选择优质钢材，提升注射模具性能

这里介绍注射模的制造钢材，分析力学性能和加工性能，为塑料成型模具零件强度和刚度计算提供力学性能数据，为加工注射模提供工艺依据，讨论注射模具钢的选用。

1.注射模具钢的性能

低碳钢有较好的焊接和锻压的加工性能。中碳钢有较好的金属切削加工性能，是制造注射模用量最多的碳素钢，经适当的调质处理，可提高强度和硬度。高碳钢经淬火后有相当高的硬度，是淬火型注射模具钢。但是碳素模具钢热处理后的力学性能，不能满足注射模的强度、耐磨、耐蚀和抛光加工性能的要求。为进一步提高注射模的性能和使用寿命，重要的零件都已采用合金钢制造。合金钢是在碳素钢的基础上，在冶炼时加入一些合金元素。一些合金钢已分类为预硬型、耐蚀型和镜面型的常用钢种。

（1）碳素型注射模具钢

1）普通碳素钢。按GB 700规定，其牌号用Q和屈服极限应力表示。其中使用最多为Q235，其屈服极限不低于235MPa；还规定含锰少于0.8%^[1]，含硅少于0.8%，有害杂质硫和磷少于0.05%。常用牌号还有Q215、Q255和Q257。模具中受力不大的支承结构件、垫板和垫块等常用Q235。其可焊性好，价格较低。

2）优质碳素结构钢。GB 699规定了这类钢材的化学成分和力学性能。优质碳素结构钢的含锰量为0.35%～0.8%，含硅量为0.17%～0.37%，有害杂质硫和磷的控制较严，不超过0.035%。这类钢材制造的零件应该经过热处理后使用。它的编号为该牌号的平均含碳量的万分数表示。

3）20钢的渗碳淬火。20钢的含碳量为0.20%。注射模的导柱与导套有用低碳钢制造。零件切削加工后，经表面渗碳，再经淬火和低温回火，使导柱与导套表面耐磨，而芯部坚韧耐冲击。将零件置于渗碳介质中，加热后保温一定时间，让碳在零件表层扩散。固体渗碳介质是3～5mm粒度的木炭。渗透后零件先经正火，随后重新加热淬火，并低温回火。气体渗碳介质多采用煤油，同样需加热淬火，并低温回火。

根据零件的渗碳表面积、磨削加工余量和磨损量，制定所需渗透层的深度（多为0.8～1.5mm），由渗碳介质、保温温度和时间等工艺条件，来达到技术要求的渗碳深度。15钢和25钢也为渗碳钢。淬火后的表面硬度达到55HRC以上。硬度与淬火方法和工艺有关。低碳合金钢18CrMoTi、20CrMnTi和12CrNi13等常见的渗碳深度为0.9～1mm，淬火硬度为58～62HRC。

（2）调质型注射模具钢

1）中碳钢。含碳量在0.3%～0.55%之间的中碳钢，在注射模上常用45、50和55钢。与低碳钢相比，中碳钢的强度和硬度提高，而塑性有所下降。经调质处理，硬度达到250HBW左右。其切削加工性能好，化学成分和力学性能见表4-6和表4-7。中碳钢可以焊接，但焊前需预热，焊后要退火。整体淬火的中碳钢零件的硬度低于50HRC，而且变形大。表面淬火硬度可达50HRC。中碳钢的热处理工艺，见表4-8。

45钢常用于注射模的模板。由于模板水淬时容易变形并开裂，一般都在正火状态下使用。成型零部件应该用50钢或55钢，有比较好些的耐磨性和抛光性能。

表4-6 中碳钢的化学成分

表4-7 中碳钢的力学性能

注：σ_b—抗拉强度；σ_s—屈服强度；δ—断后伸长率；ψ—断面收缩率；a_k—冲击韧度。

表4-8 中碳钢的热处理工艺

2）中碳合金钢。常用牌号有40Cr、35CrMo和38CrMoAl等。合金元素的加入，提高了材料的淬透性和强度，也提高了渗氮处理的效果。调质处理后的中碳合金钢，有良好的综合力学性能，但硬度不超过250HBW，并不耐磨，故应在调质处理后，进行表面淬火加低温回火，硬度可达52HRC。要求零件表面有很好的耐磨性，并且又耐腐蚀和耐疲劳，可用38CrMoAl或35CrMo在调质后再进行渗氮处理。注射模中已广泛采用的预硬钢，是从中碳合金调质钢发展而来的注射模专用钢种。

3）38CrMoAl钢的渗氮处理。38CrMoAl钢有优良的力学性能和渗氮性能。它含碳0.35%～0.42%，含铬1.35%～1.65%，含钼0.15%～0.25%，含铝0.70%～1.10%。零件经调质后渗氮处理，表面有硬度高的氮化物，芯部有良好韧性，为注射机的螺杆和料筒的常用材料，也用于玻璃纤维增强塑料和腐蚀性塑料的注射模上成型零件和滑块。渗氮层达0.4～0.6mm，表面硬度可达70HRC以上。

（3）淬硬型注射模具钢

1）碳素工具钢。其含碳量比中碳结构钢高。它的牌号为T，后面加上平均含碳量的千分之几，例如T8、T10，平均含碳量是0.8%和1.0%。用A表示的高级优质钢，例如T5A、T10A和T12A，其有害杂质硫和磷限制在0.03%以下。软化热处理为球化退火，用于注射模中的浇口套、定位圈和小型芯；强化热处理为淬火加低温回火，硬度在60HRC以上，耐磨性好，用于注塑模中的导柱、导套、小型芯和镶片等耐磨零件。碳素工具钢的化学成分、力学性能、热处理工艺分别见表4-9～表4-11。

表4-9 碳素工具钢的化学成分

表4-10 碳素工具钢的力学性能

表4-11 碳素工具钢的热处理工艺

2）高碳弹簧钢。含碳量在0.55%～0.70%之间。常用牌号为60优质碳素钢，经淬火加中温回火热处理，制造螺旋弹簧和注射模中的推杆。它有比中碳钢更高的强度和硬度。

3）合金弹簧钢 常用的牌号有65Mn和60Si2Mn，属于高碳合金钢。当弹簧截面较小时，市场供应经强化处理的钢丝，自行绕制成螺旋弹簧后，经250℃、30min去应力处理后应用。较大截面的弹簧，热成型后进行淬火加中温回火，具有良好弹性，现今有系列化商品供应。

4）H13耐热淬火钢。美国的热锻模具钢种，相当于我国的4Cr5MoSiV1钢。H13含碳0.38%，含铬5.3%，含矾0.9%，含钼1.3%，含硅1.0%。H13的合金与上两种钢相比较，不含钨，增加了铬和钒的含量。其淬透性和耐磨性好，有良好的热强度和热疲劳强度，适用于600℃以下的热加工模具。1020℃淬火后，以560℃回火，硬度为56HRC，用来制造高温下强摩擦的注射模型腔和型芯，制造注射模热流道的喷嘴，可以保证模具的长寿命。H13钢还可以进行渗氮处理。

（4）预硬型注射模具钢 预硬钢是指以易于切削和抛光的硬度供应钢坯，模具制造中不必热处理，能保证加工后获得较高的形状和尺寸精度，有利于缩短注射模的生产周期。

1）国产3Cr2Mo（相当于P20）钢材，将模板预硬化后以硬度36～38HRC供应，抗拉强度1330N/mm²。3Cr2Mo预硬钢的化学成分、力学性能、热处理工艺见表4-12～表4-14。P20（美）是国内外流行的注射模成型零件、模芯体积块和镶拼件的用材。

表4-12 3Cr2Mo预硬钢的化学成分(www.xing528.com)

表4-13 3Cr2Mo预硬钢的力学性能

表4-14 3Cr2Mo预硬钢的热处理工艺

2）3Cr2NiMo（国产718预硬钢），是3Cr2Mo合金钢添加镍后的钢种，以预硬状态供货。供应钢坯硬度280～350HBW。其含碳0.38%～0.42%，含铬1.9%～2.1%，含镍1.0%～1.1%，含钼0.3%～0.4%。经淬火加高温回火的试样，抗拉强度为1070MPa，屈服极限为977MPa，伸长率为18.6%。局部淬火表面的硬度为56～62HRC。钢材纯净，组织细密，抛光性能好。

3）在预硬钢中加入硫，能改善切削性能，适合大型模具制造。国产SM1（55CrNiMnMoVS）和5NiSCa（5CrNiMnMoVSCa），预硬后硬度为35～45HRC。但切削性能类似中碳钢。

（5）耐蚀型注射模具钢 聚氯乙烯或含有溴化物等添加剂的塑料，在加热成型时有腐蚀性气体产生。硬质聚氯乙烯塑料管的连接件成型注射模，用马氏体不锈钢制造。这类含铬不锈钢2Cr13、3Cr13和3Cr13Mo等，含有13%质量分数的铬。其中3Cr13经油淬并高温回火处理后，硬度≥240HBW，拉伸强度σ_b=1100～1470MPa，但耐磨抛光性能和导热性能差，不能制造注射模的成型零件。注射模采用沉淀硬化型的不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb。

0Cr17Ni4Cu4Nb（国产17-4PH，曾简称PCR）是含碳量低、耐腐蚀和可焊性好的硬质不锈钢；固溶处理后，具有一定的可加工性；再经时效处理，零件尺寸变形微小；主要用于耐腐蚀的高精度模具的成型零件。0Cr17Ni4Cu4Nb耐蚀钢的化学成分、力学性能、热处理工艺分别见表4-15～表4-17。

表4-15 0Cr17Ni4Cu4Nb耐蚀钢的化学成分

表4-16 0Cr17Ni4Cu4Nb耐蚀钢的力学性能

表4-17 0Cr17Ni4Cu4Nb耐蚀钢的热处理工艺

（6）时效硬化型注射模具钢 镜面钢多数是属于析出硬化钢，也称之时效硬化钢。它用真空熔炼方法生产。

1）国产PMS（10Ni3CuAlVS），与日本NAK80相似。供货硬度30HRC，易于切削加工。在真空环境下经500～550℃，以5～10h时效处理，钢材弥散析出复合合金化合物，使钢材硬化，硬度为41～45HRC。PMS镜面钢的化学成分和力学性能分别见表4-18和4-19。PMS钢耐磨性好，且处理过程变形小，材质纯净，可镜面抛光，能光腐蚀精细图案，还有较好电加工及抗锈蚀性能，工作温度达300℃，抗拉强度为1400N/mm²。

表4-18 PMS镜面钢的化学成分

表4-19 PMS镜面钢的力学性能

2）SM2镜面钢（20CrNi3AlMnMo），含碳0.17%～0.23%，含铬0.8%～1.25%，含镍3.0%～3.5%，含铝1.0%～1.5%，含锰0.8%～1.2%，含钼0.2%～0.5%。SM2为时效硬化易切削钢，经加热固溶，520℃时效6～10h后，有硬度39～45HRC。切削加工和抛光性能好。可以达到Ra0.029mm的镜面。SM2可以渗氮或氮碳共渗。

3）高强度的镜面钢8CrMn（8Cr5MnWMoVS），预硬33～35HRC，易于切削，淬火时空冷，硬度可达42～60HRC，抗拉强度达3000N/mm²，可用于大型注射模以减小模具体积。

2.注射模具钢的选用

注射模的种类很多，这里讨论注射模生产的钢材选用，见表4-20和表4-21。

首先，考虑钢材在注射条件下的力学性能和加工性能。硬度在30HRC以下的钢材，抛光的镜面质量差，磨削面的质量不均匀。由于注射模的型腔复杂，还要依靠手工抛光。硬度在50HRC以上钢材抛光困难。镜面抛光的质量还取决于钢材基体组织致密，不含杂质和气孔。常用50或55调质钢，生产热塑性注射模的成型零件。硬度250～280HBW的钢材，易于切削加工，旧模具修复时的焊接性能较好，但抛光性和耐磨性较差。合金钢的强度比碳素钢高，热处理性能也有明显提高。常用的预硬钢和镜面钢，都是中碳和高碳的合金钢中适合注射模生产的钢种。我国引进国外生产钢种来制造注射模，主要是美国P系列的注射模具钢种，和H系列的热锻模钢种，例如P20、H13、P20S、H13S。我国已生产专用的注射模具用的钢种，并以模板和棒料供应。

其次，考虑到注射成型塑料的性能、熔融塑料的黏度对成型零件的摩擦磨损程度、成型塑料的腐蚀性，采用硬度适宜的不锈钢制造成型零件，也有用渗碳或渗氮处理注射模的成型零件表面。早期用电镀铬层防腐蚀，但电镀层的厚度和质量很难控制，棱边和尖角有过厚的镀层，影响成型零件的尺寸精度；然而镀铬层的硬度高，低精度的注射模生产仍有采用。

再其次，考虑到注射模的工作寿命和模具材料的成本，选用钢种时应按塑料制品生产批量、塑料物料品种及注塑件精度与表面质量要求确定，见表4-20。所选钢种应使注射模能减少抛光修模的次数，能长期保持型腔的尺寸精度，达到大批量生产的使用寿命期限。这对30万以上注射次数，和玻璃纤维增强塑料的注射成型生产尤其重要。

表4-20 注射模具钢材选用

注：P20—3Cr2Mo，718—3Cr2NiMo，PMS—10Ni3CuAlVS，SM1—55CrNiMnMoVS，SM2—20CrNi3AlMnMo，17-4PH—0Cr17Ni4Cu4Nb。

表4-21 注射模零部件的选材