國內外塑料模具鋼的發展概況
塑料制品的生產發展極為迅速,促進了塑料模具鋼的快速發展。國際上一些工業先進國家,塑料模具的產值已占模具工業總產值的首位,塑料模具鋼(瑞典一勝百模具、日本大同模具鋼、日本日立模具鋼、德國葛利茲模具鋼等)也迅速發有成一個專用鋼系列,如美國ASTM標準中的P系列包括7個鋼號(如P20等),日本大同特殊鋼公司的塑料模具鋼系列包括13外鋼號,日立金屬公司則列入了15個鋼號。
我國國家標準中只列入了3Cr2Mo(P20)及3Cr2MnNiMo(718)兩個鋼號,但近些年來,塑料模具鋼的研制開發卻卓有成效,已經初步形成了我國的塑料模具鋼系列。
塑料模具鋼可分為通用型和特種型兩大類別。
⒈通用型塑料模具鋼
⑴、非合金型塑料模具鋼。主要用于制造生產批量不大、技術要求不太嚴格的通用型熱塑性塑料制品的模具,鋼種有SM45~SM55以入T8、T10等碳素工具鋼,碳素結構鋼在正火狀態或軋制狀態使用,碳素工具鋼在淬火、回火狀態下使用。
⑵、預硬型塑料模具鋼。這類鋼是在含0.3%~0.5%C的基礎上,加入適量的Cr、Mn、Ni、Mo、V等元素而制成的,一般鋼廠經過充分鍛打后制成模塊,再預先經過淬火和高溫回(調質),使其硬度(一般為HRC30~40)滿足用戶要求。用戶買到模塊后直接加工成模具(不再進行熱處理)。代表性的鋼號如美國的P20,瑞典ASSAB公司的718(3Cr2MnNiMo),日本大同特殊鋼公司的PDS5,我國國家標準鋼號3Cr2Mo(P20)等。
⑶、時效硬化型塑料模具鋼。時效硬化鋼有兩類,即馬氏體時效硬化鋼和低鎳時效硬化鋼,馬氏體時效硬化鋼含鎳高,價格昂貴,我國極少使用。低鎳時效硬化鋼含碳量較低(≤2.5%C),鋼中加入3%~6%Ni及Al、Ti、Cu、Mo等元素。模具先經固溶處理,在低硬度下進行加工,制成后進行時效處理,由于金屬間化合物的析出,使模具硬度提高到HRC40~50,以滿足使用要求。由于時效溫度低,畸變小且有規律,因此,適用于制造形狀復雜、尺寸精度要求高的模具。代表性的鋼號有美國ASTM標準鋼號P21(2Ni4AlCrV),日本大同特殊鋼公司的NAK55(2Ni3AlCuMoS)、NAK80等。此外,日本的時效硬化鋼鋼號還有N3M、N5M、HPM1等。我國研制的25CrNi3MoAl、PMS(10Ni3MnCuAl)及06nI6CrMoVTiAl等都屬于這類鋼。
18Ni(18%Ni)的高合金馬氏體時效硬化鋼,具有綜合力學性能好,時效硬化硬度高等特點,但由于價格昂貴,只用于制造少量高精度、高表面質量、長壽命的復雜模具。
⑷、整體淬硬型塑料模具鋼。整體淬硬型模具鋼,無論熱作、冷作或塑料模具鋼,都有許多種,但作為塑料模具專門用鋼且納入行業標準的只有三種,即SM4Cr5MoSiV、SM4Cr5MoSiV1、SMCr12Mo1V1。這一組鋼本來是熱作模具鋼及冷作模具鋼,為了適應塑料模具對拋光性、蝕刻性等的特殊要求,都經過了ESR(電渣重熔)、VAR(直空冶煉)等精煉加工,使雜質含量大為降低,韌度和等向性較好。了解更多相關資訊,敬請關注東莞弘超模具鋼材專業網站www.syfukang.com,海量的模具鋼材最新行業新聞,盡在東莞弘超模具鋼材網站。
⑸、耐蝕型塑料模具鋼。有些塑料制品,如聚氯乙烯、氟化塑料、阻燃塑料等,在壓制過程中對模具有腐蝕作用,當生產批量較大時,就要采用耐蝕模具鋼,一般是采用馬氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。國外代表性的鋼號有國際標準化協會ISO4957中的110CrMo17,德國蒂森克虜伯公司的GS-346ESR及GS-316ESR,日本日立金屬公司的HPM77(YSS),日本大同特殊鋼公司的G-STAR及S-STAR,瑞典UDDEHOLM鋼廠的STAVAX ESR,瑞典ASSAB公司的S136(4Cr13)。我國生產的耐蝕型塑料模具鋼有SM2Cr13、SM4Cr13、SM3Cr17Mo以及新研制的PCR(0Cr16Ni4CuNb)鋼等。
⑹、滲碳型塑料模具鋼。主要用于制造采用凸模冷擠壓工藝壓制模具型腔的塑料模具,一般采用碳、硅含量很低的低碳鋼或低碳合金鋼,以保證在常溫下具有高塑性和低的變形抗力,便于冷擠壓、擠壓成型腔后進行滲碳淬火、回火,使模具表面具有高硬度和抗磨損性能,一般用于制造要求耐磨性較高的熱固性塑料模具和增強塑料模具。代表性的鋼號如美國ASTM標準鋼號P2(10CrMo)、P3(10CrNi)、P5(10Cr2)、P6(10CrNi3)等。
⑺、無磁型塑料模具鋼。為了適應磁性塑料模具制品的生產,國內外發展了一些無磁塑料模具鋼,將奧氏體型模具鋼通過時效硬化處理,得到要求的硬度、強度和低的導磁率。這類鋼也用于制造其他強磁材料的壓制成形模具。代表性的鋼號如日本大同特殊鋼公司的NAK301鋼,日立金屬公司的HPM75鋼,我國國家標準鋼號為7Mn15Cr2Al3V2WMo。
⒉特種塑料模具鋼
為了適應塑料模具制造過程中一些對鋼的工藝性能的特殊要求,發展了一些專用鋼種,主要有以下四種類型。
⑴、非調質型預硬塑料模具鋼。20世紀70年代以來,為了節約能源,降低制造成本,世界各工業發達國家相繼研制、開發了一系列添加微量元素(如V、Ti、Nb、N等),通過控溫軋制和控溫冷卻,不需調質處理即可具有調質后良好綜合力學性能的結構鋼,稱非調質預硬型模具鋼。由于在模具制造過程中不需要淬火、回火,因而避免了可能產生的畸變和開裂等缺陷,改善了勞動條件,減少或避免了熱處理造成的污染,降低了制造成本,具有較好的社會經濟效益,受到制造業的歡迎和應用。我國20世紀90年代研制成功了專門用于塑料模具的微合金非調質鋼,如首都鋼鐵公司生產的FT(25CrMnVTiSCaRE),采用鍛(軋)后空冷或控制空冷而硬化(HRC30~40),上海寶山鋼鐵公司生產的B20、B20H、B25、B30、B30H,清華大學的Y82,本溪鋼廠的空冷12鋼等。
⑵、鏡面磨削用塑料模具鋼。有些塑料制品,如光學儀器鏡片、電子設備的透明制品等,對表面粗糙度的要求極高,為了壓制這些制品,對成形模具的相應的型腔表面要求有極低的粗糙度,要求進行鏡面拋光。對制造這種模具的模具鋼,就要求具有極高的純凈度、致密度和均勻性,為了滿足這些要求,一般采用電渣重熔工藝生產。并且要求具有較高的淬回火硬度。PMS(1Ni3Mn2CuAlMo)鋼是高級鏡面Ni-Cu-Al沉淀硬化鋼,具有優異的鏡面拋光性、良好的圖案蝕刻性、冷熱加工性及綜合力學性能,用于制造各種光學塑料鏡片、外觀質量要求極高的光潔光亮家用電器的塑料模具。
⑶、易切削預硬型塑料模具鋼。為了改善預硬型塑料模具鋼的切削加工性,可加入易切削元素。美國、日本、德國都發展了一些易切削的預硬鋼。國外易切削預硬型鋼主要是加S,也有加S-Se的,但Se的價格較貴。S系易切削鋼在低、中速切削條件下具有良好的被切削性能,但熱變形后沿畸變方向伸長的MnS增加了鋼材的各向性,顯著降低了鋼的橫向塑性和韌度,在截面增大時,硫化物的偏析比較嚴重,因此,德國開發了經Ca處理的塑料模具鋼,但其切削性能不如含S的鋼。國外典型易切削預硬型塑料模具鋼有德國蒂森公司的P20和718型預硬型塑料模具鋼基礎上加入Ca、S發展出的易切削模具鋼GS738和GS312,日本大同特殊鋼公司發展的PDS5鋼及NAK55鋼等。我國研制的易切削預硬型塑料模具鋼牌號有5iCaS(5CrNiMnMoVSCa)、8Cr2S(8Cr2MnWMoVS)、3Cr2MnMoVS、P20BSCa(40CrMnMoVBSCa)等。
⑷、高焊接性塑料模具鋼。很多塑料模具可以采用堆焊的方法,對磨損部分進行堆焊修復后重新使用。為了簡化堆焊修復工藝,國外發展了一些焊接性能好的塑料模具鋼,如日本大同特殊鋼公司開發的PX2、PX5及NAK55等鋼種。
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