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5. 耐腐蝕型橡塑模具鋼
在生產以聚氯乙烯或是添加含有阻燃劑為原料的塑膠製品時，模具材料必須具有一定的耐蝕性。常用來製作塑膠模具的耐蝕鋼有3Cr13、4Cr13、9Cr18、Crl8MoV、Crl4Mo、 Cr14Mo4V、1Cr17Ni2等不銹鋼和馬氏體時效不銹鋼(圖1)。
(5-1) 高碳高鉻型耐蝕鋼
常用於製作塑膠模具的高碳高鉻型耐蝕鋼有9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4、 PCR、AFC-77、4Cr13、1Cr17Ni2 鋼等(圖2)。
高碳高鉻耐蝕鋼屬於萊氏體鋼，必須通過鍛造使粗大碳化物均勻分佈。鋼坯的鍛造加熱溫度為1100~1130°C，始鍛溫度為1050~1080°C，終鍛溫度為850~900°C。鍛後砂冷或灰冷。為降低鍛造後的硬度，改善可加工性，並為淬火作好組織準備，鍛後應進行球化退火，退火組織為粒狀珠光體和均勻分佈的粒狀碳化物，退火硬度為179~255HBW。
(5-2) 中碳高鉻型耐蝕鋼—4Cr13
4Cr13(圖3)屬於馬氏體不銹鋼，嚴格地講，只能耐大氣和水蒸氣腐蝕，在熱處理後能獲得較高的硬度和耐磨性，可用於製造要求一定耐蝕性的塑膠模具。
4Cr13的軟化處理，可以採用在750~800°C溫度進行高溫回火2~6h，也可採用在875 ~ 900°C溫度保溫1~2h，以15~20°C/h 的速度冷至低於 600°C出爐空冷，退火硬度為170~ 200HBW。
4Cr13鋼的淬火溫度一般選擇在 1040~1060°C，4Cr13鋼通常在兩種回火狀態下使用，當要求高硬度和高耐蝕性時可在200~350°C溫度回火；當要求強度、塑性和衝擊韌度有最佳配合，且耐蝕性又較高時，則採用650~750°C回火。
(5-3) 低碳鉻鎳型耐蝕鋼—1Cr17Ni2
1Cr17Ni2鋼(圖4)屬於馬氏體型不鏽耐酸鋼，對於氧化酸類、鹽類的水溶液有良好的耐蝕性，1Cr17Ni2鋼具有較高的強度和硬度，而且耐蝕性能較4Cr13好，缺點是有脆性傾向，焊接性較差。
1Cr17Ni2鋼的淬火溫度一般為1000°C，與4Cr13不銹鋼一樣，也是在淬火後低溫回火或高溫回火具有最好的耐蝕性。淬火後經250~300°C回火，基體組織為回火馬氏體，鋼 強度、硬度較高，耐磨性好，而且具有高的耐蝕性。回火溫度在600~700°C，鋼的基體組織為回火索氏體，具有較好的強度與韌度配合，而且也具有較高的耐蝕性。
(5-4) 0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)鋼
PCR鋼是一種馬氏體沉澱硬化不銹鋼，因碳含量低，耐腐蝕性和焊接性都優於馬氏體 型不銹鋼，而接近奧氏體不銹鋼。PCR鋼熱處理工藝簡單，經1050°C固溶處理後空冷可獲得單一的板條馬氏體組織，硬度為32~35HRC，具有良好的可加工性。經460~480°C時效處理後，由於馬氏體基體析出富銅相，使強度和硬度進一步提高，達44HRC，同時獲得較好的綜合力學性能。
PCR鋼經時效處理後，工件僅有微量變形，其拋光性能良好，拋光後在300~400°C進行PVD表面離子鍍處理，可獲得大於1600HV的表面硬度。因此，PCR鋼適於製造要求高耐磨、高精度和耐腐蝕的塑膠成型模具，如氟塑料、加阻燃劑塑膠、聚氯乙烯成型模具。
6. 時效硬化型橡塑模具鋼
對於複雜、精密、高使用壽命的塑膠模具，模具材料在使用狀態必須有高的綜合力學性能，為此，必須採用最終熱處理。但是，採用一般的最終熱處理工藝，往往導致模具的熱處理變形，即模具的精度就很難達到要求。而時效硬化型橡塑模具鋼在固溶處理後變軟(一般為28~34HRC)，可進行切削加工，待冷加工成形後進行時效處理，可獲得很高的綜合力學性能。
時效熱處理變形很小，而且這類鋼一般具有焊接性能好，以及可以進行滲氮等優點，適用於製造複雜、精密、高使用壽命的橡塑模具。時效硬化型橡塑模具鋼主要包括兩種類型，即馬氏體時效鋼和析出硬化型鋼。
(6-1) 馬氏體時效鋼
自1959 年馬氏體時效鋼出現以來，由於這類鋼具有高的強度/密度比、良好的可加工性和可焊性，以及簡單的熱處理工藝等優點，立即受到宇航工業的高度重視，得到了迅速的發展。其中最為典型的鋼號是18Ni馬氏體時效鋼，它們的屈服強度為1400~3500MPa，典型牌號有18Ni (200)、18Ni (250)、18Ni (300)、18Ni(350)、06Ni6CrMoVTiAl等(圖5)。
對於模具而言，所要求鋼材具備的性能比宇航工業低，對冶金品質及性能的要求可適當降低，並為此發展了一些低鈷、無鈷、低鎳的馬氏體時效鋼，如06Ni6CrMoVTiAl鋼，從而使鋼材的成本大幅度下降。
馬氏體時效鋼是不同於常規鋼種的超高強度鋼，它不是由於碳含量而強化的，這種鋼是由於很低碳含量的馬氏體基體時效硬化時，發生金屬間化合物沉澱而強化的，強度與淬透性無關。事實上，碳在馬氏體時效鋼中是雜質，要控制在盡可能低的範圍內。
馬氏體時效鋼在冷卻時奧氏體轉變為馬氏體，在達到Ms溫度和形成馬氏體以前沒有相變。大工件即使很慢冷卻也只產生馬氏體，而不會出現大尺寸截面淬透性不足的問題。馬氏體時效鋼的熱處理工藝見(圖6)。馬氏體時效鋼固溶處理後的硬度很低，一般在28HRC左右，可以進行切削加工，而時效的溫度較低，對模具表面品質的影響不大。
06Ni6CrMoVTiAl鋼，代號06Ni，屬低鎳馬氏體時效鋼，價格比18Ni類馬氏體時效鋼低得多，此鋼的突出優點是熱處理變形小。經850°C固溶處理1h後硬度為25~28HRC，具有良好的可加工性和拋光性能。
06Ni鋼固溶處理後，採用的冷卻方式不同，對固溶及時效硬度的影響很大。如固溶後空冷，硬度為26~28HRC，油冷硬度為24~25HRC，水冷硬度為22~23HRC。固溶後的冷卻速度越快，硬度越低，但時效後的硬度卻越高。
時效工藝為500~540°C時效4~8h，一般採用520°C時效6h，硬度為43~48HRC，組織為板條馬氏體加析出的強化相Ni3Al、Ni3Ti、TiC、TiN，具有良好的綜合力學性能和一定的耐蝕性，並可以進行滲氮、鍍鉻。
06Ni鋼已分別應用在化工、儀錶、輕工、電器、航空航太和國防工業部門，用以製作光碟盒、照相機、傳真印表機等零件的塑膠模具，均收到良好的效果。
(6-2) 析出硬化型時效鋼
析出硬化型時效鋼(圖7)所含的合金元素(品質分數)比馬氏體時效鋼少，特別是含鎳量少 得多。材料也是在固溶處理狀態下，硬度為30HRC左右，可以進行切削加工，製成模具後 再進行時效處理，使硬度達到40HRC左右，而時效變形量很小，約在0.01%左右，適用於製造高硬度、高強度和高韌度的精密塑膠模具，典型鋼號有25CrNi3MoAl、10Ni3MnCuAlMo(PMS)、Y20CrNi3AlMnMo(SM2)、P21等。
固溶處理的目的在於得到細小的板條馬氏體，以提高鋼的強韌性；固溶淬火後的馬氏體硬度較高，為降低鋼的硬度，需進行高溫回火，而高溫回火工藝的選擇，既要使馬氏體充分分解，又要避免NiAl相的脫溶析出。鋼材的最終性能是通過時效處理得到的，為了使析出硬化鋼在時效過程中脫溶NiAl相而強化，必須在NiAl相溶溫度範圍內進行時效處理。
(6-2-1) 25CrNi3MoAl鋼
25CrNi3MoAl鋼為低Ni無Co型Ni-Mo-Al系，析出硬化型馬氏體時效鋼，適用於制造變形率要求在5%以下、鏡面要求高或表面要求光刻花紋的普通及精密塑膠模具，經軟化處理後，可通過冷擠壓成形。
25CrNi3MoAl鋼的特點是鎳含量低，價格遠低於馬氏體時效鋼，也低於超低碳合金時效鋼。調質硬度為230~250HBW，有良好的切削性能和電加工性能，時效硬度為38 42HRC，時效變形可控制在0.05%範圍內。鏡面研磨性好，表面粗糙度可達Rą0.2 0~025um，表面光刻侵蝕性好，光刻花紋清晰。焊接修補性好，時效後焊縫硬度和基體硬度相近。
用作一般精密塑膠模具時的熱處理工藝為經880°C固溶處理後水或空冷，硬度為48~ 50HRC，再經680°C回火5h，硬度為22~23HRC。加工成形後經 540°C時效6h，硬度為39~42HRC，時變形率約為-0.039%，經研磨或光刻花紋後裝配使用。
由於析出硬化鋼的時效溫度範圍與滲氮溫度範圍相當，故時效處理與滲氮處理可以同時進行，提高模具表面的耐磨性和抗咬合能力。用作高精密塑膠模具時，加工工藝基本與上述工藝相同，只是在粗加工和半精加工後，進行一次650°C保溫1h的去應力處理，時效變形率僅為-0.01%-0.02%。
(6-2-2) 10Ni3MnCuAIMOS (PMS)鋼
PMS鋼屬馬氏體析出硬化型鏡面塑膠模具鋼，此鋼採用低的碳含量，在熱處理時析出NiAl、CuAl、CuNi等彌散的金屬間化合物，獲得所需的硬度。PMS鋼具有良好的鍛造性能，鍛造加熱溫度為1130~1160°C，始鍛溫度1100~1120°C，終鍛溫度>850°C，鍛後灰冷。鍛後不必退火，即可進行機械加工。
PMS鋼的固溶加熱溫度為840~900°C，一般選用870°C固溶處理1h後空淬，硬度30~ 35HRC,具有良好的冷熱加工性能，在零件製作成形後，經490~500°C時效處理，硬度在45HRC左右，具有良好的綜合性能和鏡面加工性能，且變形極小。PMS鋼中含有一定量的Al，因此，特別適宜於進行表面滲氮或氮碳共滲處理，處理後的硬度可達1000HV以上，其時效溫度與滲氮溫度相近，故滲氮時可同時進行時效處理。用於要求有高鏡面要求的精密模具，是理想的光學透明塑膠製品的成型模具材料。
PMS鋼還具有良好的焊接性能，補焊區域硬度為30HRC左右，可以進行機械加工，鋼中不含S等易切削元素，補焊時沒有SO2氣體逸出，補焊品質優良，為模具補焊修復提供了方便。含碳量在下限時，PMS鋼實際上是一種Fe-Ni-Al-Cu合金，可以擠壓成形，對於形狀複雜的模具，這一優點顯得特別重要。
PMS鋼表面經機械加工和拋光後，表面粗糙度R≤0.05um，拋磨時間較45鋼可縮短 50%，而表面品質比45鋼高1倍。並且表面潔淨耐蝕，無針孔斑塊缺陷，圖案蝕刻性能絕佳。PMS鋼表面耐蝕性高，在鹽酸溶液中加熱沸騰時，有極好的耐蝕性，腐蝕率只有2Cr13鋼的1/6~1/8。
(6-2-3) Y20CrNi3 AlMnMo (SM2)鋼
SM2 鋼屬含硫系中合金時效硬化易切削預硬鋼，它具有良好的綜合力學性能和加工工藝性能、優良的鏡面拋光性能，可滲氮。用於高精度模具。
SM2鋼中加入Al，在時效時可以析出硬化相Ni3Al。加入Cr的主要作用是提高鋼的淬透性，因此SM2鋼比PMS鋼的淬透性稍高，加入S和Mn，可以形成易切削相MnS，因此，SM2鋼的可加工性優於PMS鋼。
SM2鋼的鍛造工藝與SM1鋼相同，鍛後不必退火。SM2鋼的固溶加熱溫度為870~930°C，一般選900°C固溶處理2h後油冷，硬度為42~45HRC，700°C高溫回火2h後油冷，硬度為28HRC，具有良好的切削性能，加工成形後經500~520°C時效處理，硬度為40HRC。對於要求型腔表面光潔、精度較高的模具，可在此硬度下進行精加工，拋光表面。SM2鋼具有良好的滲氮、氮碳共滲、離子滲氮、氧氮共滲工藝性能。
☆ 其他參考資料及文章
★【塑膠模具材料選擇技巧詳解】(按圖超連結)
★【模具壽命與模具鋼材的選擇】(按圖超連結)
★【中國模具鋼號、代號一覽表】
★【中國與主要工業國家常用模具鋼鋼號對照表】
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