注塑模具用钢材解析：模具质量、寿命与成本的关键

模具的制造较为复杂。需经历设计、加工、装配、调试等步骤，之后才可投入使用。在整个生命周期中，影响模具质量的因素有多个方面。而影响模具寿命最主要的因素当属模具钢，此因素与模具的成本也有很大关联。今天，我们一同来聊聊注塑模具用的钢材。

一.模具用的钢材：

钢材对于模具质量起着决定性作用，所以选择合理的钢材极为重要。其选择钢材的标准如下：

注塑材料有相应要求，不同的塑料需选用不同的钢材，像有对高抛光的要求，还有对耐腐蚀的要求等等。

价格方面，钢材性能只要能用就行，并非越贵就越好；考虑到模具的成本因素，模具钢材应选用与模具寿命相适应的材料，以避免不必要的浪费；通常情况下，P20 的寿命大约在 30 万左右；2738 的寿命能达到 50 万且没有问题；H13/234N 的寿命通常在 80 万到 100 万以上，可以根据具体情况进行选择。

热处理。模具的表面处理很重要。氮化可以增强钢材的表面硬度，从而有效延长模具寿命；电镀能够对模具钢材进行有效改性，对于一些需要高亮度且耐腐蚀的塑件，可通过电镀来增强和改进钢材的性能。

钢材的定义：

钢材的含碳量处于 0.0218％至 2.11％之间，它是铁碳合金。在普通钢材里添加 Cr、Mo、V、Ni 等合金成分，就形成了合金钢。我们的模具钢材都属于合金钢这一范畴。

改变钢材性能的办法，主要有以下三方面：

1. 合金成分

碳（C）

*增加淬火组织的硬度；

*形成碳化物，提高耐磨性；

*降低韧性；

*降低可焊性

铬（Cr）

*提高钢之硬度，形成坚硬及稳定的碳化铬,从而改善耐磨性；

*能提高钢的淬透性；

*当Cr含量超过12%, 具耐腐蚀作用，并提供良好抛旋光性

钼（Mo）

*Mo是强碳化物形成元素，提高耐磨性；

*Mo＞0.5％能抑止其他合金元素引致之回火脆性；

*提供红硬性，热强度；

*提高淬透性，回火稳定性

钒（V）

*可以形成高硬度碳化物，提高耐磨性；

*细化钢的晶粒，降低过热敏感性

*提高钢之强度、韧性及回火稳定性

镍（Ni）

*Ni能提高钢的淬透性；

*Ni能细化晶粒

硫（S）

常以 MnS 的形式存在于钢中，这种存在方式会割裂基体的连续性，进而弱化材料的韧性，弱化材料的抗腐蚀性，弱化材料的抛旋光性，弱化材料的放电加工性，弱化材料的蚀纹性。

*可提高材料的切削能力。

模具钢按用途分类

1. 冷作模具钢

冷作模具钢主要用于制造模具，这些模具用于对处于冷状态下的工件进行压制成型。例如冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。冷作模具钢的范围较为广泛，涵盖了各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢，以及粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。

2. 热作模具钢

热作模具钢主要用于制造模具，这些模具用于对处于高温状态下的工件进行压力加工。例如热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模具等。常用的热作模具钢有以下几种：一种是含碳量中高的，添加了 Cr、W、Mo、V 等合金元素的合金模具钢；对于有特殊要求的热作模具钢，有时会采用高合金奥氏体耐热模具钢来制造。

3. 塑料模具钢

塑料的品种繁多，这导致对塑料制品的要求差异极大，进而对制造塑料模具的材料也提出了各式各样的性能要求。因此，许多工业发达的国家已经形成了涵盖范围很广的塑料模具用钢系列。包括碳素结构钢，还有渗碳型塑料模具钢，以及预硬型塑料模具钢，再有时效硬化型塑料模具钢，包括耐蚀塑料模具钢，包含易切塑料模具钢，涵盖整体淬硬型塑料模具钢，有马氏体时效钢，以及镜面抛光用塑料模具钢等。

把模具按寿命长短分为五级，对钢材的要求：

模具一般按使用寿命的长短分为五级。其中一级使用寿命在百万次以上；二级的使用寿命是 50 万至 100 万次；三级的使用寿命在 30 万至 50 万次；四级的使用寿命在 10 万至 30 万次；五级的使用寿命在 10 万次以下。

一级模具要求用可热处理且硬度约为 HRC50 的钢材，二级模具也有此要求。若不用这种钢材，就容易磨损，注塑出的产品容易超差。所以所选钢材既要具备较好的热处理性能，又要在高硬度状态下有良好的切削性能，当然还有其他方面需要考虑。

苏州维本工程塑料的 Wintone Z33 耐磨降噪滑轮专用料，在各类门窗滑轮应用中，相较于传统的 POM 和尼龙材料，Z33 材料一方面保持了良好的承重力，另一方面具备更好的耐磨性、吸振性以及静音性能，这使得滑轮滚动更加顺滑，并且能够有效降低滑轮的分贝噪音以及滚动时产生的杂音。

另外，Z33 材料具备良好的抗形变能力，它能帮助解决 POM 滑轮跳轨的问题。Z33 材料还具有优异的回弹性，可应对传统滑轮材料受强力冲击易碎裂的情况。Z33 材料的吸水率仅为尼龙 66 的六分之一，注塑完成后无需进行水处理，就具备强韧的力学性能，且水份对 Z33 材料制造的滑轮的机械性能和尺寸影响较小。Z33 材料具有优异的耐腐蚀性。它耐冷水，也耐热水。并且能耐受盐、酸碱等各类化学介质。

Z33 材料应用于门窗滑轮具有以下特点：它能够承重，使用起来顺滑，具备耐磨的性能，运行时静音，还能耐腐蚀，防止脱轨，具有防爆抗冲击的能力，既强韧又不受水份的影响。

以塑胶齿轮注塑模具为例，接下来我们来看一下在齿轮注塑模的模具钢方面需要注意的几个要点。

塑胶齿轮模具型腔用钢材的性能要求

机械加工性能良好。要选用容易进行切削的模具钢种，并且在加工完成后能够获得高精度以及高表面质量。基于此，应当主要选择中碳合金模具钢。

高强度且韧性良好。在齿轮注塑生产期间，型腔齿圈的分型面容易被塑料垃圾压塌从而形成凹坑，进而导致轮齿出现溢料并形成飞边。所以，需要选用经过热处理后强度高、韧性好并且不易崩缺的优质合金模具钢。

火花加工性能良好。现代模业普遍将电火花线切割和电火花成型当作齿轮型腔的最终成型加工工艺，通常都无法进行后续的研磨抛光加工（只有拥有磨料流设备的单位除外）。所以，需要采用电加工变形量小、表面粗糙度小且变质硬化层较薄的优质模具钢种。

此外，一旦齿轮型腔出现任何损伤，一般均无法进行修复。因此，应选用耐磨损、抗疲劳性能好的中碳合金优质模具钢。

聚甲醛等塑料会对模具产生一定腐蚀作用，尤其是较潮湿且未经过除湿干燥处理的聚甲醛，在注射过程中容易产生瓦斯与空气混合气体，这种气体对型腔、型芯、螺杆和料筒等零部件会产生化学腐蚀作用。所以，应当选用耐腐蚀性能强的合金优质模具钢。

塑胶齿轮模具型腔材料的选材参考

根据塑料齿轮型腔和型芯尺寸的情况，能够直接利用棒材或板材进行加工。自 20 世纪 80 年代起，我国开始引入国外生产的优质模具钢，用以制造齿轮注塑模具的型腔、型芯等关键成型零部件。这些引入的模具钢主要有美国、日本和德国生产的预硬模具。与此同时，国产模具钢也在不断出现，对降低注射模的制造成本起到了积极的推动作用。

常用的塑胶齿轮国产模具钢有哪些？

1.预硬钢

国产 P20(3Cr2Mo)预硬钢的硬度能达到 36 至 38HRC 。它的拉伸强度为 1330MPa 。无需进行热处理，就能够保证模件达到较高的形状和尺寸精度要求。并且这种钢易于进行切削加工和抛光。它适用于注射模数为 10 万次左右的成型模件。在预硬钢里加入硫，可改善其切削性能。

国产 SMI（55CrNiMnMoVS)预硬化后硬度在 35 至 45HRC 之间，5NiSCa（5CrNiMnMoVSCa)预硬化后硬度也在 35 至 45HRC 之间。这两种材料的切削性能类似中碳调质钢，适用于注射模数约为 20 万次的成型模件。

国产 718（3Cr2NiMo）预硬钢属于国产 P20 的改进型钢号，在品质方面有了较大的提升，将 P20 的不足进行了弥补。它除了不能应用于对耐腐蚀性有要求的塑料模具零件之外，目前在国内是应用最为广泛的通用型材料。

型塑料模具钢材的典型钢号，较为适合用于成型模件，且大约能成型 15 万次左右。

2.镜面钢

镜面钢大多属于析出硬化钢，也叫做时效硬化钢，它是通过真空熔炼的方法来生产的。这种钢在真空环境中，要经过 500 到 550℃的温度，持续 5 到 10 小时的时效处理。经过这样的处理，钢材会弥散析出复合合金化合物，从而使钢材发生硬化，其硬度能达到 40 到 45HRC，并且耐磨性良好，处理过程中的变形量也比较小。材质纯净，所以可以进行镜面抛光，还能光腐蚀精细图案，并且具有较好的电火花加工性能以及抗锈蚀性能。有一种氮化高硬度钢 25CrNiMoAl，经过调质处理后硬度为 23 至 25HRC，时效处理后硬度为 38 至 42HRC，经过氮化处理后表层硬度能达到 70HRC 以上，这种钢适用于玻璃纤维增强塑料的注射模成型零部件。

3.耐腐蚀钢

国产 PCR(6Cr16NiCuNb)属于不锈钢料钢种。它比一般不锈钢的强度更高。它的切削性能和抛光性能更好。它的热处理变形小。它的使用温度小于 400℃。空冷淬硬可达 42~53HRC。它适用于含氮和阻燃剂的腐蚀性塑料注射成型模件。

国外引进较常用的塑胶齿轮模具钢有哪些？

我国在精密塑料齿轮大量生产时，注射模齿轮型腔使用的是几种从国外引进的模具钢。

1.P20预硬模具钢

引进美国的 P20 中碳 Cr-Mo 系塑料模具钢，其中包含 P20、P20H、P20Ni 等牌号，其出厂时的硬度为 29 至 32HRC。这种钢适合用来制作塑料模具型腔，其材质的硬度较为均匀，并且具备良好的可切削加工性能以及研磨抛光性能。为了提升模具型腔的使用寿命，可以对预硬钢进行淬火加低温回火处理，或者实施氮化处理，以提高其硬度。

淬火及低温回火处理：在淬火时，首先要在 500 至 600℃进行预热，时间为 2 至 4 小时；接着在 850 至 880℃下保温 2 小时以上；之后置入油中冷却，冷却至 50 至 100℃；再空冷至室温。淬火后的硬度能达到 50 至 52HRC。为避免开裂，应立即进行 200℃的低温回火处理，回火后硬度可保持在 48HRC 以上，模具的使用寿命会有明显提升。

氮化处理能够获得高硬度的表层组织。氮化之后的表层硬度可以达到 650 至 700HV（57 至 60HRC）。并且，氮化层的材料组织较为致密，表面也很光滑。这些特点使得型腔的脱模性能得以提高，同时抗潮湿空气以及碱液腐蚀的性能也得到了提升。

P20 预先处理到了 HB285 至 HB330 的范围。它与瑞典 618 的状态相近，也和德国 GS - 2311 的状态相当。可以直接用于制模加工，并且具备尺寸稳定性良好的特点。这种预硬钢因为价格相对便宜，所以适用于一般精度塑料齿轮注射模的成型零部件。

2.718预硬钢

718 模具钢，我国的 3Cr2NiMo 牌号是 P20（3Cr2Mo）的改进型钢号。在品质方面有较大改进，这种改进使得它能够填补 P20 模具钢材的不足，满足 P20 模具钢材达不到要求的场合。除了在有耐腐蚀性要求的塑料模件中不能使用外，目前它是我国应用最广泛的通用型塑料模具钢材的典型钢号。

718 预硬钢的一胜百 718 具有优良的抛光性能和照相蚀刻性能。718HH 预硬钢是 718 预硬钢的改良型号，其淬硬及回火硬度为 HB340 至 380。可对其进行氮化及火焰硬化处理，以提升型腔表面硬度和耐磨性能。718HH 材质保持着高纯净度和低硫量的品质，具备优良的抛光性、光蚀刻花性以及氮化处理性能。718HH 具有镜面抛光性能，它被广泛用于制作透明塑胶产品的模具。

3.2083模具钢

2083 是德国布德鲁斯的特殊塑胶模具钢。这种钢属于高含 Cr 的不锈钢。它具有非常出色的耐磨性，也有耐酸腐蚀的性能。同时具备良好的机械加工性能和抛光性能。它的淬透性良好，变形率低，经过淬火＋回火后，型腔的耐磨性更强。它还具有良好的电火花成型加工性能，适合用于酸性塑料以及表面粗糙度要求特别低的模具型腔。

4.S136

瑞典 S136 模具钢的含 Cr 量达到 13.6%。它的组织纯洁、均匀且细微。这种钢具有优良的耐蚀性，同时也具备良好的抛光性。它还拥有良好的耐磨性，在机械切削和电火花加工方面表现出色，研磨抛光性更是极佳。在淬硬时，它具有优良的尺寸稳定性。它是一种优良的耐蚀性的镜面塑料模具钢。

5.日本大同NAK55预硬钢

真空冶炼之后，进行锻造使组织均匀化，接着经过热处理以及时效处理，就能够直接切削、雕刻加工成模件。它的切削性能良好，硬度达到 40HRC，然而其切削性能仅仅相当于 97HRB 材质，比 40HRC 的 SCM4 钢的切削性还要好。在进行放电加工时，加工表层不会硬化，并且容易进行研磨加工。

能够获得优良的镜面，并且能达到满意的光泽度。其硬度较高，耐磨性和耐压性也都很高，这使得模具的使用寿命得以提升，适合用于精密塑料齿轮模具的型腔使用。

6.8407合金工具钢

德国 8407 是一种铬、钼、钒中碳合金工具钢。它是通过特殊炼钢技术和严密质量控制获得的，这种钢材纯度高且组织微细。8407 的等向性比一般传统炼制的 H13 更好。这对于模具的抗机械疲劳性能和抗热应力疲劳性能更有价值，比如压铸模具、锻造模具、挤压成型模具以及有高品质要求的塑胶模具等。采用 8407 的模具硬度，能够比普通 H13 提高 1 到 2HRC，并且不会对其韧性造成牺牲。

8407 在我国被当作高精度塑料齿轮和蜗杆的注射模型腔钢号，这种材料具备如下优点：

①优良的耐热冲击和抗龟裂能力；

②高温强度高；

③不论大小尺寸，韧性及延展性高，且各向同性；

④加工性能及抛光能性优良；

⑤优良的淬透性和良好的热处理尺寸稳定性。

对其热处理及研磨有以下要求:

A.球化退火

模具坯件被加热至 850℃，是在保护环境中进行的。均热之后，在炉中以 10℃/h 的速度冷却到 600℃，接着再置于空气中冷却。

B.去应力回火

模具坯件粗加工之后，需要进行去应力处理。首先把半成品加热到 650℃，接着均热 2 小时，然后在炉中冷却到 550℃，之后再在空气中冷却到室温。

C.淬火

预热的温度在 600℃到 800℃之间；淬火的温度在 980℃到 1080℃之间，通常为 1020℃；均热的时间都是(50±3)分钟；在 200℃到 550℃这个温度区间等温 1 分钟到 100 分钟，然后进行空冷或者油冷；当钢材冷却到 70℃到 100℃时，应该立刻进行回火，其目的如下：

①为了使模件获得最适当的性能；

②在保证没有严重变形或破裂情况下，淬火冷却速度应愈快愈好。

D.回火

至少要进行两次回火，每次回火的时间要在 2 小时以上，回火的最低温度为 180℃。每次回火之后，必须等到冷却至室温之后，才可以进行下一次回火。在进行回火操作时，应该避开 425℃到 525℃之间的回火脆性区。

E.几点建议

型腔的硬度要在 48HRC 之上。每注射 2000 到 4000 模之后，需要再进行一次回火操作。

②经过放电加工后，要求进行回火。

③模具设计时要尽量采用较大的圆角，避免应力集中。

F.氮化处理

为了让模件表面的耐磨性更好，可以对模件进行氮化处理，这样能在模件表面生成一层较硬的氮化层。在 525℃的温度下进行氮化，其表面硬度能够达到 1000 到 1250HV。当氮化时间为 20 小时的时候，硬化层深度可达 0.20mm；当氮化时间为 30 小时的时候，硬化层深度可达 0.25mm；当氮化时间为 60 小时的时候，硬化层深度可达 0.30mm。

G.研磨抛光技术

正确的研磨技术能让模件表面裂纹产生，还能增加模件的使用寿命。模件处于低温回火状态下进行研磨时，产生裂纹的敏感性很高。只有削边的、柔软的以及开放晶粒式的砂轮可以使用，并且需要采用合适的研磨速度和良好的冷却剂。

H.放电加工

模件在淬火加回火状态下进行电火花放电加工时，型腔在电加工后需在低于原先回火温度 25℃的环境中做进一步回火处理，目的是消除其内应力。

最近这些年，有不少客户做蜗轮蜗杆塑胶斜齿轮或蜗轮。他们有用到 Wintone T31 和 Winton T33 耐热蠕变型耐磨齿轮专用工程塑料，以此来解决传统的玻纤增强尼龙或 POM 在蜗轮蜗杆的塑胶蜗轮或斜齿轮连续工作时扭力不够和耐疲劳寿命不够的问题。当然，也有客户用 PEEK 工程塑料暂时解决了该问题，但 PEEK 的成本太高，给量产带来了很大的成本压力，而 Wintone T31 或 Wintone T33 则成功替代了它们。其实，这种类型的齿轮失效，不少时候其根本原因并非材料耐磨不足。塑胶齿轮在中高负载下，因传动摩擦导致齿轮大幅升温，此时塑胶齿轮会“蠕变”。塑料在大幅升温时受力能力发生变化，同时塑胶齿轮尺寸也会变化，这两种变化的复合作用引发了齿轮传动的失效。

苏州维本 Wintone T31 耐热蠕变型耐磨齿轮专用工程塑料，用于电动晾衣架交流电机蜗轮蜗杆减速齿轮箱的第一级塑胶斜齿轮。这样的应用能够解决电动晾衣架蜗轮蜗杆减速齿轮箱“刹车刹不住”的问题。

在各类减速电机传动齿轮的应用领域中，苏州维本 Wintone T31 耐热蠕变型耐磨齿轮专用工程塑料，能够帮您解决传统齿轮材料可能会面临的一些状况：

玻纤增强 PA66 工程塑料，在 50 摄氏度到 150 摄氏度这个温度区间内，其力学性能下降得比较快。在齿轮进行高扭力啮合传动时，会出现变形较大且容易失效的情况。

2.常规的POM齿轮材料耐热不够的问题；

PPS 高温塑料较为脆，容易出现断齿的情况，并且在齿轮传动时噪音比较大。

PA46 高温塑料的吸水率较大，这会导致 PA46 齿轮的扭力和尺寸受水分影响较大。

5.PEEK高温塑料对一些齿轮应用的成本压力比较高的问题。

电动晾衣架直流电机蜗轮蜗杆减速齿轮箱的塑料斜齿轮选材，与交流电机的塑料斜齿轮选材差异显著。直流电机电动晾衣架的塑胶斜齿轮采用 Wintone Z33 耐磨静音齿轮专用料，仅进行一级传动，具备耐疲劳寿命长、噪音低、可靠性好的特点，但成本也相对较高。

电动晾衣架交流电机减速齿轮箱采用二级传动，这属于降本设计。其中，第一级的双联斜齿轮选材很关键，其模数相对较小。而第二级大模数的齿轮可以使用普通的加纤尼龙 6，利用具有成本优势的加纤尼龙 6 是降本点之一。但对交流电机电动晾衣架蜗轮蜗杆减速齿轮箱来说，更重要的降本点是简化制动设计甚至取消制动锁紧装置。所以第一级斜齿轮的选材至关重要，若选材不当，就容易出现刹车刹不住的问题。

苏州维本工程塑料有限公司是从事工程塑料创新应用开发的伙伴。