塑料大致分為熱固性塑料和熱塑性塑料兩大類,由于壓制塑料的品種不同,以及對塑料制品的尺寸、形狀、精度、表面粗糙度等的不同要求,對塑料模具用鋼的耐磨性、而腐蝕性、耐熱性、耐壓性、磁性能、微變形和鏡面拋光性能等有不同的要求。
我國的GB/T 1299—2000標準中只有兩個鋼號。國外主要模具鋼生產(chǎn)企業(yè)都有本企業(yè)的塑料模具鋼的鋼種系列,如日立金屬公司的塑料模具鋼包括16個鋼號,大同特殊鋼公司有14個鋼號,日本高周波鋼業(yè)公司有14個鋼號,奧地利BOHLER公司有12個鋼號,瑞典UDDEHLM有10個鋼號。美國ASTM-A681—87標準中規(guī)定的典型塑料模具鋼(P系列)鋼號為7個,但主要生產(chǎn)模具鋼的企業(yè)CRUCIBLE公司和CARPENTER TECHNOLOGY公司遠不止這些鋼號。
(1)通用型塑料模具鋼 通用型塑料模具鋼用于生產(chǎn)通用型塑料,如聚乙烯、聚丙烯。當生產(chǎn)批量較小,尺寸精度和表面粗糙度無特殊要求,而且模具截面不大時,可以采用碳素結(jié)構(gòu)鋼SM50、SM55鋼或低碳鋼10、20鋼制造,前者采用調(diào)質(zhì)或正火處理,后者采用滲碳加淬回火處理。低碳鋼由于變形抗力低、塑性好,主要適用于采用冷擠壓成型的方法壓制模具型腔制造模具。
當生產(chǎn)批量較大、模具尺寸較大或形狀復雜、精度要求高的工件時,則采用淬透性較高的合金模具鋼,如3Cr2Mo(P20)、3Cr2NiMnMo、4Cr5MoSiV1、5CrNiMnMoVSCa、8Cr2MnSiWMoVS;合金滲碳鋼,如20Cr、20Cr2Ni4、12CrNi3A、20CrMnMo等制造。前者采用淬火、高溫回火處理;后者采用滲碳加淬回火處理。但采用冷擠壓方法壓制模具型腔的生產(chǎn)工藝制造模具時,則采用合金滲碳鋼。
(2)耐磨塑料模具鋼 為了生產(chǎn)強化工程塑料制品(如加入纖維強化的熱塑性工程塑料制品)用模具,或熱固性塑料擠壓成型用的模具,采用耐磨性好的模具鋼。當生產(chǎn)量較大時選用4Cr5MoSiV1、Cr12MoV、Cr12Mo1V1等鋼種制造,并經(jīng)淬火、回火后使用。為了提高耐磨性,可進行表面處理。
(3)滲碳型塑料模具鋼 采用冷擠壓反印法制造模具型腔,可以采用合金滲碳鋼。這類鋼在退火狀態(tài)下塑性很好,較容易擠壓成型,為提高型腔的耐磨性,冷擠壓后需要進行滲碳,然后進行淬火和低溫回火。這種模具表面具有高的硬度和耐磨性,而心部具有很好的韌性,而且模具互換性好。常用鋼號如美國ASTM-A681的標準鋼號P2~P6;國際標準化組織ISO標準中的5CrMo4、7CrMoNi;我國常用的20Cr、12CrNi2、12CrNi3、20CrMnTi、20Cr2Ni4等。
(4)耐蝕型塑料模具鋼 該類鋼用于制造腐蝕性較強的塑料成型模具(如聚氯乙烯及阻燃塑料),要求該類鋼具有一定的硬度、強度和耐磨性能。一般用13%~18%Cr型馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼。根據(jù)碳含量的不同,可以分為低碳鎳鉻型耐蝕鋼(代表性鋼種1Cr17N12)、中碳高鉻型耐蝕鋼(代表性鋼種4Cr13)、高碳高鉻型耐蝕鋼(代表性鋼種9Cr18Mo)。國外各主要的模具鋼的生產(chǎn)廠通過改良,發(fā)展一些類似的新鋼種,如BOHLER的M300、M310、M314等鋼種,美國的CRUCIBLE公司的420MOD,UDDEHOLMTOOLINGAB公司的STAVEX等。
我國各類耐蝕塑料模具鋼,相對于其他類型的塑料模具鋼,顯得比較落后,主要使用2Cr13、3Cr13、4Cr13,近些年來引進了3Cr17Mo比4Cr13具有更好的耐蝕性能,研究開發(fā)了5Cr17MoV鋼,該鋼具有良好的綜合使用性能。
(5)高鏡面塑料模具鋼 壓制對精度和表面粗糙度數(shù)值要求很低的塑料制品,如光學儀器零件、家用電器零件等,對成型模具型腔的表面粗糙度數(shù)值要求很低,需要采用純度和致密度很高的模具鋼,如3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo、4Cr5MoSiV1、Cr12Mo1V1、25CrNi3MoA1等,或馬氏體時效鋼,如18Ni(250)、18Ni(300)及低鎳馬氏時效鋼06Ni6CrMoVTiA1等。
(6)無磁塑料模具鋼 用于壓制磁性塑料的模具,一般選用無磁模具鋼制造,如18-8不銹鋼,其型腔經(jīng)氮化處理后使用,或采用Mn13型耐磨奧氏體鋼,或無磁模具鋼,如7Mn15Cr2Al3V2WMo等。
(7)預硬化易切削塑料模具鋼 預硬化塑料模具鋼的市場用量較大,是在美國P20(3Cr2Mo)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,一般采用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼,通常在冶金廠處理到28~40HRC,在預淬硬的條件下供貨,用戶可直接加工使用,如BOHLER的M200,TEW的1.2311、1.2312等。718是瑞典生產(chǎn)的改型P20,由于合金元素Ni的加入,比P20鋼具有更高的淬透性,熱處理后大截面的模塊保持高的硬度均勻性。我國主要引進P20(3Cr2Mo)、718(3Cr2MnNiMo)等鋼,并納入GB/T 1299—2000標準中。
為了改善切削性能,加入易切削元素,形成易切削預硬化塑料模具鋼,國外開發(fā)的易切削塑料模具鋼主要是S系,也是S-Se系的,部分經(jīng)過Ca處理,如日立金屬的HPM2和大同特殊鋼的PDS5等。我國研制了一些含硫易切削預硬化塑料模具鋼,如5NiSCa、8Cr2MnWMoVS、P20BSCa等。
(8)非調(diào)質(zhì)型預硬塑料模具鋼 該類鋼通過合理的化學成分配比,不需要調(diào)質(zhì)處理,經(jīng)過鍛、軋加工空冷后可實現(xiàn)預硬化,硬度一般為30~40HRC,不需要再進行調(diào)質(zhì)處理。為改善切削加工性能,有些鋼中還添加了適量的P、S和Ca。該類鋼可節(jié)約能源和生產(chǎn)成本,縮短生產(chǎn)周期,具有良好的應用前景。國內(nèi)對非調(diào)質(zhì)塑料模具鋼的開發(fā)較晚,25CrMnVTiSCaRE(代號FT)、2Cr2MnMoVS和2Mn2CrVCaS是近幾年開發(fā)的新鋼種。經(jīng)鍛、軋加工和空冷后,F(xiàn)T鋼ф100mm圓鋼的硬度可以達到30~35HRC。
(9)時效硬化塑料模具鋼 該類鋼一般含碳量較低,通過加入一定數(shù)量的Ni、Al、Ti、Mo、Cu等元素,在熱處理時,通過時效處理,析出金屬間化合物,使模具硬度上升到40HRC以上。時效處理變形小,可以在加工后進行時效處理,如大同特殊鋼公司的NAK55、NAK80,BOHLER的M261,日立金屬的HPM1、HPM50等。
該類鋼種由于含有相當數(shù)量的Ni、Cr、Mn元素,奧氏體穩(wěn)定性好,在時效過程中,由于從基體中彌散析出Ni3Al和富Cu相而得到強化。另一類高合金的馬氏體時效鋼是從高強鋼發(fā)展來的,如18Ni、大同特殊鋼的MASIC(00Ni18Co9Mo5Ti)、日立的YAG等,韌性好,鏡面加工性能好。
但由于這類鋼一般采用特種冶煉工藝,并含有較貴重的合金元素,成本高,使用范圍受到限制。
目前國內(nèi)外普遍應用較多的就是10Ni3MnCuA1鋼,其基本成分與日本大同特殊鋼的NAK80相當,該鋼一般經(jīng)空冷淬火后,經(jīng)510℃回火,硬度達到42~44HRC,斷面收縮率為15.4%,伸長率為55.1%,具有良好的綜合力學性能。
(10)整體淬火高硬度塑料模具鋼 壓制復合強化塑料的模具,要求有較高的耐磨性,多采用整體淬硬塑料模具鋼。一般借用冷作模具鋼(如SKD11,SKD12等)和熱作模具鋼(如SKD61等)。但近年來,為了改善鋼的韌性、抗回火穩(wěn)定性、組織均勻性和切削性能,國外模具鋼生產(chǎn)的主要企業(yè)發(fā)展一些新的鋼種,如日立金屬的HPM31、FDAC,高周波的KD21和大同特殊鋼的PD613、DH2F等鋼種。
(11)高可焊性塑料模具鋼 高可焊性塑料模具鋼是一般用于要求采用堆焊工藝可修復的材料,為了簡化焊接工藝,國外發(fā)展一些專用鋼種,焊前可不預熱,焊后可不后熱,尤其是日本大同特殊鋼公司發(fā)展的PXZ和PX5鋼。