塑料模具用钢及处理技术

注射模的模架和成型零件、型腔和型芯等零件，主要选用合金钢和普通钢。

1.塑料模具钢的性能

（1）工作条件和失效形式 塑料注射模具的型腔受到25～80MPa的熔体压力，工作温度达150～350℃。注射模的型腔压力和温度随着熔体的充模、流动和冷却、固化而周期性变化。模具的型腔间隙表面受到高压塑料熔体挤压而摩擦磨损。注塑件在脱模时，型芯的侧面又被磨损。一些塑料和添加剂对钢制的成型零件表面有腐蚀作用。

塑料模具的常见失效形式有磨损、腐蚀、塑性变形、断裂、机械疲劳和热疲劳。

1）磨损。高压力的塑料熔体在模腔内流动，凝固中的塑料件从模具中脱出，对模具的成型表面有摩擦，引起成型零件磨损。当塑料中含有较硬的矿物粉和玻璃纤维填料时，则磨损更为剧烈。随着模具使用时间增加，磨损量加大，模腔表面粗糙、拉毛并产生划痕，使成型的注塑件的表面粗糙。旧模具的成型表面经抛光后，才能继续使用。模具注射生产时磨损量和修模的抛光量，使模具的型腔尺寸增大，型芯径向尺寸变小，最终使塑料制品壁厚尺寸超差，模具报废。

2）腐蚀。塑料中含有氯或氟原子时，在加热温度下有热分解，塑料中含有阻燃剂等添加剂也会在加热状态时分解，同时产生的有害气体等挥发物，会腐蚀模具。腐蚀会加快磨损，磨损的表面又促进腐蚀。

3）塑性变形。在很高的型腔压力下，型腔板和型芯因刚度不足而产生塑性变形。注射模的型腔底板产生凹陷。细长型芯会发生弯曲变形。成型零部件上的棱边和棱角会有塌陷。成型表面硬化层太薄，型腔表面强化或材料的热处理不当也会造成塑性变形。注射模模板的塑性变形会卡滞脱模机构的运动。成型零部件的塑性变形会影响塑料制品的尺寸精度。

4）断裂。在很高的型腔压力下，模板的强度不足会产生断裂。成型零件的结构复杂，所产生应力集中，可能使型芯和凹模型腔产生裂纹并断裂。

5）疲劳和热疲劳。注射模的型腔压力，是随着注射周期而循环变化的，使型腔表面受到脉动应力作用，产生疲劳裂纹而使模具零件破坏。注射模的热负荷也是循环变化的，型腔表面反复受热和冷却，在高应力区萌生热疲劳裂纹；加上型腔表面的脉动应力，使热疲劳裂纹扩展，最终产生疲劳断裂。

（2）塑料模具钢的使用性能要求

1）足够的强度和硬度，使承受高压负荷时弹性变形很小，不产生塑性变形。注射模成型表面的硬度在38～45HRC范围内。如果成型表面形状简单，抛光要求高，工作硬度可取高些；对于上百万次的注射寿命要求，表面硬度更高；反之，硬度值取低些。

2）良好的耐磨性使注射模成型表面粗糙度和尺寸精度能长期保持合格，有较长的使用寿命。

3）对有些塑料品种，如聚氯乙烯和含有阻燃剂塑料，必须考虑选用有耐腐蚀性能的钢种。

4）较好的耐热疲劳性能。注射模型腔不仅受高压塑料熔体冲刷，而且还受冷热温度交变的应力作用。普通的高碳钢，可经热处理获得高硬度，但韧性差，易形成表面裂纹，不宜采用。

（3）塑料模具钢的加工性能要求

1）机械切削加工性能。要选用易于切削，且在加工后能得到高精度零件的钢种。为此，以中碳钢与中碳合金钢最常用，这对大型模具尤其重要。易切削的预硬钢，以32～40HRC硬度供应坯料，现被广泛采用。对需电火花加工的零件，还要求该钢种的烧伤变质层较薄。含碳量较高的工具钢，电加工中常有片状的剥离现象。

2）镜面抛光性能。注射模成型零件工作表面，都需研磨抛光成镜面。对于模具型腔的表面粗糙度，Ra在0.16～0.08mm之间。粗糙度低于Ra0.05mm时可呈现镜面光泽。用于制造透明塑料制品的模具，对模具材料的镜面抛光性能要求更高。镜面抛光性能不良的材料，在抛光时会出现针眼、空洞和斑痕等缺陷。镜面抛光性能主要与模具钢的纯洁度、硬度和金属显微组织等因素有关。硬度高，晶粒细有利于镜面抛光。脆硬的夹杂物和金属组织不均匀，会降低模具钢的镜面抛光性能。因此，镜面模具钢大多是经过电渣熔炼或真空熔炼的超纯净钢。要求钢材硬度35～40HRC为宜。过硬表面会使抛光困难。钢材的显微组织应均匀致密，极少杂质，无疵斑和针点。

3）锻造和冷挤压性能。模具零件经过热锻成型，能提高力学性能。钢材的导热性好，在热锻时容易内外热透。材料的塑性好，容易热锻成型。注射模的较小型腔采用冷挤压方法加工时，要求原材料钢坯硬度位于135HBW，伸长率大于35%。

4）热处理和表面处理工艺性能。模具零部件经淬火或调质处理后，会产生变形。一些合金钢材的淬透性和淬硬性好，热处理后变形小。对于某些模具零件需要进行渗碳、渗氮或镀铬等表面处理，需关注材料的适应性。

5）焊接性能。模具在加工中，可能由于修补等原因，需要进行焊接。含碳量较低的钢材，焊接性能较好。

2.常用热处理工艺

钢是铁碳合金，碳的含量不超过2%，有少量的硅和锰。低碳钢的碳含量的质量分数为0.1%～0.3%。高碳钢碳的质量分数为0.75%以上。碳钢经热处理后，能改善某些力学性能。塑料模具热处理工艺有退火、正火、淬火、固溶、回火、时效及冷处理等。

（1）退火 将金属材料加热至较高温度、保持一段时间然后缓慢冷却，以得到接近于平衡状态的金相组织，称为退火。退火的目的是使化学成分均匀，消除或减少内应力，改善力学性能及加工性能。并为成型零件的最终热处理准备合适的内部组织。塑料模具钢热处理的方法多样。按加热温度可分为两类。一类是临界温度以上的相变重结晶退火，包括完全退火、不完全退火、晶粒细化退火、扩散退火和球化退火等；另一类是临界温度以下的低温退火，包括软化退火、再结晶退火及去应力退火。按冷却方式可分为连续退火、等温退火、快冷-缓冷退火等。(www.xing528.com)

（2）正火 按含碳量将碳钢加热到共析温度以上30～50℃，均温后在空气中冷却，得到珠光体型的组织，称为正火。钢经过正火能提高强度和韧性等力学性能，消除残余应力。正火可分为普通正火、二段正火和等温正火等。

（3）淬火 淬火是将钢或合金加热到一定温度，保持适当的时间以获得相应的高温相，然后迅速冷却，获得远离平衡状态的不稳定金相组织。钢的淬火主要是得到强度高，耐磨性好的马氏体或贝氏体。钢淬火的处理方法很多，按加热温度的不同可分成完全淬火、不完全淬火、高温或低温淬火等。按淬火加热介质，有热浴淬火、真空和液体淬火等。按冷却方法，有连续、分级、喷液淬火等。

（4）固溶 将钢或合金加热到一定温度并保持一定的时间，然后迅速冷却下来，使高温的金相组织保留，并获得过饱和溶体，称固溶热处理。奥氏体不锈钢、马氏体时效钢、铍青铜以及铝合金常用固溶处理。

（5）回火 回火是指淬火或正火的钢材，加热到相变临界点以下某温度，保持一定的时间。然后以适当的速度冷却至室温。回火的目的是使淬火或正火得到的不稳定组织转变为稳定组织，适当降低硬度，提高塑性及韧性，消除或减少残余的内应力。按回火的加热温度，可分成低温、中温和高温回火。淬火加高温回火称为调质处理，是中碳钢最常用的热处理方法。按回火次数，有一次和多次回火。

（6）时效处理 高温淬火或固溶处理而得到的过饱和固溶体，在室温下停放相当一个时间，或在某一温度下加热，使合金的偏聚或强化相沉淀，此过程称时效处理。铍青铜和铝合金时效后，强度和硬度都有提高。

（7）冷处理 钢或合金淬火后，立即冷却到0℃以下的工艺，称为冷处理。冷处理可消除淬火钢中的残余奥氏体。减小Cr12MoV等钢种在电加工过程中开裂的危险。根据冷处理的温度不同，可分成-80℃以上的一般处理，和-80～-196℃的深冷处理。

3.表面处理

用加快扩散的方式使欲渗金属或非金属元素渗入金属材料的工件表面，形成表面合金层的工艺称为表面处理，或叫做热扩渗技术。它属于化学热处理，所获得的扩渗层是与基材间形成合金结合，具有很高的结合强度。这是其他涂层方法，如电镀、喷涂或化学镀，甚至物理气相沉积技术所无法比拟的。

表面处理所用扩渗材料有碳、氮、硅、硼、钛或钨等，都不同程度应用于各类模具表面处理。本小节简略介绍塑料注射模上应用得最多的渗碳和渗氮工艺。

（1）渗碳 渗碳使低含碳（0.15%～0.3%）钢零件表面获得高碳（1%）左右后，继续适当淬火和回火处理，以提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度，同时芯部保持良好韧性和塑性。

注射模模架的导柱和导套零件用渗碳和淬火处理工艺。其表面硬度、耐磨性和疲劳强度，比高碳钢淬火处理零件要好。

在一模多腔的注射模上成型零件，选用含碳量低、塑性变形性能好的20、20Cr或12CrNi3A等钢材。先将其退火状态的零件冷挤压成型，再进行渗碳处理。若注射模成型矿物质或玻璃纤维充填的塑料，渗碳层深度1.3～1.5mm；对刚性塑料有渗碳层深度0.8～1.2mm；对有尖角和窄槽的成型零件，则以0.2～0.6mm为好。渗碳达到表层含碳量0.7%～1.0%范围内。经渗碳淬火后，不但硬度高，而且表层有较好的抛光性能，容易达到镜面程度。

渗碳工艺主要有下述三种。

1）气体渗碳。用煤油、煤气或石油液化气等为渗碳剂，对低碳钢提供活性碳原子。渗碳温度为900～950℃，依照渗碳深度，渗碳时间为2～6h。此方法生产效率高，效率可以控制，渗碳层的质量和力学性能较好，但易产生内氧化。此种方法目前应用最广。

2）固体渗碳。把零件和固体渗碳剂装入渗碳箱中，用盖子和耐火泥封好。加热温度为900～950℃，保温足够长时间，获得一定厚度渗碳层。固体渗碳剂通常是一定粒度的木炭与质量分数为15%～20%的碳酸钙。其质量不易控制，易产生内氧化，适用于单件小批量生产。

3）真空渗碳。用甲烷和丙烷作为渗碳剂，加热温度为1030～1050℃。渗碳和扩散过程间歇进行。渗碳速度快，约为气体渗碳时间的一半。在真空环境中操作，渗碳层浓度均匀，不产生内氧化，特别适合形状复杂零件渗碳。

（2）渗氮 在含有活性氮的介质中，使钢制零件的表面渗入氮元素并形成渗氮层，此种表面化学处理方法称渗氮或氮化。渗氮是在500～600℃温度下使活性氮原子渗入钢工件表层中，形成各种氮化物FeN、CrN和AlN等，得到比渗碳更高的硬度，达到1000～1200HV，能提高耐磨损、耐腐蚀和疲劳强度等性能。渗氮过程温度较低，通常随炉冷却，工件变形小。注射模的滑块等零件、塑料成型注射机的螺杆等零件都用中碳合金钢渗氮处理。

一般结构钢在渗氮之前均采用调质处理；高碳钢渗氮前经过淬火和低温回火处理。渗氮工艺主要有下述三种。

1）气体渗氮。在渗氮炉中通入氨气及其他气体。利用氨气受热分解，产生活性氮原子。由于渗氮温度较低，需要几十小时甚至上百小时加热渗氮。渗氮层较薄，一般在0.5mm左右。渗氮层脆性较高，不能承受较高的接触应力和冲击载荷。

2）固体渗氮。用粒状渗氮剂与工件同时装入箱中加热完成渗氮。渗氮剂的载体为蛭石、木炭粒和多孔陶瓷，吸附了尿素和三聚氰酸等供氮。这种渗氮方法适用于小批量的多种工件的处理。

3）离子渗氮。在真空室内施以400～700V的高电压，通入氨气和氮氨混合气体。以真空容器为阳极，钢零件为阴极，氮正离子高速冲击零件表面生成氮化物，形成渗氮层。此方法渗氮速度快，零件变形小，渗氮层脆性低，操作条件好，无公害。缺点是形状复杂的零件，很难同时达到一致的渗氮硬度和深度。