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1. 橡塑模具材料的性能
由於橡塑模具的使用條件不同，對橡塑模具材料的使用性能要求也各不相同。總的來說，要求模具材料應具有一定的強度、硬度、耐磨性和耐熱性能等，同時也要求模具材料應具備良好的工藝性能，其中包括可加工性、拋光性能、焊接性能、表面飾紋加工性能、尺寸穩定性和熱處理變形小等(圖1)。這些要求對於製造大型、複雜、高精度的塑料成型模具更為重要。
2. 滲碳型橡塑模具鋼
滲碳型橡塑模具鋼的塑性好，主要用於冷擠壓成形的橡塑模具，無需進行切削加工，對於大批量生產同一形狀的模具是很有利的，它可縮短模具的製造週期、降低成本，而且模具的互換性好。為了便於冷擠壓成形，這類鋼在退火狀態必須有高的塑性和小的變形抗力，冷加工硬化效應不明顯。
成形複雜模腔時，要求退火硬度≤100HBW；成形淺模腔時，要求退火硬度≤160HBW。因此，對這類鋼要求有低的碳含量，一般Wc=0.10%~0.25%；鋼中的合金元素使鐵素體產生固溶強化，這是我們不希望的，因而需要加以選擇和限制，鉻、鎳是比較理想的元素。常用滲碳型橡塑模具鋼有20、20Cr、12CrNi2、12CrNi3、12Cr2Ni4、20CrNi4、LJ鋼等(圖2)。
(2-1) 12CrNi3鋼
12CrNi3鋼(圖3)是傳統的中淬透性合金滲碳鋼，冷成形性能屬中等。該鋼碳含量較低，加入合金元素鎳、鉻，以提高鋼的淬透性和滲碳層的強韌性，尤其是鎳，在產生固溶強化的同時，明顯提高鋼的塑性。該鋼的鍛造性能良好，鍛造加熱溫度為1200°C，始鍛溫度1150°C，終鍛溫度大於850°C，鍛後緩冷。
為了提高鋼的冷成形性，鍛後必須進行軟化退火，退火工藝為加熱到740~760°C，保 溫4~6h後以5~10°C/h的速度緩冷至600°C，再爐冷至室溫，退火後的硬度<160HBW，適於冷擠壓成形。
12CrNi3 鋼也可用來製造切削加工成形的橡塑模具，為了改善切削性能，模坯須經正火處理，正火工藝為加熱到880~900°C，保溫3~4h後空冷，正火硬度≤229HBW，切削性能良好。
12CrNi3 鋼採用氣體滲碳工藝時，加熱溫度為900~920°C，保溫6~7h，可獲得0.9~ 1.0mm的滲碳層，滲碳後預冷至800~850°C直接油冷或空冷淬火，淬火後表層硬度可達 56~62HRC，心部硬度為250~380HBW。12CrNi3鋼主要用於冷擠壓成形複雜的淺型腔塑膠模具，或用於切削加工成形大、中型塑膠模具。
(2-2) 20Cr2Ni4鋼
20CrNi4鋼(圖4)為高強度合金滲碳鋼，有良好的綜合力學性能，其淬透性、強韌性均超過 12CrNi3鋼。該鋼可鍛性能良好，鍛造加熱溫度為1200°C，始鍛溫度1150°C，終鍛溫度大於850°C，鍛後緩冷。
20Cr2Ni4鋼如在鍛後出現晶粒粗大時，即使經正火及隨後滲碳加熱，在淬火後仍將得到粗大的馬氏體組織。而且，當表面碳含量較高時，還易於在粗大奧氏體晶粒的晶界上形成碳化物網。對於此類鋼，如鍛後發現晶粒粗大，可以用下列熱處理工藝加以改善。
即先在640~670°C回火6h後空冷，以消除鍛造後的殘餘應力。然後以大於20°C/min的速度加熱到880~940°C，空冷，再在650~770°C回火，以獲得均勻細小的珠光體和少量鐵素體組織。
(2-3) LJ鋼(0Cr4NiMoV)
LJ鋼(圖5)為冷擠壓成形橡塑模具專用鋼。LJ鋼的碳含量極低，塑性優異，變形抗力低，其冷擠壓成形性能與工業純鐵相近，冷擠壓成形的模具模腔輪廓清晰、光潔、精度高。鋼中的主加元素為Cr，輔加元素為Ni、Mo、V等，合金元素的主要作用是提高鋼的淬透性，提高滲碳層的硬度、耐磨性和心部強度。
LJ鋼具有良好的鍛造性能和熱處理工藝性能。鍛造加熱溫度為1230°C，始鍛溫度為 1200°C，始鍛溫度為900°C。退火加熱溫度為880°C，保溫2h，隨爐緩冷至650°C出爐空冷，退火硬度為100~105HBW。
LJ鋼的滲碳速度快，滲碳速度比20鋼快一倍，固體滲碳加熱溫度為930°C，保溫6~ 8h，滲後在850~870°C油中淬火，在200~220°C回火2h，回火後表面硬度為58~60HRC，心部硬度為27~29HRC，熱處理變形小。LJ鋼主要用來冷擠壓成形精密塑膠模具，由於滲碳層深度較大，不會出現模腔表面塌陷和內壁咬傷的現象，使用效果良好。
3. 預硬型橡塑模具鋼
預硬型橡塑模具鋼是指將熱加工的模組，預先調質處理到一定硬度(一般分為10HRC、20HRC、30HRC、40HRC 四個等級)供貨的鋼材，待模具成形後，不需再進行最終熱處理就可直接使用。從而避免由於熱處理而引起的模具變形和開裂，這種鋼稱預硬化鋼。預硬化鋼最適宜製作形狀複雜的大、中型精密塑膠模具。
常用的預硬型橡塑模具鋼有 3Cr2Mo (P20)、3Cr2NiMo (P4410)、P20BSCa、P20SRe、P20S、5NiSCa、SM1、8Cr2MnWMoVS、4Cr5MoSiV1(H13)鋼等(圖6)。
預硬化鋼的使用硬度一般在30~42HRC範圍內，可加工性較差。為了減少機加工工時、 延長刀具使用壽命、降低模具成本，中國或國外都研製了一些易切削預硬化鋼，即加入 S(硫)、Pb(鉛)、Se(硒)、Ca(鈣)等合金元素，以改善鋼的可加工性。下面介紹幾種典型的預硬化橡塑模具鋼。
(3-1) 3Cr2Mo(P20)系列鋼
(3-1-1) 3Cr2Mo鋼
3Cr2Mo鋼(圖7)與美國通用型塑膠模具鋼P20是同類型鋼，具有高的純潔度，鏡面拋光性好，力學性能均勻。該鋼含有合金元素鉻、鉬，故淬透性較好，通常採用調質預硬處理，預硬硬度一般為30~36HRC。
將3Cr2Mo鋼調質到30HRC以上的硬度，進行機械加工，然後進行拋磨，表面粗糙度可達到R=0.05~0.10um的鏡面要求，P20鋼價廉物美，主要用於製造中、小型橡塑模具，如黑白電視機、大型收錄機的外殼和洗衣機面板蓋等塑膠成型模具。該鋼在成形加工後，還可進行鍍鉻、滲碳、滲氮、氣相沉積等表面處理，以提高模具型腔表面的耐磨性。
近年來，中國的材料商在3Cr2Mo鋼的基礎上，研究開發了一系列模具材料，如3Cr2NiMo (P4410)、P20BSCa、P20SRe、3Cr2MnMo(GZ943)、3Cr2NiMnMo(GZ942)、3Cr2NiMnMoV(GZ941)、P20S、P20Ca等，初步形成了3Cr2Mo(P20)系列鋼。
(3-1-2) 3Cr2NiMo(P4410)鋼
3Cr2NiMo鋼(圖8)是3Cr2Mo鋼的改進型，是在3Cr2Mo鋼的基礎上添加品質分數為0.8% 1.2%的鎳而製成的鋼種，以提高鋼的淬透性、強韌性和耐蝕性。中國研製的P4410鋼的成分，與瑞典生產的P20鋼改進型鋼號718一致。截面厚度為250mm的鋼坯經860°C加熱淬火後，整個截面的硬度均勻，均為45HRC。
P4410鋼有較高的純潔度,組織緻密，鏡面拋光性能好，表面粗糙度可達Ra0.01~0. 05 um。經預硬化到32~36HRC後，具有良好的車、銑、磨等可加工性。
P4410鋼可採用火焰局部加熱到800~825°C，在空氣中自然冷卻或壓縮空氣冷卻，使局部表面的硬度達到56~62HRC,以延長模具的使用壽命。也可對模具進行表面鍍鉻，表面硬度從370~420HV提高到1000HV，顯著提高模具的耐磨性和耐蝕性。該鋼的焊接工藝性良好，可進行焊補修復。該鋼主要用於預硬截面厚度要求大於250mm的橡塑成型模具。
(3-2) Y55CrNiMnMoV (SM1)鋼
Y55CrNiMnMoV鋼屬含硫系易切削預硬塑膠模具鋼，經預硬處理後，硬度一般為35~ 40HRC。在此硬度下，SM1鋼具有高的強韌性、優良的切削性能和鏡面拋光性能，模具加工成形後可不再熱處理而直接使用。此鋼還具有較好的耐蝕性和可滲氮等優點，廣泛用於製造高精度橡塑成型模具，如答錄機外殼模、洗衣機外殼模、繼電器組合件射出模等。
SM1鋼的碳、鉻含量較低，具有比較好的鍛造性能，鍛造加熱溫度為1150°C，始鍛溫度為1050°C，終鍛溫度≥850°C，鍛後需進行球化退火，等溫球化退火工藝為緩慢升溫到810°C左右，保溫2 ~ 4h，冷卻到680°C等溫4~6h，爐冷到550°C出爐，退火硬度為200HBW。SM1鋼的淬火加熱溫度為800~860°C，淬火硬度為58HRC，回火溫度為620°C，回火硬度為35~40HRC。
(3-3) 5CrNiMnMoVSCa (5NiSCa)鋼
5NiSCa鋼(圖9)是中國研製的高效新鋼種，屬於硫、鈣複合系易切削預硬化橡塑模具鋼。該鋼不僅具有良好的切削性能，而且鏡面拋光性也好，蝕刻花紋圖案清晰逼真，並在使用中有較強的保持模具鏡面的能力。
5NiSCa鋼經880°C加熱油淬、600°C回火的預硬處理後，硬度為36~48HRC，具有優良的綜合力學性能、耐磨性能、等向性能、切削性能和鏡面拋光性能，表面粗糙度可達Ra,0. 05 ~ 0. 025 um，拋光後的模具，置於大氣中容易銹蝕氧化，應及時進行鍍鉻或滲氮處理，既能保護模腔表面，又能提高表面硬度和耐磨性。5NiSCa鋼在高硬度(50HRC以上)仍具有高的韌性及止裂能力，且變形小。
5NiSCa鋼的鍛造預熱溫度為800°C,鍛造加熱溫度為1100°C，始鍛溫度為 1070~1100°C，始鍛溫度為850°C，鍛後砂冷。此鋼鍛造變形抗力小，塑性良好，容易鍛造。
5NiSCa鋼可用於製作型腔複雜、精密的大、中、小型射出模具、橡皮模具，例如收錄機、洗衣機等塑膠模具，模具使用壽命超過P20鋼，接近進口模具的先進水準。這材料在還沒開發出來前，過去依靠進口NAK55及S136鏡面鋼。現將5NiCa鋼預硬處理到40~42HRC後製造模具，使用效果良好，模具品質和使用壽命超過了進口鋼材，從而解決了中國內對易切削高精度預硬模具鋼的要求。
(3-4) 8Cr2MnWMoVS (8Cr2S)鋼
8Cr2S鋼是中國研製的硫系易切削預硬化高碳鋼，該鋼不僅用來製作精密零件的冷冲壓模具，而且經預硬化後還可以用來製作塑膠成型模具。此鋼具有高的強韌性、良好的切削性 能和鏡面拋光性能，具有良好的表面處理性能，可進行滲N、滲B、鍍Cr、鍍Ni等表面處理。
8Cr2S鋼的可鍛性，鍛造加熱溫度為1100~1150°C，始鍛溫度為1060°C，終鍛溫度 ≤900°C，鍛造後，MnS(硫化錳)沿鍛軋方向延伸成條狀。等溫球化退火工藝為790~810°C加熱2h，然後冷到700°C再保溫6~8h，爐冷到550°C出爐，退火硬度≤229HBW，退火組織為細粒狀珠光體。
8Cr2S鋼的淬火加熱溫度為860~920°C，油冷淬火、空冷淬火或在240~280°C硝鹽中等溫淬火都可以，100mm的鋼材空冷淬火可以淬透，淬火硬度為62~64HRC。回火溫度可在 550~620°C溫度範圍內選擇，回火硬度為40~48HRC。因加有S，預硬硬度為40~48HRC的8Cr2S鋼坯，其切削性能與調質到30HRC的碳素鋼相近。
(3-5) 空冷12鋼和Y82鋼
空冷12鋼屬Mn-B系中高碳空冷貝氏體鋼。具有良好的淬透性，在熱鍛或熱軋後(終鍛軋900°C)空冷自硬化，再經低溫回火，獲得高強度、高硬度(≥50HRC)的細化B/M 複相組織，變形極小，並能保持高的拋光性。生產工藝簡單、節能、成本低(因省去了淬火重新加熱程式)、模具使用壽命長。
Y82鋼屬Mn-B-S-Ca系中碳低合金易切削空冷預硬型貝氏體鋼。採用少量Mn、B合金化，空冷即可獲得B/M(貝氏體/馬氏體)複相組織，具有優良的強韌性和淬透性。Y82鋼加入適量的易切削元素S和Ca，改善了夾雜物的形態，提高了Y82鋼的可加工性和拋光性能，Y82鋼可以在預硬轉狀態下加工成形，並可拋光至鏡面。其特性與上述的空冷12鋼相似。它在熱成形後空冷，再經中溫回火，獲得硬度約40HRC及良好的強韌性配合。可用於電視機殼等模具。
4. 整體淬硬型橡塑模具鋼
用於壓制熱固性塑膠、複合強化塑膠(如尼龍型強化或玻璃纖維強化塑膠)產品的模 具，以及生產批量很大、要求模具使用壽命很長的塑膠模具，一般選用高淬透性的冷作模具鋼和熱作模具鋼材製造。這些材料通過最終熱處理,可保證模具在使用狀態具有高硬度、高耐磨性和長的使用壽命。用於製造塑膠模具的冷作模具鋼主要有 T10A、9Mn2V、9SiCr、CrWMn、9CrWMn、Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1、7CrSiMnMoV、GCr15鋼等(圖10)。
與冷作模具鋼比較，熱作模具鋼的韌度好，淬透性高，回火穩定性高，因此可以進行滲氮，從而大大地提高了模具表面的耐磨性，更適合製造要求高溫固化的塑膠成型模具。常用於製造塑膠模具的熱作模具鋼有5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、5CrW2Si鋼等(圖11)。
這類材料由於淬透性高,如4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiVS(H11+S)鋼，當鋼材截面尺寸小於150mm時，用空冷淬火就可以獲得較高的硬度，從而有效地減少模具的熱處理變形量，適宜製造複雜、精密的塑膠成型模具。
熱作模具鋼的最終熱處理一般採用淬火加高溫回火，使基體獲得回火屈氏體或回火索氏體組織，以保證鋼材具有較高的韌度。
☆ 其他參考資料及文章
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