对塑料模具钢的要求及热处理范文

☆ 耐腐蚀、硬度高、易切削加工、高镜面性。 钢的热处理：

1. 予硬化型塑料模具钢的热处理：

⑴. 我国的3Cr2Mo：相当美国的P20，瑞典（ASSAB）的618，德国的40CrMnMo7，日本（日立）的

HPM2。

荐的规范为淬火—840~8800C，油冷，

回火—600~6500C，空冷， 硬度—28~33HRC。

⑵. 美国（AISI、SAE）推荐的P20钢渗碳后的热处理工艺：

淬火—820~8700C，

回火—150~2600C，空冷，

硬度—58~HRC（渗碳层表面硬度）。

⑶. 德国40CrMnNiMo钢（DIN2738，相当于P20＋Ni或SM3Cr2NiMo）的热处理特性：淬透性比

SM3Cr2Mo更高，保证钢在较大截面上力学性能

均匀，宜做大截面（＞400mm）的塑料模具。钢的冶金质量、加工性优良。抛光性

和电蚀刻性亦好。

供应硬度：280~325HBS

退火工艺：加热温度710~740 0C，炉冷。硬度≤265HBS。

淬火：奥氏体化温度840~8700C，必须予热，予热温度约6500C。形状复杂、尺寸厚薄不均者最

好二次予热，第一次约4000C予热，保温时间按0.5~1.0min/mm计算。经予热后的淬火保温时间按0.5min/mm计算。为使合金元素充分溶入奥氏体，保温时间应足够。

冷却：油冷或180~2200C热浴分级淬火，以热浴为好。热浴冷却保温时间以模具整个截面温度均

匀为度，然后出炉空冷到800C左右立即回火。

回火：回火温度根据硬度要求而定。不同温度回火后的硬度见下表。 回火温度0C 100 200 300 400 500 600 700 硬度HRC 51 50 48 46 42 36 28 抗拉强度σb/MPa 1730 1670 1570 1480 1230 1140 920 回火加热时应缓慢升温，回火保温时间按壁厚1h/20mm计算，但不得小于2小时，空冷。 渗氮：可提高耐热疲劳强度，降低摩擦系数（抗咬合），延长模具使用寿命。以离子渗氮或气体

渗氮为宜（干净）。有效渗氮层深度以0.2~0.3mm为宜。硬度550~800HV，渗氮后不宜研磨，以免渗氮层磨掉。

焊接：焊接时须予热至400~5000C后，进行焊接。焊接后及时消除应力退火，工艺为600~6500C，

充分保温后炉冷。

镀铬：该钢可以镀铬，镀铬后应立即进行去氢退火。去氢退火工艺：加热温度180~2000C，保温

时间2~4小时。

2. 易切削予硬化型塑料模具钢的热处理。

⑴. 8Cr2MnWMoVS（8Cr2S）钢，是含硫易切削钢，当热处理到硬度40~42HRC时，其切削加工性良

好，综合力学性能亦好，可研磨抛光到Ra0.025μm该钢有良好的光刻浸蚀性能。

退火：800±100C，保温2~4小时，降温到700~7200C等温，保温4~6小时，炉冷，硬度≤229HBS。 淬火：880~9200C，空冷，硬度63HRC。

淬火加热时间，盐浴炉1.5~2.0min/mm；气体介质炉2.0~2.5min/mm。 回火：一般取160~2000C，空冷，硬度≥58HRC。不同回火的性能如下： 温度0C 200 500 550 580 600 620 630 650 硬度HRC 62.3 53.7 51.1 49.8 47.1 46.6 44.2 36.7 σb/MPa 3130 3100 3000 3000 2900 2851 2570 2470 ⑵. 5CrNiMnMoVSCa（5NiCa）高韧性易切削钢，在予硬状态下（42HRC） 仍具有良好的加工性，良好的镜面抛光性能，抛光可达Ra0.040μm，补焊性能好。 退火：760~7800C，保温2小时，670~6900C保温6~8小时，炉冷到≤5300C出炉空冷，硬度217~220HBS。

淬火：860~9200C，油冷或空冷（小零件），σb≥2100Mpa，硬度≥58HRC。经淬火和不同温度回火

后的硬度和抗拉强度见下表： 温度0C 200 300 400 500 600 625 650 675 硬度HRC 57 50.5 48 43.5 39 36 32.5 Σb/MPa 2100 2090 1840 1710 1300 1210 1032 - 3.非合金中碳塑料模具钢的热处理。就是冶金质量更高的中碳碳素结构钢。 4.渗碳型塑料模具钢的热处理。

受冲击大的塑料模具零件，要求表面硬而中心韧，通常采用渗碳钢制造。一般渗碳零件可以采用结构钢类的合金渗碳钢，其热处理工艺与结构零件基本相同。对于表面质量要求很高的塑料模具成形零件，宜采用专门用钢，如SM3Cr2Mo钢。

塑料模具渗碳零件的一般技术要求： ⑴. 有效渗碳层深度。压制含有矿物填料的塑料制品时，层深取1.3~1.5mm；压制软性塑料的零件，

取0.8~1.2mm；有锐边尖角的模具零件，取0.2~0.6mm；

⑵. 渗碳层的碳浓度，比一般结构零件的碳浓度要低，控制在共析成分为佳，取0.7~0.9%； ⑶. 渗碳层的碳化物，应均匀细小，不允许有网络状或链状及粗大的碳化物； ⑷. 无晶内氧化、过量的残余奥氏体以及其他组织缺陷。

以冷挤压的方法制造塑料模具零件，应采用低碳渗碳型钢种。典型的钢种有美国P系列的塑料模具钢（同类型的有德国的X6CrMo5；日本的CH系列钢，CH有日本厂商牌号）。P1钢是非合金渗碳型塑料模具钢P2~P6是合金钢。渗碳温度取900~9300C，淬火温度由于合金元素不同而有差异。P1钢为790~8000C，水或盐水冷；P2钢取830~8450C，油冷；P3钢取800~8300C，油冷；P4钢取970~9950C，空冷；P5钢取845~8700C，空冷；P6钢取790~8150C，油冷；回火温度，P1、P2、P3、P6钢取175~2600C；P4、P5钢取175~4800C。渗碳淬火回火后的表面硬度均取58~HRC。P20钢也宜渗碳，渗碳温度870~9000C，淬火温度815~8700C，油冷；回火温度175~2600C，表面硬度58~HRC；回火温度取480~5950C，硬度28~37HRC。 5. 时效硬化型塑料模具钢的热处理。

为了减少或避免模具零件热处理变形和提高模具零件的精度保持型，形状复杂、高精度、长寿命的塑料模具零件采用时效硬化钢制造。模具零件在固溶处理后变软（硬度约28~34HRC），便于切削加工成形，然后再时效硬化，获得所需要的综合力学性能。

时效硬化型塑料模具钢有马氏体时效硬化钢和析出（沉淀）硬化钢两大类。

马氏体时效硬化钢有高的屈强度比，良好的切削加工性和焊接性能，热处理工艺简单等优点。典型的钢种是18Ni系列。屈服强度可高达1400~3500Mpa。这一类钢制造模具虽然价格昂贵。但由于使用寿命长，综合经济效益仍然很高。

为保证零件表面质量，热处理应采用有可靠保护作用的控制侵犯炉。一般用氨分解气可以满足要求。 马氏体时效硬化钢也可用作热作模具的工作零件，建议采用下列工艺：8200C固溶处理，3500C时效3~6小时。

时效处理后的变形情况，尺寸变化是有规律的，在工艺设计时可予留神变形量来适当控制。如18Ni（200）钢，长度方向收缩约0.04%；18Ni（250）钢收缩约为0.06%；18Ni（300）和18Ni（350）收缩约为0.08%。

18Ni系列钢的时效强化效果很明显。如18Ni（250）钢在固溶状态下，硬度为28HRC，经4800C时效3小时，硬度可提高到43HRC，保温时间延长到3小时或更长，硬度可达52HRC。

18Ni系列时效钢还可以通过渗氮进一步强化。18Ni（300）钢的气体渗氮工艺：455±100C，24~28小时。

析出硬化型钢也是通过固溶处理和沉淀析出第二相而强化，硬度在37~43HRC左右，能满足一些塑料模具成形零件的要求。市场以40HRC级予硬化钢供应，仍然有满意的切削加工性。这一类钢的冶金质量高，一般都采用特殊冶炼，所以纯洁度、镜面研磨性、蚀花加工性良好，使模具有良好的精度和精度保持性。其焊接性好，表面和心部的硬度均匀。

析出硬化型塑料模具钢的代表性钢号有25CrNi3MoAl，属低碳中合金钢，相当美国的P21钢。

25CrNi3MoAl钢的热处理可分三部分： ⑴. 第一次固溶处理（也叫淬火）。获得细小的板条状马氏体，提高钢的强韧性。奥氏体化温度愈

高，保温时间愈长，固溶处理后的硬度愈低，板条状马氏体粗大。

⑵. 第二次固溶处理（也叫回火）。目的是使马氏体分解又不使NiAl相脱溶析出。25CrNi3MoAl

钢经第二次固溶处理后，淬火马氏体分解转变成回火马氏体。第二次固溶处理温度取650~6800C。随着回火温度的升高和回火时间的延长，硬度逐渐下降。在6800C回火4小时，硬度降到28HRC；6800C回火6小时，硬度降到23HRC。此时极易切削加工。

⑶. 时效处理。目的是使NiAl相析出而强化。

美国P21钢的时效工艺：510~5380C，20~24小时。

25CrNi3MoAl钢时效变形率可控制在0.05%以下（收缩），如果在机加工后加消除应力处理，变形还可进一步减少到0.01~0.02%。

析出硬化型钢制的模具零件还可通过渗氮处理进一步通过耐磨性、抗咬合能力和模具使用寿命。 美国P21钢的渗氮温度可取与时效温度相同（510~5250C），渗氮时间20~24小时。渗氮结果：有效渗氮层深度约0.15mm，表面硬度接近94HR15-N。？

25CrNi3MoAl钢如果也取渗氮温度与时效同一温度（520~00C），同样可获得最佳硬度、强度和较高的韧性，渗氮层约0.2mm。渗氮层表面硬度可高达1100HV。

我国研制的新型析出硬化塑料模具钢10Ni3MnCuAl（SM1Ni3MnMoCuAlE）可与日本同类型的高性能高精密予硬型塑料模具钢NAK55、NAK80媲美，但不含贵重元素Co。试验钢（感应炉熔炼再经电渣重熔）基本化学成分（%）：C-0.10，Ni-2.83，Cu-0.94，Al-0.76，Mn-1.，Mo-0.32，Si-0.24，Cr-0.09，S-0.015，P-0.017。加工性能（切削加工性、热处理工艺性、镜面研磨性、抛光性、焊接性、蚀花性、电加工性、精度保持性等）均较好。添加易切削元素S后，可进一步改善切削加工性而对力学性能无明显恶化。 热处理：8700C加热，保温1小时固溶处理，5100C4小时时效处理，硬度40~43HRC（以40HRC级予硬化钢供应市场）。抗拉强度1000~1300Mpa。金相组织为板条状马氏体基体弥散分布大量细小金属间化合物。 6. 耐腐蚀型塑料模具钢的热处理。

常用钢种有Cr13型和9Cr18钢等可强化的马氏体型不锈钢。

耐腐蚀型塑料模具钢的热处理规范 序号 硬度 钢号 热处理 980~10500C油冷，650~7000C回火，油冷。可进行渗 1 Cr13系列 229~341HBS 氮提高表面硬度和耐磨性、但耐蚀性会下降。 8500C预热，1050~11000C奥氏体化油冷，－800C冷 2 9Cr18 处理，160~2600C回火3小时，130~1400C去应力退 58~62HRC 火15~20小时。 第一次预热5000C 第二次预热8000C 以预硬化钢奥氏体化温度1020~10700C，空冷、油冷或气冷均可， 交货 回火：①.要求耐蚀性 31~34HRC 3 S-STAR 200~4000C回火，按60~90min/25mm 淬火回火态②.要求高硬度 交货 490~5100C回火，按60~90min/25mm ≤229HBS 精度保持要求高的模具零件须进行冷处理。 ※ S-STAR是日本大同特钢公司的产品。 但上述不锈钢制作高镜面要求的塑料模具钢成型零件，表面质量的要求是难以满足的。因此开发了耐腐蚀镜面塑料模具钢。例如法国的CLC2316H钢（同类型的德国X36CrMo17），是预硬化型的抗腐蚀镜面塑料模具钢。基本化学成分（%）：C-0.40，Si-0.35，Mn-0.90，Cr-16，Mo-1.03，S＜0.005，P＜0.03。硬度30~35HRC。钢经精细冶炼及热处理，材质纯净，组织细小均匀，具有良好的镜面性。力学性能，300HBS时屈服强度855Mpa，σb993Mpa，δ 13%，ψ 38%。如果要进一步改变硬度和力学性能，可以重新淬火回火，淬火温度取985~10200C，油冷或气冷，回火温度按力学性能要求而定。回火需两次，空冷。

耐腐蚀塑料模具钢零件的热处理与一般不锈钢制品的热处理基本相同。

模具钢的热处理：

一. 钢的退火：一般是将钢加热到高于临界温度约20~300C，保温一定时间，随后使其缓冷到室温以获得接近于平衡状态

组织的工艺。其目的在于：使钢的硬度降至接近最低值；消除钢的内应力；使钢的化学成分均匀以及细化钢的晶粒、改善钢的组织，为后续加工工序作准备。

1. 完全退火：是将亚共析钢加热到AC3以上（20~300C）保温足够的时间，使完全转变成奥氏体并使奥氏体均匀化

（或基本均匀），继之以缓慢冷却。完全退火的目的是：使钢软化，以便于以后的机械切削加工或塑性变形加工；使钢的晶粒细化和消除内应力，以及为淬火准备适宜的组织。

为了达到上述目的，完全退火的加热温度通常规定为高于AC320~300C。但模具钢中含有强碳化物形成元素，如钨、铬、钼和钒等，其奥氏体化温度应适当地提高一些。这样可使它们所形成的碳化物能够较快地溶入奥氏体中。

退火加热保温应有足够的时间使奥氏体均匀化。保温后的冷却速度应根据所欲达到的目的来决定。一般完全退火需时较长。为了缩短工艺过程的时间，保温后，可尽快地把钢从退火加热温度降至稍低于下临界温度。此后，选用适当的冷却速度缓冷，使其在珠光体转变温度范围内转变成符合要求的金相组织和性能。 2. 不完全退火：

不完全退火的加热温度介于上下临界温度之间，通常稍高于下临界温度。对于亚共析钢而言，不完全退火的加热温度在AC1~AC3之间，而过共析钢则在AC1~AC3之间。

不完全退火的目的与完全退火近似，但由于在加热温度下不能完全重结晶，所以细化晶粒方面不如完全退火好。不完全退火的优点是加热温度低，所以使用较广。 3. 等温退火：

等温退火的工艺过程是将须退火的钢加热到临界温度以上（亚共析钢加热到AC3以上，共析钢和过共析钢

加热到AC1以上）保持一定时间，使其奥氏体化和奥氏体均匀化。然后放入另一温度稍低于Ar1的炉中，或在原加热炉中使钢迅速随炉冷至稍低于Ar1的温度进行等温。在等温过程中奥氏体将随所采用等温温度的高低而转变成所需的层片厚薄适宜的珠光体。 4. 球化退火：

球化退火是使钢获得球化体的工艺方法。 5. 扩散退火：

扩散退火是将钢加热到较高的温度，并长时间保温，消除化学成分的偏析。 6. 软化退火和再结晶退火：

对经过冷加工的钢材进行软化处理，即加热到A1以下的温度（约6500C上下），并保持适当的时间然后冷却。 再结晶退火是把经过冷塑性变形的金属材料加热到高于其再结晶温度，使之进行重新成核和晶粒长大，以获得和原来晶体结构相同（没有相变）而没有内应力的新的稳定组织。 7. 钢的正火：

正火是将钢加热到上临界点以上约30~500C或更高温度使奥氏体化并保温使之均匀化后，在静止空气中冷却的热处理工艺。

8. 钢的淬火和回火：

钢的淬火是将钢加热到临界温度（AC3或AC1）以上某一温度，充分保温，使奥氏体化后迅速冷却，使钢的金相组织转变成固溶了第二相的固溶体的工艺过程。对于模具钢而言，主要是马氏体或混有下贝氏体的混合组织。其他类钢，可能是奥氏体，此时叫固溶处理。回火是淬火的后续工序，是将淬火后的钢加热到AC1以下某一温度（根据回火后要求的金相组织和性能而定），充分保温（使转变完成）后冷却的工艺过程。固溶处理后的钢使第二相析出而强化，此时称时效。

淬火或回火，都包括两个主要阶段，即加热和冷却。由于加热和冷却的方式方法和介质的不同，淬火工艺或回火工艺有许多种，如完全淬火、不完全淬火、分级淬火、等温淬火等；低温回火、高温回火、真空回火等。 ⑴. 淬火：

淬火加热温度：共析和过共析钢加热温度在AC1~ACm之间，取AC1＋（30~500C），大件取上限，细晶粒钢有时取更高温度。亚共析钢取AC3＋（30~500C）。 加热介质有气体和液体。

加热时间包括升温、均温和保温。要考虑很多因素。 冷却，通常有水和水溶液、油、熔盐或空气。

⑵. 回火：

低温回火，一般为250 0C以下。

中温回火，一般为350~5000C，组织为回火屈氏体。

高温回火，一般为500~6500C之间或更高一些。目的是调整钢的强韧性（即综合力学性能）使达到最佳的配合。也称调质处理。作为预先热处理时，也为后续工序如表面淬火、渗氮等做组织准备，改善切削加工性。此外，对某些高合金钢获得二次硬化效果，提高硬度和耐磨性，尺寸稳定性，消除残余奥氏体。

回火保温时间一定要充分。回火后冷却一般为空冷。但对于有回火脆性的钢，要快速冷却，冷却后再进行一次低温回火以消除内应力。 ⑶. 冷处理：

冷处理也叫冰冷处理、零下处理、深冷处理。是淬火冷却到室温后继续冷却到钢的马氏体转变开始点Ms以下某一温度，一般为－60~－1900C，使在室温未完成转变的奥氏体转变成马氏体。冷处理的目的，一是使模具零件具有精度保持性，防止在室温因残余奥氏体转变而发生尺寸变化；二是促使未转变的奥氏体更多地转变成马氏体，进一步提高硬度，从而提高零件的耐磨性和使用寿命。 ⑷. 火焰表面淬火。

9. 钢的真空热处理：

模具零件采用真空热处理是目前最佳方式。真空热处理的关键是采用合适的设备即真空退火炉、真空淬火炉和真空回火炉。 10. 常用塑料模具钢：

1. 碳素塑料模具钢：SM45、SM50、SM55；

2. 预硬化型塑料模具钢：3Cr2Mo、3Cr2NiMnMo、5CrNiMnMoVSCa、40Cr、42CrMo、30CrMnSiNi2A 3. 渗碳型塑料模具钢：20Cr、12CrNi3A

4. 时效硬化型塑料模具钢：06Ni6CrMoVTiAl、1Ni3Mn2CuAlMo

5. 耐腐蚀型塑料模具钢：2Cr13、4Cr13、9Cr18、9Cr18Mo、Cr14Mo4V、1Cr17Ni2 二. 钢种对照。 P20： 化学成分 ASTM P20 UNS T51621 C 0.28 ~ 0.40 Si 0.20 ~ 0.80 Mn 0.60 ~ 1.00 P≤ S≤ Cr ~ 2.00 Mo 0.30 ~ 0.55 V - W - 其他 - 0.030 0.030 1.4 中国：3Cr2Mo。ISO：35CrMo7。英国：BP20（BS）。法国：35CrMo8（NF）。德国：~35CrMo4（DIN）、1.2330（W-Nr）、40CrMnMo7、1.2311。日本（日立）HPM2。瑞典：2234（SS）、618（ASSAB）。LKM-2311

P20改进型为P20＋Ni，即我国的SM3CrNiMo钢，瑞典：718S、718H（ASSAB）。日本：PX-88（大同）。LKM-738、738H。法国：（优基诺）2738、2738HH、2738N。 化学成分 ASTM P21 UNS T51621 C 0.18 ~ 0.22 P21，中国：20CrNi4AlV

P21改进型，日本：NAK55、NAK80 化学成分 AISI420 C 0.38 Si 0.6 Cr 13.6 Ni - Mn 0.5 Mo - V 0.3 Si 0.20 ~ 0.40 Mn 0.20 ~ 0.40 P≤ 0.030 S≤ 0.030 Cr 0.50 ~ 0.30 Mo - V 0.15 ~ 0.25 Al 1.05 ~ 1.25 Ni 3.90 ~ 4.25 中国：4Cr13，瑞典：S136、S136H（ASSAB），日本大同：PAK90 德国：DIN1.2083、X42Cr13。法国：（优基诺）2038。