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塑料模具如何选用模具钢材料?
  塑料大致分为热固性塑料和热塑性塑料两大类,由于压制塑料的品种不同,以及对塑料制品的尺寸、形状、精度、表面粗糙度等的不同要求,对塑料模具用钢的耐磨性、而腐蚀性、耐热性、耐压性、磁性能、微变形和镜面抛光性能等有不同的要求。
  我国的GB/T 1299-2000标准中只有两个钢号。国外主要模具钢生产企业都有本企业的塑料模具钢的钢种系列,如日立金属公司的塑料模具钢包括16个钢号,大同特殊钢公司有14个钢号,日本高周波钢业公司有14个钢号,奥地利BOHLER公司有12个钢号,瑞典UDDEHLM有10个钢号。美国ASTM-A681-87标准中规定的典型塑料模具钢(P系列)钢号为7个,但主要生产模具钢的企业CRUCIBLE公司和CARPENTER TECHNOLOGY公司远不止这些钢号。
  (1)通用型塑料模具钢  通用型塑料模具钢用于生产通用型塑料,如聚乙烯、聚丙烯。当生产批量较小,尺寸精度和表面粗糙度无特殊要求,而且模具截面不大时,可以采用碳素结构钢SM50、SM55钢或低碳钢10、20钢制造,前者采用调质或正火处理,后者采用渗碳加淬回火处理。低碳钢由于变形抗力低、塑性好,主要适用于采用冷挤压成型的方法压制模具型腔制造模具。
  当生产批量较大、模具尺寸较大或形状复杂、精度要求高的工件时,则采用淬透性较高的合金模具钢,如3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMnMo、4Cr5MoSiV1、5CrNiMnMoVSCa、8Cr2MnSiWMoVS;合金渗碳钢,如20Cr、20Cr2Ni4、12CrNi3A、20CrMnMo等制造。前者采用淬火、高温回火处理;后者采用渗碳加淬回火处理。但采用冷挤压方法压制模具型腔的生产工艺制造模具时,则采用合金渗碳钢。
  (2)耐磨塑料模具钢  为了生产强化工程塑料制品(如加入纤维强化的热塑性工程塑料制品)用模具,或热固性塑料挤压成型用的模具,采用耐磨性好的模具钢。当生产量较大时选用4Cr5MoSiV1、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等钢种制造,并经淬火、回火后使用。为了提高耐磨性,可进行表面处理。
  (3)渗碳型塑料模具钢  采用冷挤压反印法制造模具型腔,可以采用合金渗碳钢。这类钢在退火状态下塑性很好,较容易挤压成型,为提高型腔的耐磨性,冷挤压后需要进行渗碳,然后进行淬火和低温回火。这种模具表面具有高的硬度和耐磨性,而心部具有很好的韧性,而且模具互换性好。常用钢号如美国ASTM-A681的标准钢号P2~P6;国际标准化组织ISO标准中的5CrMo4、7CrMoNi;我国常用的20Cr、12CrNi2、12CrNi3、20CrMnTi、20Cr2Ni4等。
  (4)耐蚀型塑料模具钢  该类钢用于制造腐蚀性较强的塑料成型模具(如聚氯乙烯及阻燃塑料),要求该类钢具有一定的硬度、强度和耐磨性能。一般用13%~18%Cr型马氏体不锈钢和沉淀硬化型不锈钢。根据碳含量的不同,可以分为低碳镍铬型耐蚀钢(代表性钢种1Cr17N12)、中碳高铬型耐蚀钢(代表性钢种4Cr13)、高碳高铬型耐蚀钢(代表性钢种9Cr18Mo)。国外各主要的模具钢的生产厂通过改良,发展一些类似的新钢种,如BOHLER的M300、M310、M314等钢种,美国的CRUCIBLE公司的420MOD,UDDEHOLMTOOLINGAB公司的STAVEX等。
  我国各类耐蚀塑料模具钢,相对于其他类型的塑料模具钢,显得比较落后,主要使用2Cr13、3Cr13、4Cr13,近些年来引进了3Cr17Mo比4Cr13具有更好的耐蚀性能,研究开发了5Cr17MoV钢,该钢具有良好的综合使用性能。
  (5)高镜面塑料模具钢  压制对精度和表面粗糙度数值要求很低的塑料制品,如光学仪器零件、家用电器零件等,对成型模具型腔的表面粗糙度数值要求很低,需要采用纯度和致密度很高的模具钢,如3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo、4Cr5MoSiV1、Cr12Mo1V1、25CrNi3MoA1等,或马氏体时效钢,如18Ni(250)、18Ni(300)及低镍马氏时效钢06Ni6CrMoVTiA1等。
  (6)无磁塑料模具钢  用于压制磁性塑料的模具,一般选用无磁模具钢制造,如18-8不锈钢,其型腔经氮化处理后使用,或采用Mn13型耐磨奥氏体钢,或无磁模具钢,如7Mn15Cr2Al3V2WMo等。
  (7)预硬化易切削塑料模具钢  预硬化塑料模具钢的市场用量较大,是在美国P20(3Cr2Mo)钢的基础上发展起来的,一般采用中碳合金结构钢,通常在冶金厂处理到28~40HRC,在预淬硬的条件下供货,用户可直接加工使用,如BOHLER的M200,TEW的1.2311、1.2312等。718是瑞典生产的改型P20,由于合金元素Ni的加入,比P20钢具有更高的淬透性,热处理后大截面的模块保持高的硬度均匀性。我国主要引进P20(3Cr2Mo)、718(3Cr2MnNiMo)等钢,并纳入GB/T 1299-2000标准中。
  为了改善切削性能,加入易切削元素,形成易切削预硬化塑料模具钢,国外开发的易切削塑料模具钢主要是S系,也是S-Se系的,部分经过Ca处理,如日立金属的HPM2和大同特殊钢的PDS5等。我国研制了一些含硫易切削预硬化塑料模具钢,如5NiSCa、8Cr2MnWMoVS、P20BSCa等。
  (8)非调质型预硬塑料模具钢  该类钢通过合理的化学成分配比,不需要调质处理,经过锻、轧加工空冷后可实现预硬化,硬度一般为30~40HRC,不需要再进行调质处理。为改善切削加工性能,有些钢中还添加了适量的P、S和Ca。该类钢可节约能源和生产成本,缩短生产周期,具有良好的应用前景。国内对非调质塑料模具钢的开发较晚,25CrMnVTiSCaRE(代号FT)、2Cr2MnMoVS和2Mn2CrVCaS是近几年开发的新钢种。经锻、轧加工和空冷后,FT钢ф100mm圆钢的硬度可以达到30~35HRC。
  (9)时效硬化塑料模具钢  该类钢一般含碳量较低,通过加入一定数量的Ni、Al、Ti、Mo、Cu等元素,在热处理时,通过时效处理,析出金属间化合物,使模具硬度上升到40HRC以上。时效处理变形小,可以在加工后进行时效处理,如大同特殊钢公司的NAK55、NAK80,BOHLER的M261,日立金属的HPM1、HPM50等。
  该类钢种由于含有相当数量的Ni、Cr、Mn元素,奥氏体稳定性好,在时效过程中,由于从基体中弥散析出Ni3Al和富Cu相而得到强化。另一类高合金的马氏体时效钢是从高强钢发展来的,如18Ni、大同特殊钢的MASIC(00Ni18Co9Mo5Ti)、日立的YAG等,韧性好,镜面加工性能好。
  但由于这类钢一般采用特种冶炼工艺,并含有较贵重的合金元素,成本高,使用范围受到限制。
  目前国内外普遍应用较多的就是10Ni3MnCuA1钢,其基本成分与日本大同特殊钢的NAK80相当,该钢一般经空冷淬火后,经510℃回火,硬度达到42~44HRC,断面收缩率为15.4%,伸长率为55.1%,具有良好的综合力学性能。
  (10)整体淬火高硬度塑料模具钢  压制复合强化塑料的模具,要求有较高的耐磨性,多采用整体淬硬塑料模具钢。一般借用冷作模具钢(如SKD11,SKD12等)和热作模具钢(如SKD61等)。但近年来,为了改善钢的韧性、抗回火稳定性、组织均匀性和切削性能,国外模具钢生产的主要企业发展一些新的钢种,如日立金属的HPM31、FDAC,高周波的KD21和大同特殊钢的PD613、DH2F等钢种。
  (11)高可焊性塑料模具钢  高可焊性塑料模具钢是一般用于要求采用堆焊工艺可修复的材料,为了简化焊接工艺,国外发展一些专用钢种,焊前可不预热,焊后可不后热,尤其是日本大同特殊钢公司发展的PXZ和PX5钢。
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