、高强度和高韧性的精密塑料模具。典型钢号有25CrNi3MoAl，10Ni3MnCuAIMo（PMS），Y20CrNi3AIMnMo（SM2），P21等。

固溶处理的目的在于得到细小的板条马氏体，以提高钢的强韧性；固溶淬火后的马氏体硬度较高，为降低钢的硬度，需进行高温回火，而高温回火工艺的选择，既要使马氏体充分分解，又要避免NiAl相的脱溶析出。钢材的最终性能是通过时效处理得到的，为了使析出硬化钢在时效过程中脱溶NiAl相而强化，必须在NiAl相脱溶温度范围内进行时效处理。

（1）25CrNi3MoAI钢(www.xing528.com)

25CrNi3MoAI钢为低Ni无Co型Ni-Mo-Al系析出硬化型马氏体时效钢，适于制造变形率要求在5%以下、镜面要求高或表面要求光刻花纹的普通及精密塑料模具，经软化处理后，可通过冷挤压成形。

25CrNi3MoAI钢的特点是含镍量低，价格远低于马氏体时效钢，也低于超低碳中合金时效钢。调质硬度为230～250 HBS，有良好的切削加工性能和电加工性能，时效硬度为38～42 HRC，时效变形可控制在0.05%范围内。镜面研磨性好，表面粗糙度Ra可达0.2～0.025μm，表面光刻侵蚀性好，光刻花纹清晰。焊接修补性好，时效后焊缝硬度和基体硬度相近。

用作一般精密塑料模具时的热处理工艺为：经880℃固溶处理后水淬或空冷，硬度为48～50 HRC；再经680℃×5 h回火，硬度为22～23 HRC；加工成形后经540℃×6 h时效处理，硬度为39～42 HRC，时效变形率约为－0.039%，经研磨或光刻花纹后装配使用。由于析出硬化钢的时效温度范围与渗氮温度范围相当，故时效处理与渗氮处理可以同时进行，从而提高模具表面的耐磨性和抗咬合能力。

用作高精密塑料模具时，加工工艺基本与上述工艺相同，只是在粗加工和半精加工后，进行一次650℃保温1 h的去应力处理，时效变形率仅为0.01%～0.02%。

（2）10Ni3MnCuAIMoS（PMS）钢

PMS钢属马氏体析出硬化型镜面塑料模具钢，此钢采用低的含碳量，在热处理时析出NiAl，CuA1，CuNi等弥散的金属间化合物，获得所需的硬度。PMS钢具有良好的锻造性能，锻造加热温度为1 130～1 160℃，始锻温度为1 100～1 120℃，终锻温度＞850℃，锻后灰冷。锻后不必退火，即可进行机械加工。

PMS钢的固溶加热温度为840～900℃，一般选用870℃×1 h固溶处理后空淬，硬度30～35 HRC，具有良好的冷热加工性能，在零件制作成形后，经490～500℃时效处理，硬度在45 HRC左右，具有良好的综合性能和镜面加工性能，且变形极小。PMS钢中含有一定量的Al，因此，特别适宜于进行表面渗氮或氮碳共渗处理，处理后的硬度可达1 000 HV以上，其时效温度与渗氮温度相近，故渗氮时可同时进行时效处理。用于要求有高镜面要求的精密模具，是理想的光学透明塑料制品的成型模具材料。

PMS钢还具有良好的焊接性能，补焊区域硬度为30 HRC左右，可以进行机械加工；钢中不含S等易切削元素，补焊时没有SO2气体逸出；补焊质量优良，为模具补焊修复提供了方便。含碳量在下限时，PMS钢实际上是一种Fe-Ni-AI-Cu合金，可以挤压成形，对于形状复杂的模具，这一优点显得特别重要。

PMS钢表面经机械加工和抛光后，表面粗糙度Ra≤0.05μm，抛磨时间较45钢可缩短50%，而表面质量比45钢高1倍。并且表面洁净耐蚀，无针孔斑块缺陷，图案蚀刻性能绝佳。PMS钢表面耐蚀性高，在盐酸溶液中加热沸腾时，有极好的耐蚀性能，腐蚀率只有2Cr13钢的1／8～1／6。

（3）Y20CrNi3AIMnMo（SM2）钢

SM2钢属含硫系中合金时效硬化易切削预硬钢，它具有良好的综合力学性能和加工工艺性能、优良的镜面抛光性能，可渗氮，用于高精度模具。

SM2钢中加入Al，在时效时可以析出硬化相Ni3A1。加入Cr的主要作用是提高钢的淬透性，因此，SM2钢比PMS钢的淬透性稍高，加入S和Mn，可以形成易切削相MnS，因此，SM2钢的切削性能优于PMS钢。

SM2钢的锻造工艺与SMI钢相同，锻后不必退火。SM2钢的固溶加热温度为870～930℃，一般选900℃×2 h固溶处理后油冷，硬度为42～45 HRC，700℃×2 h高温回火后油冷，硬度为28 HRC，具有良好的切削加工性能，加工成形后经500～520℃时效处理，硬度为40 HRC。对于要求型腔表面光洁、精度较高的模具，可在此硬度下进行精加工，抛光表面。

SM2钢具有良好的渗氮、氮碳共渗、离子渗氮、氧氮共渗工艺性能。SM2钢已在纱管模、三角尺模、牙刷模、相机模、玩具模、线路板模等方面得到了广泛应用，完全可以取代进口材料。