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科普文：模具材料的选用及热处理工艺

模具的材质工艺处理及保养

模具材料的性能对模具寿命有决定性的影响，根据模具的结构和使用情况，合理选用制模材料是模具工程师的重要任务之一。

模具热处理及表面强化是模具制造中的关键工艺，是保证模具质量和使用寿命的重要环节，实际使用证明，在模具失效中由于热处理不当引起的占很大比例。

好的模具结构设计是一副合格模具制造的前提，对模具结构和产品结构进行全方面分析（包括：模具脱模斜度，产品表面的缩影，浇注系统的设计，排气系统的设计，冷却系统的设计等）这些模具最主要也最容易出的问题都会在模具结构设计时进行反复试验。

模具材料的性能要求及选用原则

模具用途广泛，工作条件差别大，制造模具的材料范围很广。目前，冲压模、塑料模、压铸模、粉末冶金模的材料以钢为主，有些模具还可采用低熔点合金和非金属材料等。

模具用钢主要性能要求如下：

1.硬度和耐磨性（最重要的模具失效形式，决定模具寿命）

2.可加工性能（模具零件形状复杂，要求热处理变形小）

3.强度和韧性（足够的强度承受高压，冲击载荷等要求高韧性）

4.淬透性、抛光性、耐腐蚀性（塑料及添加剂的腐蚀作用）。

模具用钢按用途可分为三大类：

1.冷作模具钢：制作金属在冷态下变形的模具，包括：冷冲模、冷挤压模、冷镦模、粉末压制模。要求高硬度、高耐磨性及足够强度和韧性。

2.热作模具钢：制造经过加热的固态或液态金属在压力下成型的模具，包括：热锻模、压铸模。要求高温下足够的强度、韧性和耐磨性及高热疲劳抗力和导热性

3.塑料模具钢：制造各种塑料模具。塑料品种多，要求差别大，其模具材料范围广。主要要求工艺性能高（热处理变形小、抛光性好、耐腐蚀）

选用一般原则：满足使用性能要求、良好的工艺性能、适当考虑经济性。

模具常用热处理工艺

一般模具厂为了节省模具制作成本，在第一次热处理后就进行加工处理，这样模具材料的硬度达不到预计要求或标准。如果是高要求的模具只能用硬度更高的钢材，增加成本。我们在第一次热处理后进行回火热处理，通过淬火提高钢材的硬度，既达到客户的要求又不增加客户的成本。

模具热处理包括模具材料热处理和模具零件热处理。

模具材料热处理：在钢厂内完成，保证钢材质量，如基本力学性能，金相组织要符合国家标准或行业标准。特点是大型工业炉中大批量生产。

模具零件热处理：在模具制造厂完成，或专业热处理厂完成。特点是小批量或单件生产，工艺复杂多样，设备精良。

热处理工艺方法，分预备热处理和最终热处理。常用方法有：正火、退火、淬火、调质、渗碳及氮化等，见表。

冷作模具钢及其热处理

冷作模具主要用于金属或非金属材料的冲裁、拉伸、弯曲等工序。工作零件承受拉压、弯曲、冲击、疲劳、摩擦等多种机械力作用。

主要失效形式：断裂、堆塌、磨损、黏着（咬合）、啃伤、软化等。

冷作模具钢的主要性能要求：高变形抗力、断裂抗力、耐磨损、抗疲劳、抗黏着性能

常用材料包括：

碳素工具钢，T10A，T12A

低合金钢，9Mn2V、CrWMn、9SiCr、GCr15

高合金钢，Cr12、Cr12MoV

合金钢主要特点：含C量高、含较多合金元素、合金元素降低钢的马氏体相变点Ms

冷作模具钢及其热处理

冷作模具钢热处理特点：加热方式(预热或阶梯式升温）、加热介质（采用控制气氛炉、真空炉）、冷却方式（较缓和的冷却方式以减少变形）、表面处理（深冷处理、渗氮）、工序间防护（及时清理）

碳素工具钢的热处理：用于要求不太高的小型简单冷作模具工作零件，（T8A,T10A)，T10A应用最普遍，强度和韧性较高。碳素工具钢淬透性差，常规淬火后淬硬层1.5～3.0mm。

低合金钢的热处理：俗称油淬钢，这类钢一般淬火温度较低，在油中冷却，变形小，尺寸稳定性好。

主要材料有：铬钨锰钢(CrWMn，9CrWMn)，锰钒钢(9Mn2V)，高碳铬钢（Cr2），铬硅钢(9SiCr)

高合金钢的热处理：主要是高铬高碳钢，淬透性极高，具有微变形性，也叫微变形钢，是高级冷作钢。

代表钢号Cr12，Cr12MoV，Cr12W，Cr5MoV等

火焰淬火冷作模具钢的热处理：为简化大型、特大型冷作模具的生产过程而专门研制的，其热处理特点是：淬火温度范围很宽（880--1150℃），适合手工操作；淬透性很高，空冷后表面硬度高，芯部性能也好；淬火变形倾向性小。

冷作模具钢与热作模具钢的区别：

冷作模具钢侧重硬度、耐磨性。含碳量高，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性为主。

热作模具钢对硬度要求适当，侧重于红硬性，导热性，耐磨性。因此含碳量低，合金元素以增加淬透性，提高耐磨性、红硬性为主。

塑料模具钢及其热处理

塑料模具钢的主要特点：

1.范围广：从普通钢到专用钢。专用钢已自成体系，钢号前加SM

2.性能要求严格，热处理难度大，要求可抛光性和镜面质量

3.避免变形

4.耐腐蚀

5.易切削性

各种钢型的热处理

1.硬化型塑料模具钢的热处理

2.易切削预硬化型塑料模具钢的热处理

3.非合金中碳塑料模具钢的热处理

4.渗C型塑料模具钢的热处理

5.耐腐蚀型塑料模具钢的热处理

6.时效硬化塑料模具钢的热处理

预硬化钢泛指钢厂已进行最终热处理（淬火回火）的钢材。

典型预硬化塑料模具钢为：SM3Cr2Mo.其热处理工艺为：840--880℃淬火，油冷，600--650℃回火，空冷，供应硬度32HRC。

对应的美国钢材为P20，德国钢40CrMnMo7，日本HPM2。P20钢渗Ｃ后热处理工艺为： 820--870℃淬火, 150--260℃回火，空冷，渗Ｃ层硬度达58-64HRC。德国钢40CrMnMo7淬透性比SM3Cr2Mo好，加工性、抛光性更好。

易切削预硬化钢在保证原有性能前提下，添加一种或几种易切削合金元素。

典型材料有：8CrMnWMoVS(8CrS)，含S易切削钢，热处理硬度达40—42HRC时，其切削加工性相当与退火态的T10A钢（200HBS），可抛光性和光刻浸蚀性好。典型热处理：800±10 ℃退火，保温2-4h，降温到700-720 ℃，保温4-6h，炉冷，硬度<=229HBS，880-920 ℃淬火，空冷，硬度63HRC，160-200 ℃回火，空冷，硬度>=58HRC。

高韧性易切削钢：5CrNiMnMoVSCa

非合金中碳塑料模具钢是冶金质量（纯洁度）更高的中碳碳素结构钢，含C量在0.4%—0.6%。

典型材料有：SM45、SM50，同类日本钢号是S45C—S58C。其热处理工艺与常规工艺无异，对于小型、精度要求不高的塑料模具零件，首选此钢种。

渗C型塑料模具钢：对受冲击大的塑料模具零件，要求表面硬心部韧，采用渗C钢。一般零件采用20Cr。对表面质量要求很高的零件采用专门钢种：12CrNi3A。

耐腐蚀型塑料模具钢用于制造对金属有腐蚀作用的塑料制品模具零件。

典型钢种有：Cr13、9Cr18等可强化马氏体不锈钢。其热处理与一般不锈钢制品热处理相同。

时效硬化型塑料模具钢：对于形状复杂、高精度、长寿命的塑料模具零件为减少热处理变形和提高模具零件的精度保持性采用时效硬化钢。模具零件在固溶处理后变软（28-34HRC），便于加工成型，然后再时效硬化，获得所需综合力学性能。

马氏体时效硬化钢具有高屈强比、良好切削性能和焊接性能。典型钢种有18Ni在固溶状态下硬度28HRC，480 ℃时效3h，硬度可提高到43HRC，保温时间更长，硬度可达52HRC。

析出硬化型钢是通过固溶处理和沉淀析出第二相而强化，硬度可达37-43HRC。代表性钢号有：25CrNi3MoAl。这类钢冶金质量高，一般采用特殊冶炼，纯洁读好，镜面研磨性好。其热处理分为：第一次固溶（淬火），第二次固溶处理（回火）和时效处理。

市场上常用塑料模具钢

常用的模具钢材有45#、40Cr、P20、2738、2316、718、718H、NAK80、S136等。一般薄壁模具选用718、P20、2316材料，这样可以使产品表面达到一定的光洁度，而且模具寿命比较长。如果要模具质量更有保证可以选用NAK80。

718塑料模具钢（43元/单位）

718塑料模具钢：交货状态已预加硬至HB285-320（HRC30-35）不需要再淬硬，永不变形；可再加硬至HRC40。性能说明:经电炉精炼或电渣重溶钢，适合电蚀（电火花）加工，易镜面抛光；淬透性好，综合力学性能好。主要用于：

(1)长期生产或大型塑胶料模具；

(2)有镜面抛光要求的大型塑料模具。

718H （ 36元/单位）

718H为真空熔炼之铬-镍-钼合金钢，出厂前已经过淬硬及回火处理，具备2个项优点：

1.无淬裂和热处理变形风险，无需热处理费用，缩短模具制作周期 降低模具所需成本（例，无需矫正变形），

2.模具易于修正，可施以氮化及火眼硬化处理，以增进模具的表面硬度及耐磨性。

718H主要用途：

大型长寿命塑胶注塑模，如家电制品，电脑外壳等模具高表面光洁度之塑胶制品模具吹塑模由于硬度高，可用于塑胶模具中之滑块成形工具，压缩-制动模（弯板机模），（视生产需要可施加火焰硬化或氮化处理）构造零件及轴

718H钢材特长：抛光性及加工性好,钢材纯洁度高.

出厂状态：预硬HB 330-370

S136 (96元/单位)

S136 －－高耐磨抗腐蚀预硬镜面钢材一胜百（瑞典）ASSAB STAVAX ESR(S-136)为高级不锈工具钢、其具备以下的特性：　　

1.优良的耐腐蚀性

2.优良的抛光性

3.优良的耐磨性

4.优良的机械加工性

5.淬火时具有优良的稳定性

综合上列的优点，使得该钢种具有卓越的生产特性。

由于其优良的耐腐蚀性，在塑料模具中使用的好处概述如下：　　　

较低的维修费用模具经过长期使用后，模穴表面仍然维持原先的光滑状态。

HPM38 (日立金属 )

高耐磨抗腐蚀预硬镜面钢材HPM38是13Cr系含Mo不锈钢，经过特殊溶解制造而成有很好的耐腐蚀性。因此，最适合于要求硬度高且对耐腐蚀镜面性要求高的塑胶模具，而且，HPM38热处理尺寸变化极小，适合精密热处理。

另外，它的浸蚀性好，有利于模具的保养。主要用于：日用透明産品(家电,医疗,食品)高抛光要求的模具以及耐腐蚀要求的橡胶模具等。如：通讯器材零件，医疗器械零件等。

特点：抛光性非常好，耐腐蚀性佳，热处理尺寸极小 。

热作模具钢及其热处理

热作模具主要有锻模、热挤压模、压铸模等

主要失效形式：断裂（开裂或机械疲劳裂纹）、塑性变形或型腔堆塌、热疲劳、热磨损和热熔损.

热作模具钢的主要特点：除良好的工艺性能外，还要求在不同温度下具有高的强度、韧性、硬度、热稳定性。一般含C量较低，多元合金化（含Cr、W、Mo、Ni、V、Si、Co等）

1.较高韧性热作模具钢：用于制造受冲击载荷较大的热作模具工作零件。

典型钢号：5CrNiMo和5CrMnMo。

2.高热强性热作模具钢：主要制作压铸模、机锻模的工作零件。要求有较高的热强性、热疲劳性、热熔损、回火抗力、热稳定性。一般含较多Cr、W、Si、Mo、V等合金元素。代表钢号有：4Cr5MoSiV、 4Cr5MoSiV1(国外牌号H13)、4Cr3Mo3SiV

3.高耐磨性热作模具钢：具有红硬性和良好的热磨损性，有较高的高温强度、高温韧性和热稳定性。代表钢号：3Cr2W8V，含W量高。淬火温度高：1100-1150 ℃，为减少变形，要缓慢升温，对复杂、大型件应预热。

其他模具材料的热处理

模具用铸铁的热处理：制造大型复杂模具，一般选用球墨铸铁、合金铸铁。典型热处理为正火及高温回火。

模具用铸钢的热处理：大型锻模，典型代表ZG5CrMnMo、ZG5CrNiMo等。热处理一般为正火和回火。

钢结硬质合金的热处理：以钢基体为黏结相，以金属碳化物为硬质相，通过粉末冶金工艺压制烧结而成。其热处理与合金工具钢基本相同。

时效硬化钢

凡通过时效热处理可提高硬度的合金钢，均称之为时效硬化合金钢。典型钢种有马氏体时效钢和沉淀硬化不锈钢。前者的基本成分为含碳≤0.03%和镍18%～25%，并添加有各种能产生时效硬化的合金元素，它主要用于飞机上的某些部件、火箭发动机外壳等，也用于压铸模具等方面。

沉淀硬化不锈钢又分为奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢和马氏体沉淀硬化不锈钢。

1.奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢可用作飞机机体的薄壁结构、蜂窝结构，还可作燃料储箱、火箭发动机外壳、高压容器等。

2.马氏体沉淀硬化不锈钢可耐大气、水以及其他一些介质腐蚀，用于制造液体火箭壳体和核动力装置中的某些零件。

模具冷却系统设计：

冷却系统的设计是一项比较繁锁的工作，即要考虑冷却效果及冷却的均匀性，又要考虑冷却系统对模具整体结构的影响及冷却系统的具体位置及尺寸的确定；重点部位如动模或镶件的冷却；侧滑块及侧型芯的冷却；冷却元件的设计及冷却标准元件的选用。我们公司在模具设计时就开始分析这些一系列问题，模具采用循环水的方式在模具内部每一个部位流动，降低注塑时的冷却时间，提高产品的生产效率，大大降低生产成本。

模具的保养：

模具保养比模具维修更为重要，模具维修的次数越多，其寿命越短；而模具保养得越好，其使用寿命就会越长。

模具保养主要分三点

1．模具的日常保养：各种运动部件如顶针、行位、导柱、导套加油，模面的清洁，运水的疏道，这是模具生产时每天要维护的。

2．定期的保养：定期保养包括日常保养之外还要排气槽的清理，困气烧黑位加排气，损伤、磨损部位修正等。

3．外观保养：模胚外侧涂油漆，以免生锈，下模时，定模动模应涂上防锈油，模具保存时应闭合严实，防止灰尘进入型腔。