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塑胶模具钢的热处理

发表时间:2018-04-02 00:00

塑料制品已在工业及日常生活中得到广泛应用。塑料模具已向精密化、大型化方向发展,对塑料模具钢的性能要求越来越高。塑模钢的性能应根据塑料种类、制品用途、成型方法和生产批量大小而定。一般要求塑料模具钢有良好的综合性能,对模具材料的强度和韧要求不如冷作和热作模具高,但对材料的加工工艺性能要求高,如热处理工艺简便、处理变形小或者不变形、预硬状态的切削加工性能好、镜面抛光性能和图案蚀刻性能优良等。

塑料模具钢所要求的基本性能如下:

1)综合力学性能成型模具在工作过程中要受到不同的温度、压力、侵蚀和磨损用。因此要求模具材料组织均匀,无网状及带状碳化物出现,热处理过程应具有较小的氧化、脱碳及畸变倾向,热处理以后应具有一定的强度。为保证足够的抗磨损性能,许多塑料模具经调质后再进行渗氮或镀铬等表面强化处理。

2)切削加工性能对于大型、复杂和精密的注射模具,通常预硬化到28~35HRC之间,再进行切削和磨削加工,至所要求的尺寸和精度后再投人使用,从而排除热处理变形、氧化和脱碳的缺陷。因此常用加入易切削元素S、Co和稀土,以改善预硬的切削加工性能。

3)镜面加工性能做光盘和塑料透镜等塑料制品的表面粗糙度要求很高,主要由模具型腔的粗糙度来保证。一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一级。模具钢的镜面加工性能与钢的纯洁度、组织、硬度和镜面加工技术有关。高的硬度、细小而均匀的显微组织、非金属夹杂少,均有利于镜面抛光性提高。镜面抛光性要求高的塑料模具钢常采用真空熔炼、真空除气。

4)图案蚀刻性能某些塑料制品表面要求呈现清晰而丰满的图案花纹,皮革工业中大型皮纹压花版,都要求模具钢有良好的图案光刻性能。图案光刻性能对材质的要求与镜面抛光性能相似,钢的纯洁度要高,组织要致密,硬度要高。

5)耐蚀性能含氯和氟的树脂以及在ABS树脂中添加抗燃剂时,在成型过程中将释放出有腐蚀性的气体。因此,这类塑料模具要选用耐蚀塑料模具钢,或镀铬,或采用镍磷非晶态涂层。

另外,还要求塑料模具钢有良好的预硬化性能、较高的冷压性能和补焊性能等。

塑料模具钢根据化学成分和使用性能,可以分为:渗碳型、预硬化型、耐蚀型、时效硬化型和冷挤压成形型等。它们的热处理分述如下。

1.渗碳型塑料模具钢的热处理

受冲击大的塑料模具零件,要求表面硬而心部韧,通常采用渗碳工艺、碳氮共渗工艺等来达到此目的。

一般渗碳零件可采用结构钢类的合金渗碳钢,其热处理工艺与结构零件基本相同。对于表面质量要求很高的塑料模具成型零件,宜采用专门用钢。热处理的关键是选择先进的渗碳设备,严格控制工艺过程,以保证渗碳层的组织和性能要求。

渗碳或碳氮共渗工艺规范可参考热处理行业工艺标准:JB/T3999-1999《钢的渗碳与碳氮共渗淬火回火处理》。

常用渗碳型橡塑模具钢有20、20Cr、l2CrNi2、l2CrNi3、l2Cr2Ni4、20Cr2Ni4钢等。

1)l2CrNi3钢l2CrNi3钢是传统的中淬透性合金渗碳钢,冷成形性能属中等。该钢碳含量较低,加入合金元素镍、铬,以提高钢的淬透性和渗碳层的强韧性,尤其是加入镍后,在产生固溶强化的同时,可明显提高钢的塑性。该钢的锻造性能良好,锻造加热温度为1200℃,始锻温度1150℃,终锻温度大于850℃,锻后缓冷。

l2CrNi3钢主要用于冷挤压成形复杂的浅型腔塑料模具,或用于切削加工成形的大、中型塑料模具。采用切削加工制造塑料模具,为了改善切削加工性能,模坯需经正火处理。采用冷挤压成形型腔,锻后必须进行软化退火工艺。

12CrNi3钢采用气体渗碳工艺时,加热温度为900~920℃,保温6~7h,可获得0.9~1.0mm的渗碳层,渗碳后预冷至800~850℃直接油冷或空冷淬火,淬火后表层硬度可达56~62HRC,心部硬度为250~380HBS。

2)20Cr2Ni4钢20Cr2Ni4钢为高强度合金渗碳钢,有良好的综合力学性能,其淬透性、强韧性均超过l2CrNi3钢。该钢锻造性能良好,锻造加热温度为1200℃始锻温度为1150℃,终锻温度大于850℃,锻后缓冷。

2.预硬化型塑料模具钢的热处理

预硬型塑料模具钢是指将热加工的模块,预先调质处理到一定硬度(一般分为10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四个等级)供货的钢材,待模具成形后,不需再进行最终热处理就可直接使用,从而避免由于热处理而引起的模具变形和开裂,这种钢称预硬化钢。预硬化钢最适宜制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。常用的预硬型橡塑模具钢有3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMo(P4410)、8Cr2MnWMoVS、4Cr5MoSiVl、P20SRe、5NiSCa等。

1) 3Cr2Mo钢3Cr2Mo(现为SM3Cr2Mo)钢是最早列入标准的预硬化塑料模具钢,相当于美国P20钢,同类型的还有瑞典(ASSAB)的718、德国的40CrMnMo7、日本的HPM2钢等。3Cr2 Mo钢是GB/T 1299-1985中惟一的塑料模具钢,主要用于聚甲醛、ABS塑料、醋酸丁酸纤维素、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PEF)、聚乙烯(DPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等热塑性塑料的注射模具。

我国某厂推荐的3Cr2Mo钢的强韧化热处理工艺:淬火温度840~880℃,油冷;温度600~650℃,空冷,硬度28~33HRC。

美国标准(AISI, SAE)推荐的P20钢渗碳后的热处理工艺:淬火温度820~870℃,回火温度150~260℃,空冷,硬度58~64HRC (渗碳层表面硬度)。

2)8Cr2MnWMoVS (8Cr2S)钢为了改善预硬化钢的切削加工性,在保证原有性能的前提下添加一种或几种易切削合金元素,成为一种易切削型的预硬化钢。

8Cr2S钢是我国研制的硫系易切削预硬化高碳钢,该钢不仅用来制作精密零件的冷冲压模具,而且经预硬化后还可以用来制作塑料成型模具。此钢具有高的强韧性、良好的切削加工性能和镜面抛光性能,具有良好的表面处理性能,可进行渗氮、渗硼、镀铬、镀镍等表面处理。

8Cr2S钢热处理到硬度为40~42HRC时,其切削加工性相当于退火态的Tl0A钢(200HBS)的加工性。综合力学性能好,可研磨抛光到Ra0.025µm,该钢有良好的光刻浸蚀性能。

8Cr2S钢的淬火加热温度为860~920℃,油冷淬火、空冷淬火或在240~280℃硝盐中等温淬火都可以。直径100mm的钢材空冷淬火可以淬透,淬火硬度为62~64HRC。回火温度可在550~620℃温度范围内选择,回火硬度为40~48HRC。因加有S,预硬硬度为40~48HRC的8Cr2S钢坯,其机械加工性能与调质到30HRC的碳素钢相近。

3.时效硬化型塑料模具钢的热处理

对于复杂、精密、高寿命的塑料模具,模具材料在使用状态必须有高的综合力学性能,为此,必须采用最终热处理。但是,采用一般的最终热处理工艺,往往导致模具的热处理变形,模具的精度就很难达到要求。而时效硬化型橡塑模具钢在固溶处理后变软(一般为28~34HRC),可进行切削加工,待冷加工成形后进行时效处理,可获得很高的综合力学性能。时效热处理变形很小,而且该类钢一般具有焊接性能好,可以进行渗氮等优点。适合于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具。

时效硬化型塑料模具钢有马氏体时效硬化钢和析出(沉淀)硬化钢两大类。

1)马氏体时效硬化钢马氏体时效硬化钢有屈强度比高、切削加工性和焊接性能良好、热处理工艺简单等优点。典型的钢种是18Ni系列,屈服强度可高达1400~3500MPa。这一类钢制造模具虽然价格昂贵,但由于使用寿命长,综合经济效益仍然很高。

2)析出(沉淀)硬化钢析出硬化型钢也是通过固溶处理和沉淀析出第二相而强化,硬度在37~43HRC左右,能满足某些塑料模具成型零件的要求。市场以40HRC级预硬化供应,仍然有满意的切削加工性。这一类钢的冶金质量高,一般都采用特殊冶炼,所以纯度、镜面研磨性、蚀花加工性良好,使模具有良好的精度和精度保持性。其焊接性好,表和心部的硬度均匀。

析出硬化型塑料模具钢的代表性钢号有25CrNi3MoAl,属低碳中合金钢,相当于美国P21钢。析出硬化型钢制的模具零件还可通过渗氮处理进一步提高耐磨性、抗咬合能力和模具使用寿命。

4.耐腐蚀型塑料模具钢的热处理

生产对金属有腐蚀作用的塑料制品时,工作零件采用耐蚀钢制造。常用钢种有Crl3型

和9Crl8钢等可强化的马氏体型不锈钢。

9.1.4耐腐蚀塑料模具钢的热处理规范

序号

钢号

热处理

硬度

备注

1

Crl3系列

980~1050℃油冷,650~700℃回火,油冷。可进行渗氮提高表面硬度和耐磨性,但耐蚀性会下降

229~341HBS

2

9crl8

850℃预热,1050~1100℃奥氏体化油冷,—80℃冷处理,160~260℃回火3H,130~140℃去应力退火15~20h

58~62HR

3

S-STAR

第一次预热500℃,第二次预热80℃,奥氏体化温度1020~1070℃,空冷、油冷或气冷均可,回火:①要求酎蚀性,200~400℃回火,按60~90min/25mm;②要求高硬度,490~510℃回火,按50~90min/25mm

精度保持要求高的模具零件需进行冷处理

以预硬化钢交货, 31~34HRC;淬火回火态交货,≤229HBS

日本大同特特钢公司

需要指出的是,用现有不锈钢标准的钢号制作高镜面要求的塑料模具钢成型零件,其表面质量的要求是难以满足的。因此开发了耐腐蚀镜面塑料模具钢。例如已进入中国市场的法国CLC2 316 H钢(同类型的德国X36CrMol7),是预硬化型的抗腐蚀镜面塑料模具钢。

耐腐蚀塑料模具钢零件的热处理与一般不锈钢制品的热处理基本相同,其热处理工艺可以参考我国行业标准:热处理工艺标准在ZB/T36017-1990《不锈钢和耐热钢热处理》。塑料制品已在工业及日常生活中得到广泛应用。塑料模具已向精密化、大型化方向发展,对塑料模具钢的性能要求越来越高。塑模钢的性能应根据塑料种类、制品用途、成型方法和生产批量大小而定。一般要求塑料模具钢有良好的综合性能,对模具材料的强度和韧要求不如冷作和热作模具高,但对材料的加工工艺性能要求高,如热处理工艺简便、处理变形小或者不变形、预硬状态的切削加工性能好、镜面抛光性能和图案蚀刻性能优良等。

塑料模具钢所要求的基本性能如下:

1)综合力学性能成型模具在工作过程中要受到不同的温度、压力、侵蚀和磨损用。因此要求模具材料组织均匀,无网状及带状碳化物出现,热处理过程应具有较小的氧化、脱碳及畸变倾向,热处理以后应具有一定的强度。为保证足够的抗磨损性能,许多塑料模具经调质后再进行渗氮或镀铬等表面强化处理。

2)切削加工性能对于大型、复杂和精密的注射模具,通常预硬化到28~35HRC之间,再进行切削和磨削加工,至所要求的尺寸和精度后再投人使用,从而排除热处理变形、氧化和脱碳的缺陷。因此常用加入易切削元素S、Co和稀土,以改善预硬的切削加工性能。

3)镜面加工性能做光盘和塑料透镜等塑料制品的表面粗糙度要求很高,主要由模具型腔的粗糙度来保证。一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一级。模具钢的镜面加工性能与钢的纯洁度、组织、硬度和镜面加工技术有关。高的硬度、细小而均匀的显微组织、非金属夹杂少,均有利于镜面抛光性提高。镜面抛光性要求高的塑料模具钢常采用真空熔炼、真空除气。

4)图案蚀刻性能某些塑料制品表面要求呈现清晰而丰满的图案花纹,皮革工业中大型皮纹压花版,都要求模具钢有良好的图案光刻性能。图案光刻性能对材质的要求与镜面抛光性能相似,钢的纯洁度要高,组织要致密,硬度要高。

5)耐蚀性能含氯和氟的树脂以及在ABS树脂中添加抗燃剂时,在成型过程中将释放出有腐蚀性的气体。因此,这类塑料模具要选用耐蚀塑料模具钢,或镀铬,或采用镍磷非晶态涂层。

另外,还要求塑料模具钢有良好的预硬化性能、较高的冷压性能和补焊性能等。

塑料模具钢根据化学成分和使用性能,可以分为:渗碳型、预硬化型、耐蚀型、时效硬化型和冷挤压成形型等。它们的热处理分述如下。

1.渗碳型塑料模具钢的热处理

受冲击大的塑料模具零件,要求表面硬而心部韧,通常采用渗碳工艺、碳氮共渗工艺等来达到此目的。

一般渗碳零件可采用结构钢类的合金渗碳钢,其热处理工艺与结构零件基本相同。对于表面质量要求很高的塑料模具成型零件,宜采用专门用钢。热处理的关键是选择先进的渗碳设备,严格控制工艺过程,以保证渗碳层的组织和性能要求。

渗碳或碳氮共渗工艺规范可参考热处理行业工艺标准:JB/T3999-1999《钢的渗碳与碳氮共渗淬火回火处理》。

常用渗碳型橡塑模具钢有20、20Cr、l2CrNi2、l2CrNi3、l2Cr2Ni4、20Cr2Ni4钢等。

1)l2CrNi3钢l2CrNi3钢是传统的中淬透性合金渗碳钢,冷成形性能属中等。该钢碳含量较低,加入合金元素镍、铬,以提高钢的淬透性和渗碳层的强韧性,尤其是加入镍后,在产生固溶强化的同时,可明显提高钢的塑性。该钢的锻造性能良好,锻造加热温度为1200℃,始锻温度1150℃,终锻温度大于850℃,锻后缓冷。

l2CrNi3钢主要用于冷挤压成形复杂的浅型腔塑料模具,或用于切削加工成形的大、中型塑料模具。采用切削加工制造塑料模具,为了改善切削加工性能,模坯需经正火处理。采用冷挤压成形型腔,锻后必须进行软化退火工艺。

12CrNi3钢采用气体渗碳工艺时,加热温度为900~920℃,保温6~7h,可获得0.9~1.0mm的渗碳层,渗碳后预冷至800~850℃直接油冷或空冷淬火,淬火后表层硬度可达56~62HRC,心部硬度为250~380HBS。

2)20Cr2Ni4钢20Cr2Ni4钢为高强度合金渗碳钢,有良好的综合力学性能,其淬透性、强韧性均超过l2CrNi3钢。该钢锻造性能良好,锻造加热温度为1200℃始锻温度为1150℃,终锻温度大于850℃,锻后缓冷。

2.预硬化型塑料模具钢的热处理

预硬型塑料模具钢是指将热加工的模块,预先调质处理到一定硬度(一般分为10HRC、20HRC、30HRC、40HRC四个等级)供货的钢材,待模具成形后,不需再进行最终热处理就可直接使用,从而避免由于热处理而引起的模具变形和开裂,这种钢称预硬化钢。预硬化钢最适宜制作形状复杂的大、中型精密塑料模具。常用的预硬型橡塑模具钢有3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMo(P4410)、8Cr2MnWMoVS、4Cr5MoSiVl、P20SRe、5NiSCa等。

1) 3Cr2Mo钢3Cr2Mo(现为SM3Cr2Mo)钢是最早列入标准的预硬化塑料模具钢,相当于美国P20钢,同类型的还有瑞典(ASSAB)的718、德国的40CrMnMo7、日本的HPM2钢等。3Cr2 Mo钢是GB/T 1299-1985中惟一的塑料模具钢,主要用于聚甲醛、ABS塑料、醋酸丁酸纤维素、聚碳酸酯(PC)、聚酯(PEF)、聚乙烯(DPE)、聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等热塑性塑料的注射模具。

我国某厂推荐的3Cr2Mo钢的强韧化热处理工艺:淬火温度840~880℃,油冷;温度600~650℃,空冷,硬度28~33HRC。

美国标准(AISI, SAE)推荐的P20钢渗碳后的热处理工艺:淬火温度820~870℃,回火温度150~260℃,空冷,硬度58~64HRC (渗碳层表面硬度)。

2)8Cr2MnWMoVS (8Cr2S)钢为了改善预硬化钢的切削加工性,在保证原有性能的前提下添加一种或几种易切削合金元素,成为一种易切削型的预硬化钢。

8Cr2S钢是我国研制的硫系易切削预硬化高碳钢,该钢不仅用来制作精密零件的冷冲压模具,而且经预硬化后还可以用来制作塑料成型模具。此钢具有高的强韧性、良好的切削加工性能和镜面抛光性能,具有良好的表面处理性能,可进行渗氮、渗硼、镀铬、镀镍等表面处理。

8Cr2S钢热处理到硬度为40~42HRC时,其切削加工性相当于退火态的Tl0A钢(200HBS)的加工性。综合力学性能好,可研磨抛光到Ra0.025µm,该钢有良好的光刻浸蚀性能。

8Cr2S钢的淬火加热温度为860~920℃,油冷淬火、空冷淬火或在240~280℃硝盐中等温淬火都可以。直径100mm的钢材空冷淬火可以淬透,淬火硬度为62~64HRC。回火温度可在550~620℃温度范围内选择,回火硬度为40~48HRC。因加有S,预硬硬度为40~48HRC的8Cr2S钢坯,其机械加工性能与调质到30HRC的碳素钢相近。

3.时效硬化型塑料模具钢的热处理

对于复杂、精密、高寿命的塑料模具,模具材料在使用状态必须有高的综合力学性能,为此,必须采用最终热处理。但是,采用一般的最终热处理工艺,往往导致模具的热处理变形,模具的精度就很难达到要求。而时效硬化型橡塑模具钢在固溶处理后变软(一般为28~34HRC),可进行切削加工,待冷加工成形后进行时效处理,可获得很高的综合力学性能。时效热处理变形很小,而且该类钢一般具有焊接性能好,可以进行渗氮等优点。适合于制造复杂、精密、高寿命的塑料模具。

时效硬化型塑料模具钢有马氏体时效硬化钢和析出(沉淀)硬化钢两大类。

1)马氏体时效硬化钢马氏体时效硬化钢有屈强度比高、切削加工性和焊接性能良好、热处理工艺简单等优点。典型的钢种是18Ni系列,屈服强度可高达1400~3500MPa。这一类钢制造模具虽然价格昂贵,但由于使用寿命长,综合经济效益仍然很高。

2)析出(沉淀)硬化钢析出硬化型钢也是通过固溶处理和沉淀析出第二相而强化,硬度在37~43HRC左右,能满足某些塑料模具成型零件的要求。市场以40HRC级预硬化供应,仍然有满意的切削加工性。这一类钢的冶金质量高,一般都采用特殊冶炼,所以纯度、镜面研磨性、蚀花加工性良好,使模具有良好的精度和精度保持性。其焊接性好,表和心部的硬度均匀。

析出硬化型塑料模具钢的代表性钢号有25CrNi3MoAl,属低碳中合金钢,相当于美国P21钢。析出硬化型钢制的模具零件还可通过渗氮处理进一步提高耐磨性、抗咬合能力和模具使用寿命。

4.耐腐蚀型塑料模具钢的热处理

生产对金属有腐蚀作用的塑料制品时,工作零件采用耐蚀钢制造。常用钢种有Crl3型

和9Crl8钢等可强化的马氏体型不锈钢。

9.1.4耐腐蚀塑料模具钢的热处理规范

序号

钢号

热处理

硬度

备注

1

Crl3系列

980~1050℃油冷,650~700℃回火,油冷。可进行渗氮提高表面硬度和耐磨性,但耐蚀性会下降

229~341HBS

2

9crl8

850℃预热,1050~1100℃奥氏体化油冷,—80℃冷处理,160~260℃回火3H,130~140℃去应力退火15~20h

58~62HR

3

S-STAR

第一次预热500℃,第二次预热80℃,奥氏体化温度1020~1070℃,空冷、油冷或气冷均可,回火:①要求酎蚀性,200~400℃回火,按60~90min/25mm;②要求高硬度,490~510℃回火,按50~90min/25mm

精度保持要求高的模具零件需进行冷处理

以预硬化钢交货, 31~34HRC;淬火回火态交货,≤229HBS

日本大同特特钢公司

需要指出的是,用现有不锈钢标准的钢号制作高镜面要求的塑料模具钢成型零件,其表面质量的要求是难以满足的。因此开发了耐腐蚀镜面塑料模具钢。例如已进入中国市场的法国CLC2 316 H钢(同类型的德国X36CrMol7),是预硬化型的抗腐蚀镜面塑料模具钢。

耐腐蚀塑料模具钢零件的热处理与一般不锈钢制品的热处理基本相同,其热处理工艺可以参考我国行业标准:热处理工艺标准在ZB/T36017-1990《不锈钢和耐热钢热处理》。


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