下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
制造模具零部件的材料直接影响其使用寿命、加工成本及制品的质量。选择模具材料的主要依据是模具的工作条件，选择模具材料时需从技术和经济两方面综合考虑。从经济的观点出发，对于大批量生产的塑料制品，无论采用何种塑料、工艺条件如何、成型质量要求高低，都要选用较好的模具材料，并采取一定的热处理或表面强化的措施，使模具的寿命较长。当生产批量不大时，只要能满足制品的成型质量，就选用性能适当、价格低廉的模具材料。从技术的角度出发，要求模具材料应有良好的使用性能和良好的加工性能。
注射模具材料以钢为主，常用的钢材有碳素结构钢、碳素工具钢、合金钢、不锈钢等。此外，锌合金、铝合金、铍铜合金等有色金属和一些非金属材料，也可用于制造塑料成型模具。随着材料科学的不断进步，近年来还出现了许多制造塑料模具的新材料，如预硬钢、时效硬化钢、析出硬化钢、耐腐蚀钢等，它们各有特点，有些已在生产中得到广泛的应用。因此，模具设计人员，必须充分了解各种模具材料的使用性能、加工性能及经济性等，这样，才能根据模具的工作条件合理地选用材料。下面就注射成型模具用材的基本特点、选用原则和热处理性能，以及所采用的新材料作简单的介绍。
注射模具对材料使用性能的要求，与模具零部件的功能和种类有关，具体分述如下。
1．成型零部件
通常成型零部件都在一定的温度和压力下工作，并直接与塑料接触，它们对模具材料的使用性能要求主要包括以下几点。
1）应有良好的力学性能
成型零部件对材料力学性能的要求包括强度、刚度、韧性、硬度和耐磨性等。如果成型零部件选用力学性能优良的材料，那么模腔的形状和尺寸精度在成型过程中就能得到保证，从而可以避免或延缓发生各种失效。其中，对模腔中比较细小的型芯或成型镶块，应特别注意其强度和韧性。另外，在成型增强塑料时，应选择耐磨性优良的材料，必要时还要进行表面的强化处理。
2）应有良好的耐磨和耐蚀性
成型聚氯乙烯、氟塑料及一些阻燃型或难燃型塑料时，其容易分解出一些腐蚀性气体，危害成型零部件的表面，并加剧磨损。为保证模具的使用寿命，除了对成型零部件的表面进行镀铬等防腐处理外，还可选用不锈钢或新型的耐蚀钢。
3）应有良好的耐热和耐热疲劳的性能
塑料制品在成型时，一般都必须经过高温流动充模和冷却固化后脱模两个阶段，成型零部件除长期受热外，工作温度还会呈现周期性的变化，因此，成型零部件应有良好的耐热性和耐热疲劳性，尤其是在成型温度要求较高的工程塑料（如聚碳酸酯、聚苯醚等）时，更应注意。
4）具有较小的热膨胀系数
任何模具材料都具有热膨胀性能。如果模具材料的热膨胀系数比较大，则在常温下加工出来的模腔在工作过程中将会发生一定程度的尺寸和形状变化。虽然这种热膨胀的影响远不及塑料本身的热膨胀，但是对于精度要求较高的塑料制品来说，则仍是一种不可忽略的问题。另外，模腔中经常还会设置一些活动型芯和活动成型镶块。为防止溢料，其运动间隙一般都很小。如果不注意材料的热膨胀性能，就有可能出现热咬合的现象，最终导致活动型芯或活动成型镶块的运动发生故障。因此，设计成型零部件时，应尽量选用热膨胀系数比较小的模具材料。
2．导向零部件
导向零部件包括导柱、导套和锥面定位机构等，它们在开闭模过程中承受摩擦磨损，以及成型时产生的侧向压力。因此，设计导向零部件时，应注意模具材料的强度、韧性及耐磨性。
3．脱模和侧向抽芯机构中的零部件
在脱模机构及侧向抽芯机构中，许多零部件都具有运动的形态，并传递脱模力或顶出力，因此，要求使用的材料必须具有良好的力学性能，如强度、刚度、硬度和耐磨性等。另外，在这两种机构中，还有一些与塑料直接接触的零部件（如侧向型芯、顶杆端面及脱模板工作部位），它们受热后均会膨胀，也有可能发生类似于活动型芯或镶块热咬合的现象，因此，还需注意其热膨胀系数和耐热性等问题。
4．支撑零部件
支撑零部件包括模具中的各固定板、垫板、垫块和模座等，是模具中的受力件，模具的整体强度和刚度均需由它们保证。因此，设计这类零件时，要求选用的材料必须具有足够的强度和刚度。
选材时除了要满足上述的使用性能要求外，还应符合加工性能的要求。
1．有良好的切削加工性能
切削加工是制造各类塑料模具的主要手段，所选材料具有良好的切削加工性能是保证模具加工质量的基础。为保证模具的零部件，尤其是成型零部件具有较好的切削加工性能，通常要求模具材料在切削加工时的硬度不超过28～32HRC。这样，既可保证所加工出的模具零件具有较低的表面粗糙度，又能使切削刀具具有较长的寿命。
2．有较好的塑性加工性能
对型腔尺寸不是太大的多腔模具，可以采用塑性加工方法成型其型腔。在这种情况下，应注意选用塑性加工性能较好的模具材料。如果采用冷挤压法，则要求挤压前模具材料的硬度低于135HB，延伸率大于35%。如果采用超塑性挤压法，则要求超塑性挤压前其晶粒尺寸为10μm左右，而显微组织最好为两相。
3．有良好的热处理性能
模具零件对热处理性能的要求包括淬透性、淬硬性良好及热处理变形小等，这些性能对模具零件（尤其是成型零部件）的力学性能和模塑制品的成型质量均有重要影响，有时还能影响到模具加工方法的选择。例如，模具材料的淬透性不好时，虽经热处理，但并不能真正起到强化的作用，而使强度和刚度得不到有效的保证，在成型压力作用下容易发生弹性变形，使成型的制品无法达到预定的质量要求。又如，碳素工具钢因其淬透性差，所以，选用此类材料时应注意不能采用电火花线切割作为成型零部件的主要加工手段，否则加工精度达不到要求，甚至在加工中会产生开裂。再如，当模具材料的淬硬性不好时，其零件的硬度无法保证，成型过程中易发生磨损而过早失效。另外，如果成型零部件所用材料热处理变形较大，热处理后，不仅精加工工作量大，而且还难以保证尺寸和形状精度。
4．有良好的表面处理性能
对模具的成型零部件进行表面处理，如镀铬、渗碳、渗氮、碳氮共渗等，是为了提高其耐磨性，从而提高其使用寿命。但是，各种材料对表面处理工艺的适应性又存在差异，因此，如果准备对零件进行表面处理，选用的材料与表面处理所用介质应具有良好的化学亲和性，以达到表面强化处理的目的。
5．有良好的表面雕刻和抛光性能
由于制品的使用要求，或为了掩盖制品表面某些无法避免的成型缺陷，型腔表面有时需要雕刻各种花纹、图案、文字标记等，此时应选用表面雕刻性能良好的材料。表面雕刻性能通常指雕刻加工方便容易，雕刻后不发生变形和裂纹。
抛光的目的是为了降低制品的表面粗糙度或保证制品的光学性能。某些表面质量要求很高或具有光学性能的塑料制品，常要求模具进行镜面抛光（ R a≤0.1μm），此时所选材料的抛光性能应优良，最好选用镜面钢。此外，还要求所选材料的内部无气孔和夹杂其他非金属物质，还要易于焊接修补等。
综上所述，对塑料模具所选材料的性能要求是多方面的，通常要使所选的某种材料能同时满足这些要求是很难的。因此，在选材时，要综合地考虑塑料制品的生产批量、成型质量要求、模具材料的价格及市场的供应等情况，以及模具加工条件等因素，尽量使所选材料既满足模具的使用要求，加工难度又不会过大，制造成本也不会过高。
本节主要介绍国外、中国香港及华南地区塑料模具常用的钢材牌号。
1．黄牌钢
美国标准编号为AISI 1050～1055，日本标准编号为S50C～S55C，德国标准编号为1.1730。中国香港地区称为黄牌钢，相当于中国内地的50、55等中碳钢，此钢材的硬度为170～220HB，价格便宜，加工容易，在模具上用做模架、撑柱和一些不重要的结构件，市场上一般标准模架都采用这种钢材。
2．40CrMnMo7预硬注塑模具钢
美国、日本、新加坡、中国香港、中国内地标准编号为AISI P20，德国和有些欧洲国家编号为DIN1.2311、DIN1.2378、DIN1.2312。这种钢是预硬钢，一般不适宜热处理，但是可以氮化处理，此钢种的硬度差距也很大，为28～40HRC。由于已做预硬处理，机械切削也不太困难，所以，很适合作为一些中低档次模具的镶件，有些大批量生产的模具模架也采用此钢材（有些客户指定此钢用做模架），其优点是硬度比中碳钢高，变形也比中碳钢稳定。这种钢由于在注塑模具中被广泛采用，所以品牌也很多，其中，在中国华南地区有较为普遍的品牌。
（1）瑞典一胜百公司（ASSAB），生产两种不同硬度的牌号：一是718S，硬度290～330HB（相当于33～34HRC）；二是718H，硬度330～370HB（相当于34～38HRC）。
（2）日本大同公司（DAIDO），也生产两种不同硬度的牌号：NAK 80（硬度40±2 HRC）和NAK55（硬度40±2HRC）两种。一般情况下，NAK80作为定模镶件，NAK55作为动模镶件，要注意NAK55型腔不能留EDM（电火花）纹。据钢材代理解释是因其含硫，所以EDM后会留有条纹。
（3）德胜钢厂（THYSSEN），德国生产，有好几种编号：GS711（硬度34～36HRC）、GS738（硬度32～35HRC）、GS808VAR（硬度38～42HRC）、GS318（硬度29～33HRC）、GS312（硬度29～33HRC）。GS312含硫不能作为EDM纹，在欧洲作为模架较为普遍，GS312的牌号为40CrMnMoS8。
（4）百禄（BOHLER），澳洲生产，编号有M261（38～42HRC）、M238（36～−42HRC），M202（29～33HRC），M202型腔不能留EDM纹，因其也含硫。
3．X40CrMoV51热作钢
美国、中国内地、中国香港、新加坡标准编号为AISI H13，欧洲为DIN1. 2344，日本为SKD61，这种钢材出厂硬度是185～230HB，需要热处理。
用在注塑模具上的硬度一般是48～52HRC，也可氮化处理，由于需要热处理，加工较为困难，故模具价格比较贵。若是需要热处理到40HRC以上的硬度，模具一般用机械加工比较困难，所以，在热处理之前一定要先对工件进行粗加工，尤其是冷却水孔、螺钉孔及攻螺纹等必须在热处理之前做好，否则要退火重做。
这种钢材普遍用于注塑模具上，品牌很多，常用的品牌还有一胜百的8407（热作工具钢）和德胜的GS344ESR或GS344EFS。
4．X45NiCrMo4冷作钢
AISI 6F7欧洲编号为DIN1. 2767。这种钢材出厂硬度为260HB，需要热处理，一般应用硬度为50～54HRC。欧洲客户常用此钢，此钢韧性好，抛光效果也非常好，但此钢在中国华南地区不普遍，所以品牌不多，德胜有一款编号为GS767。
5．X42Cr13不锈钢
AISI420 STAVAX，DIN1. 2083。这种钢材出厂硬度为180～240HB，需要热处理，应用硬度为48～52HRC，不适合氮化热处理（锐角的地方会龟裂）。此钢耐蚀性及抛光的效果良好，所以一般透明制品及有腐蚀性的塑料，例如，PVC和防火料、V2、V1、V0类的塑料很适合用这种钢材。此钢材也很普遍用在注塑模具上，故品牌也很多，如一胜百的S136，德胜的GS083ESR、GS083、GS083VAR。在采用德胜时要注意：如果是透明件，那么定、动模镶件都要用GS083ESR（据钢厂资料ESR电渣重熔可提高钢材的晶体均匀性，使抛光效果更佳）。不是透明制品的动模镶件一般不需要特别低的表面粗糙度，可选用普通的GS083，此钢材价格比较便宜，也不影响模具的质量。此钢材有时客户也会要求用做模架，因为防锈关系，可以保证冷却管道的运水顺畅，以达到生产周期稳定。
6．X36CrMo17预硬不锈钢
DIN1. 2316，AISI 420 STAVAX，出厂硬度为265～380HB。如果是透明制品，有些公司一般不采用此钢材，因为抛光到高光时，由于硬度不够很容易有坑纹，同时注塑也容易出现痕迹，要经常再抛光，所以，还是用1.2083ESR，经过热处理调质使硬度至48～52HRC更好。此钢硬度不高，机械切削较容易，模具完成周期短一些。
很多公司大多在中等价格模具上采用这种有防锈功能的钢，例如，有腐蚀性的塑料，如上面提及的PVC、V2、V1、V0类，此钢用在注塑模具上也很普遍，品牌也多。例如，一胜百的S136 H，出厂硬度为290～330HB，德胜钢厂的GS316（265～310HB）、GS316ESR（30～34HRC）、GS083M（290～340HB）、GS128H （38～42HRC），日本大同的PAK90（300～330HB）。
7．X38CrMo51热作钢
AISIH11欧洲编号为DIN 1.2343，出厂硬度为210～230HB，必须热处理。一般应用硬度为50～54HRC，据钢厂的资料，此钢比1.2344（H13）韧性略高，在欧洲较多采用，有些公司也常用此钢做定模及动模镶件。由于在亚洲及美洲地区此钢不甚普及，所以品牌不多，只有2～3个品牌在中国香港地区。例如，德胜钢厂（THYSSEN）的GS343 EFS，此钢可氮化处理。
8．S7重负荷工具钢
此钢出厂硬度为200～225HB，需要热处理，应用硬度为54～58HRC，此钢一般是美国客户要求采用，用在定、动模镶件及滑块上，欧洲及中国华南地区不太普遍。主要品牌有一胜百的COMPAX—S7和德胜钢厂的GS307。
9．X155CrVMo121冷作钢
AISI D2欧洲编号为DIN1.2379，日本编号为JIS、SKDl l，出厂硬度为240～255HB，应用硬度为56～60HRC，可氮化处理，此钢多数用在模具的滑块上（日本客户比较多用）。品牌有一胜百的XW41、大同钢厂的DC53/DC11，德胜钢厂的GS379。
10．100MnCrW4＆90MnCrV8油钢
AISI01，DIN1. 2510；AISI02，DIN1.2842，出厂硬度为220～230HB，需要热处理，应用硬度为58～60HRC，此钢用在注塑模具（一般是耐磨块、压块及挡销）上。品牌有一胜百的DF2、德胜的GS510及GS842、龙记（LKM）2510。
11．Be—Cu铍铜
此材料热传导性能好，一般用在注塑模具难以做冷却的位置上，可铸造优美的曲面、立体文字（最大铸造300mm×300mm），适用于需要快速冷却或精密铸造的模芯和镶件。其硬度高，切削性能好。品牌有MOLDMAX30和MOLDMAX40，硬度分别为MM30，26～32HRC；MM40，36～42HRC。德胜（B2）出厂硬度为35HRC。
主要化学成分（质量分数）为Be 1. 9%，Co+Ni 0. 25%，Cu 97. 85%。
12．AMPC0940铜合金
此材料出厂硬度为210HB，用在模具难以冷却的地方上。散热效果也很理想，只是较铍铜软一些，强度没有敏铜那么好，所以用于产量不大的模具。
13．铝合金
凭着航空、太空实验室及通用车辆所衍生的技术，铝材工业已开发出一种锻铝特别适于塑料及橡胶模具。这种铝合金材料（如AlZnMgCu）已成功地应用于欧洲大陆，特别是在德国及意大利，另外，还有美国。
模具通常的使用温度可达150～200℃，在此温度下使用的铝合金材料抗拉强度会下降20%。由于使用条件的差异，无法测定出特别高热抗拉强度。一般而言，在高温下材料的性能较难预测。
在一般用途下，抗压强度等于抗拉强度。所有的AlZn合金，其抗疲劳性都很好。
铝材与钢材直接进行硬度比较有困难，因为多数钢材都经表面硬化或类似的处理，都以洛氏硬度测量，而铝材都以布氏硬度测量。
一般情况下，注塑模用预硬钢（经硬化及回火）即可，钢材在出厂前已经过热处理，模具制造中不必再热处理，能保证加工后获得较高的形状和尺寸精度，也易于抛光。但如果模具寿命和精度要求都很高时，可对型腔进行渗氮等表面处理或对内模镶件进行热处理。
1．模具材料的表面处理
表面处理是指以加热或化学处理方法，使模具表面在一定厚度范围内硬度增加的方法。表面处理方法有渗碳淬火、高频淬火、火焰淬火、氮化处理及镀金等。
1）渗碳淬火
低碳钢或表淬火钢，如低镍钢或镍铬钢等低含碳量的钢，在适当的渗碳剂中加热，增加含碳量。渗碳剂中以850～900℃加热8～l0h，则钢表面起渗碳层约2mm深。渗碳层深度是指钢表面至硬度50HRC处的距离，此距离称为有效硬化层深度。渗碳作业后常以淬火处理使渗碳部硬化，不需渗碳部可以用镀铜来防止。
2）高频淬火
高频淬火，是借高频感应电流将钢材表面加热，达淬火温度的瞬间，停止加热，再用适当的淬火液急冷。通常用于含碳量0.4%～0.5%的碳钢，碳钢、合金钢都有效。使用高频淬火的模具零件有导柱、复位杆、斜导柱等。
3）火焰淬火
火焰淬火是氧气、乙炔火焰将需要硬化的表面急速加热至淬火温度，再以水急冷淬硬。火焰淬火的特点：只将零件外表面淬火硬化，淬火应力小，可用于任何形状、大小之钢制品，也可利用火焰进行退火、回火。火焰淬火有全面同时淬火与移动淬火。全面同时淬火适用于较小的处理面，将全面同时加热，再将该面冷淬硬。移动淬火用于不能同时硬化处理的大面，依次移动加热和冷却而达到淬硬目的。火焰淬火适用于不易全面淬火的模具之局部淬火，或仅滑动摩擦面之淬火，可增高耐磨性，延长模具寿命。
4）渗氮
对型腔表面进行渗氮，可得到较高的表面硬度和耐磨性，耐蚀性也较良好。渗氮后无须再进行热处理，故可以在型腔全部加工完成后进行。
渗氮有下列几种。
（1）气体氮化（渗氮）。钢材应含Cr、Ti、Al、V、Mo等合金元素。处理温度：495～570℃；回火温度：520～590℃；表面硬度：900～1000HV；有效硬化层深度：0. 3mm；时间：48h；变形量：无。
（2）液体氮化。处理温度：560～580℃；时间：2～3h；有效硬化层深度：0. 01～0. 02mm；表面硬度：900～1000HV。
（3）软氮化。任何钢铁材料皆可做软氮化处理，可分为液体、气体、软渗氮。液体软渗氮（又称氮化），是无毒处理法。处理温度：570～580℃；处理时间：1～3h；淬火液：盐浴；化合层：Fe2.3（C, N, O）；内部扩散层：Fe4N；表面化合层硬度：900～1000HV；深度：0.01～0. 03mm。
5）电镀
电镀是不将钢加热硬化处理，而是以其他金属镀覆在钢的表面，增加表面硬度、降低表面粗糙度，增强耐蚀性和耐磨性等的表面处理方法。
（1）镀硬铬（钢材表面形成保护膜）。将模具欲镀部分浸入以无水铬酸为主体的电镀溶液中，通电流，在模具材料表面析出铬。镀铬层比普通镀铬层厚，约0.01～0.02mm，硬度为900～1000HV。镀硬铬的特性如下：
① 镀铬后的表面制品脱模性能极好。
② 耐磨性高，不易刮伤。
③ 对盐酸、稀硫酸以外的药品具有耐蚀性。
④ 镀铬过的模具表面所得的成型品有良好的光泽，具有商业价值。
（2）镀镍。此法不经电解作用，用化学方法实行镀镍（如无电解镀镍法）。镍被还原，形成表面镀覆层。这种镀镍特点如下：
① 镀层均匀，不会产生像电镀那样的镀层差的现象。
② 表面不产生针孔，光滑而硬。镀层硬度有时可达500HV左右，施行热处理者可上升至800～900HV。
③ 附着性良好，不易脱落。
④ 耐蚀性良好。镀层的化学稳定性几乎与纯镍一样。
2．模具钢材的热处理
1）淬火
淬火是将钢加热到A C3 或A C1 以上某一温度，保温后快速冷却，获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。
淬火的目的：为了获得马氏体和下贝氏体，然后通过适当地回火，获得所需的力学性能。
淬火注意事项：
（1）在淬火前，模具必须先进行粗加工，钻好工艺孔、内模镶件螺孔、冷却水孔、推杆孔、镶件孔等。
（2）工件上尽量避免内部尖角，一般保证 R 至少为0. 5mm，以免淬火后裂开。
（3）淬火后，必须检查变形量，变形量必须在许可范围内。
（4）淬火后必须检测模具硬度。
（5）淬火后必须回火。
2）回火
回火是将淬火后的钢加热到A C1 以下某一温度，保温到组织转变后，冷却到室温的热处理工艺。
回火的目的：
（1）减少或消除内应力，防止变形和开裂。
（2）稳定组织，保证工件在使用时不发生形状和尺寸变化。
（3）调整力学性能，适应不同零件的需要。
淬火后进行回火的原因：淬火后得到的组织为马氏体和下贝氏体，马氏体和下贝氏体都是亚稳态组织，在一定条件下会自发转变为稳定组织。若淬火工件不回火，则过一段时间后，马氏体和下贝氏体发生转变，导致工件形状、尺寸发生变化。淬火时冷却速度快，工件存在较大的内应力，必须及时回火消除，以免变形、开裂。
淬火后再进行高温回火又称调质。
3）退火
退火就是将钢加热到适当的温度，保温一定时间，然后缓慢冷却至室温的热处理工艺。
退火的目的：消除内应力（铸件、锻件），为后续工序改善工艺性能，降低钢的硬度和提高其塑性，从而有利于切削加工和冷变形加工。
4）正火
正火就是将钢加热到A C3 或A CGM 以上30～50℃，保温一定时间，然后在静止空气中冷却的热处理工艺。
正火的目的：
（1）细化晶粒，提高力学性能。作为普通结构件的最终热处理。
（2）消除过共析钢的网状渗碳体，为其他热处理（如淬火）做组织准备。
（3）调整中、低碳钢硬度，利于切削加工。
（4）为钢件淬火返修做组织准备。