注塑模具用的钢材：影响模具质量和寿命的关键因素

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模具的制造是一个复杂的过程，从设计、加工、装配、调试等步骤，到最后投入使用，在整个生命周期中，影响模具质量的因素有很多，但影响模具寿命的最主要因素应该是模具钢材，当然这也和模具的成本息息相关，今天我们就来聊聊注塑模具所用的钢材。

1、模具用钢：

钢材是模具质量的决定性因素，选择合适的钢材至关重要。选择钢材的标准是：

①对注塑材料的要求——不同的塑料需要不同的钢材，比如要求高抛光、耐腐蚀等；

②价格：钢材要能用，不要贵的，考虑到模具成本，要根据模具寿命来选择模具钢材，避免不必要的浪费，一般P20的寿命在30万左右，50万没问题，H13/2344一般在80-100万以上，大家根据情况选择即可；

③热处理。模具的表面处理也很重要。氮化可以增强钢材的表面硬度，有效延长模具的寿命；电镀可以对模具钢材进行有效的改性，可以用于一些要求高亮度、耐腐蚀的塑件。电镀是用来强化和改善钢材性能的。

钢材的定义：

钢是指含碳量为0.0218%~2.11%的铁碳合金。合金钢是在普通钢中添加Cr、Mo、V、Ni等合金成分而得。我司的模具钢均为合金钢。

改变钢材性能的方法主要有三种：

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；

可焊性降低

铬（Cr）

增加钢的硬度，形成坚硬而稳定的碳化铬，从而提高耐磨性；

可以提高钢的淬透性；

当Cr含量超过12%时，具有耐腐蚀性能，并提供良好的抛光性能。

钼（Mo）

Mo是强碳化物形成元素，提高耐磨性；

Mo＞0.5%可抑制由其他合金元素引起的回火脆性；

提供红硬性和热强度；

提高淬硬性和回火稳定性

钒（V）

能形成高硬度的碳化物，提高耐磨性；

细化钢的晶粒，降低过热敏感性

提高钢的强度、韧性和回火稳定性

镍（Ni）

Ni能提高钢的淬硬性；

Ni 可以细化晶粒

硫（S）

它常以MnS形式存在于钢中，破坏基体的连续性，恶化材料的韧性、耐蚀性、抛光性、电火花加工性和蚀刻性，能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在冷状态下对工件进行压制成型的模具。如冷冲裁模、冷冲压模、冷拉伸模、压花模、冷挤压模、螺纹压制模、粉末压制模等。冷作模具钢的范围很广，从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到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在高温条件下对工件进行压力加工的模具。如热锻模、热挤压模、压铸模、热镦模等。常用的热作模具钢有：含碳量中、高合金模具钢，并加入一定量的Cr、W、Mo、V等合金元素；对有特殊要求的热作模具钢，有时也采用高合金奥氏体耐热模具钢。

3.塑料模具钢

由于塑料的种类繁多，对塑料制品的要求千差万别，对制造塑料模具的材料也提出了各种性能要求。因此，许多工业发达国家已形成了应用范围广泛的塑料模具钢系列。其中包括碳素结构钢、渗碳塑料模具钢、预硬化塑料模具钢、时效硬化塑料模具钢、耐腐蚀塑料模具钢、易切削塑料模具钢、整体硬化塑料模具钢、马氏体时效钢以及镜面抛光用塑料模具钢等。

模具按其使用寿命分为五个级别，对钢材的要求如下：

一般模具按其使用寿命分为五个级别，一级：100万次以上，二级：50万-100万次，三级：30万-50万次，四级：10万-30万次。五级：10万次以下。

主、辅模均要求采用热处理钢，硬度在HRC50左右，否则易磨损，注塑产品易超差，所以所选用的钢材既要有良好的热处理性能，又要有较高的硬度，在加工状态下有较好的切削性能，当然还有其他的考虑。

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在减速机各类塑料齿轮的应用中，苏州文通工程塑料Wintone Z33耐磨静音齿轮专用工程塑料可以帮助您解决以下问题：

1.POM、PA66齿轮噪音较大，耐磨、抗疲劳性能不够。

2、PA12、TPEE齿轮太软，扭矩太小，耐磨性不够，当温度高于60摄氏度时，扭矩下降很快。

3、POM、PA66齿轮不耐腐蚀，易断齿，POM齿轮、注塑件易产生粉化现象。

4.尼龙46齿轮的降噪性能不够，并且其尺寸受湿度影响很大。

Z33材料作为一种强韧耐磨的工程塑料，在齿轮应用方面最显著的特点是：耐磨、静音、耐腐蚀、强度高、不受水分影响，Z33材料典型的成功应用有：微小型减速箱、电动推杆、汽车转向系统EPS齿轮、按摩器齿轮、汽油机凸轮、电动自行车中置电机齿轮、电动剃须刀等传动齿轮。

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2、以塑料齿轮注塑模为例，我们来看看齿轮注塑模模具钢材需要注意的几点。

塑料齿轮模具型腔用钢的性能要求

①机械加工性能好。选用易于切削加工、加工后能获得较高精度和表面质量的模具钢。为此，应主要采用中碳合金模具钢。

②强度高、韧性好。在齿轮注射成型过程中，型腔齿圈分型面易被塑料废料压坏而形成凹坑，造成轮齿溢料和飞边，因此要求选用热处理强度高、韧性好、不易崩刃的优质合金模具钢。

③ 良好的火花加工性能。现代模具工业已普遍采用电火花线切割、电火花成型作为齿轮型腔的最终成型工艺，一般不能采用后续的磨削、抛光等加工方法（有磨料流设备的单位除外），因此要求采用电加工变形和表面粗糙度较小、变质硬化层较薄的优质模具钢。

④耐磨、抗疲劳性能好。塑料齿轮的注塑压力较高，齿轮型腔不仅要受到高压塑料熔体的冲击，还要受到冷热交变的温度应力。一般高碳合金钢，经热处理可获得较高的硬度，但韧性较差，易形成表面裂纹或轮齿易崩齿，不能使用。另外，齿轮型腔一旦发生任何损坏，一般是无法修复的。因此，要求耐磨、抗疲劳性能好的中碳合金优质模具钢。

⑤耐化学腐蚀能力强。聚甲醛等塑料对模具有一定的腐蚀作用，特别是没有经过除湿干燥处理的比较潮湿的聚甲醛，在注射过程中容易产生气体和空气的混合，对型腔和模具造成损坏。对型芯、螺杆、料筒等都会产生化学腐蚀。因此应选用耐腐蚀能力强的优质合金模具钢。

塑料齿轮模具型腔材料选择参考

根据塑料齿轮型腔、型芯的尺寸，可直接用棒材或板材加工而成。自20世纪80年代以来，我国开始引进国外生产的优质模具钢，制造齿轮注塑模具型腔、型芯等关键成型零部件，主要是美国、日本、德国生产的预硬化模具。同时，国产模具钢也不断涌现，对降低注塑模具制造成本起到了积极作用。

国内常用的塑料齿轮模具钢有哪些？

1.预硬钢

国产P20(3Cr2Mo)预硬钢硬度可达36~38HRC，抗拉强度为1330MPa，不需热处理就能保证模具零件具有较高的形状和尺寸精度，而且易于切削和抛光，适用于注塑成型，成型次数在10万模次左右。在预硬钢中添加硫，可提高其切削性能。

国产SMI(55CrNiMnMoVS)、5NiSCa(5CrNiMnMoVSCa)预硬后硬度为35~45HRC，但切削性能与中碳调质钢相近，适用于注塑模次数20万次左右的成型模块。

国产718（3Cr2NiMo）预硬钢是国产P20钢的改良型，质量上有很大提高，弥补了P20的不足，除要求耐腐蚀的塑料模具零件外，是目前国内应用最广泛的一种。

是塑料模具钢的典型钢种，比较适合成型15万次左右的模块。

2.镜面钢

镜面钢多为沉淀硬化钢又称时效硬化钢，采用真空熔炼生产，此钢在真空环境下经500~550℃时效5~10h，钢中弥散析出复合合金化合物，使钢获得硬化，硬度可达40~45HRC，耐磨性好，加工过程中变形小。由于材质纯净，可做镜面抛光，并可光刻精细图案，电火花加工性、耐磨性好。还有一种氮化高硬度钢25CrNiMoAl，淬火回火后硬度为23~25HRC，时效后硬度为38~42HRC，氮化后表面硬度可达70HRC以上，适用于玻璃钢注塑成型件。

3.耐腐蚀钢

国产PCR（6Cr16NiCuNb）属于不锈钢，但强度较高，切削、抛光性能比普通不锈钢好，热处理时变形较小，使用温度小于400℃，空冷淬火可达42~53HRC，适用于含氮、阻燃剂等腐蚀性塑料的注塑加工。

国外引进的较常用的塑料齿轮模具钢有哪些？

我国在精密塑料齿轮的批量生产中，注塑模具齿轮型腔采用了数种从国外进口的模具钢。

1.P20预硬模具钢

进口美国P20中碳铬钼塑料模具钢有P20、P20H、P20Ni等牌号，出厂硬度29~32HRC，适合制作塑料模具型腔，材料硬度均匀，切削、磨削、抛光性能好。为了增加模具型腔的使用寿命，可以对预硬钢进行淬火+低温回火或氮化处理，以提高硬度。

淬火+低温回火处理：淬火时，先在500~600℃预热2~4h，再在850~880℃保温2h以上，在油中冷却至50~100℃后空冷至室温。淬火硬度可达50~52HRC。为防止开裂，应立即进行200℃低温回火处理。回火后硬度可保持48HRC以上，模具使用寿命明显提高。

氮化处理：可获得高硬度的表面组织，氮化后的表面硬度可达650~700HV（57~60HRC），而且氮化层材料组织致密，表面光滑，使得型腔的脱模性、耐湿气性和耐碱腐蚀性能得到提高。

P20经预处理至HB285~330，相当于瑞典618、德国GS-2311的状态，可直接用于模具制作，尺寸稳定性好，此种预硬钢价格相对便宜，适用于一般精密塑料齿轮注塑件。

2.718预硬钢

718模具钢，我国牌号3Cr2NiMo，是P20（3Cr2Mo）的改进钢种，质量上有很大提高，使得它填补了P20模具钢的不足，满足了P20模具钢不能满足要求的场合。除性能要求较高的塑料模块外，是目前我国通用塑料模具钢应用最广泛的典型钢种。

ASSAB 718预硬钢具有优异的抛光和光蚀刻性能。718HH预硬钢是718预硬钢的改进型，淬火回火后硬度可达HB340~380，可进行氮化和火焰硬化处理，以提高型腔表面硬度和耐磨性。718HH材料保持高纯度和低硫含量的品质，具有优异的抛光、光蚀刻和氮化性能。具有镜面抛光性能的718HH被广泛应用于生产透明塑料产品的模具上。

3.2083模具钢

2083是德国布德鲁斯的专用塑料模具钢，此钢为高Cr不锈钢，耐磨性、耐酸腐蚀性能优良，机械加工和抛光性能良好；淬透性好，变形小；淬火回火后型腔更耐磨；电火花加工性能好，适用于酸性塑料及表面粗糙度要求极低的模具型腔。

4.S136

瑞典S136模具钢Cr含量为13.6%，组织纯净、均匀、细密；具有优良的耐腐蚀性能和抛光性能；耐磨性、机械切削和电火花加工性能良好，磨削抛光性能优良；淬硬时尺寸稳定性优良。是一种耐腐蚀性能优良的镜面塑料模具钢。

5.日本大同NAK55预硬钢

真空冶炼后通过锻造使组织均匀化，再经过热处理、时效处理，可直接切割、雕刻成模具。切削性能良好，硬度为40HRC，但切削性能仅相当于97HRB，低于40HRC。SCM4钢具有优良的机械加工性。电火花加工后钢材表面不会硬化，易于磨削。

可获得优良的镜面效果和满意的光泽度。高硬度、高耐磨、耐高压、模具寿命长，适用于精密塑料齿轮模具型腔。

6.8407 合金工具钢

德国8407是含铬、钼、钒的中碳合金工具钢，是采用特殊的炼钢工艺和严格的质量控制而得到的高纯度、细组织钢。8407的各向同性（isotropy）比普通钢要好，传统精炼的H13更好。这对于模具的机械疲劳和热应力疲劳抗力更有价值，如压铸模、锻造模、挤压模、塑料模等对质量要求较高的模具，因此，使用8407的模具硬度可比普通H13提高1~2HRC，而不牺牲其韧性。

8407在我国作为高精度塑料齿轮、蜗杆注塑模具型腔钢种使用，该材料具有以下优点：

①优异的抗热震性和抗开裂性；

②高温强度高；

③无论尺寸大小，韧性和延展性都很高，且各向同性；

④优良的加工性能和抛光性能；

⑤淬透性优良，热处理后尺寸稳定性好。

对其热处理及磨削有如下要求：

A.球化退火

将模毛坯在保护环境下加热至850℃，均匀加热后在炉内以10℃/h的速度冷却至600℃，然后在空气中冷却。

B.消除应力回火

模具毛坯在粗加工后必须进行消除应力处理。将半成品加热到650℃，保温2小时，炉冷到550℃，然后在空气中冷却到室温。

C. 淬火

预热温度：600~800℃，淬火温度：980~1080℃（通常为1020℃），保温时间：（50±3）min。在200~550℃保温1~100min，然后空冷或油冷。将钢冷却至70~100℃时应立即回火，目的如下：

① 为了使模块获得最合适的性能；

②在保证不发生严重变形或开裂的条件下，淬火冷却速度应尽可能快。

D. 回火

至少两次，时间大于2h，最低回火温度180℃，每次回火后必须冷却至室温后才能进行下一次回火。回火时应避开425~525℃之间的回火脆性区。

E. 一些建议

①型腔硬度在48HRC以上，每注射2000~4000次后需进行额外回火。

②放电加工后需进行回火。

③模具设计时，尽量采用较大的圆角半径，避免应力集中。

F.氮化处理

为了使模块表面更加耐磨，可以进行氮化处理，使模块表面形成更坚硬的氮化层。525℃氮化可达到1000~1250HV的表面硬度。当固化时间分别为20h/30h/60h时，硬化层深度分别可达0.20mm/0.25mm/0.30mm。

G.研磨抛光技术

正确的磨削工艺可以防止模块表面产生裂纹，增加模块使用寿命。如果模块在低温回火状态下磨削，裂纹的敏感性很高。只能采用开放式粒料砂轮，并要求采用适当的磨削速度和良好的冷却液。

H.电火花加工

若模具在淬火+回火状态下进行电火花加工，则电火花加工后还需对型腔进行进一步的回火处理，置于比原回火温度低25℃的环境中，以消除其内应力。

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苏州威本工程塑料Wintone ZG6高扭矩耐磨齿轮专用料，成功应用于各类减速箱塑料齿轮：汽车电动座椅执行器平行轴减速箱二级塑料齿轮、自动卷发器及电热风梳行星减速箱内齿圈、汽车电动尾门推杆电机行星减速箱一级塑料行星齿轮、手持锂电高压水枪泵体齿圈、汽车尾门电动开门执行器平行轴减速箱电机齿轮等。

ZG6材料在中、高扭矩减速机塑料齿轮中的应用，可以帮助您解决传统齿轮材料可能遇到的以下问题：

1、玻纤增强PA66材料耐磨性、抗疲劳性不足，其尺寸和扭矩受水分影响较大，噪音较大。

2、POM材料存在扭矩不足、抗热蠕变性能差、易断齿等问题；玻纤增强POM磨损疲劳寿命不足、脆性较大；

3、玻纤增强尼龙12、尼龙612存在耐磨性、耐疲劳性不足、扭矩不足等问题。

4、玻纤增强PA46耐磨性不够，扭矩和尺寸受水分影响较大，尺寸精度难以控制，同时存在噪音大等问题；

ZG6材料在齿轮应用上的特点是：耐磨损、耐疲劳、高扭矩且不受水分影响、耐热蠕变、降噪音、吸湿性低、耐腐蚀、尺寸稳定性高。

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