6.4 常用塑料模具零部件材料
塑料注射模具结构比较复杂，一套完整的模具有各种各样的零件，各个零件在模具中所处的位置、作用不同，对材料的性能要求就有所不同。合理选择模具零件的材料，是生产高质量模具、提高效率、降低成本的基础。
6.4.1 塑料注射模具对材料的基本要求
对于塑料注射模具，模具零件材料的基本要求如下。 1. 具有良好的机械加工性能
塑料注射模具零件的生产，大部分由机械加工完成。良好的机械加工性能是实现高速加工的必要条件。良好的机械加工性能能够延长加工刀具的寿命，提高切削性能，减小表面粗糙度值，以获得高精度的模具零件。
2. 具有足够的表面硬度和耐磨性
塑料制品的表面粗糙度和尺寸精度、模具的使用寿命等，都与模具表面的粗糙度、硬度和耐磨性有直接的关系。因此，要求塑料注射模具的成型表面有足够的硬度，其淬火硬度应不低于55 H RC，以便获得较高的耐磨性，延长模具的使用寿命。
3. 具有足够的强度和韧性
由于塑料注射模具在成型过程中反复受到压应力（注射机的锁模力）和拉应力（注射模型腔的注射压力）的作用，特别是大中型和结构形状复杂的注射模具，要求其模具零件材料必须有高的强度和良好的韧性，以满足使用要求。
4. 具有良好的抛光性能
为了获得高光洁表面的塑料制品，要求模具成型零件表面的粗糙度值小，因而要求对成型零件表面进行抛光以减小其表面粗糙度值。为保证抛光效果，模具材料不应有气孔、杂质等缺陷。
5. 具有良好的热处理工艺性
模具材料经常依靠热处理来达到必要的硬度，这就要求材料具有较好的淬硬性和淬透性。塑料注射模具的零件往往形状较复杂，淬火后进行加工较为困难，甚至根本无法加工，因此模具零件应尽量选择热处理变形小的材料，以减少热处理后的加工量。
6. 具有良好的耐腐蚀性
一些塑料及其添加剂在成型时会产生腐蚀性气体，因此选择的模具材料应具有一定的耐腐蚀性，另外还可以采用镀镍、铬等方法提高模具型腔表面的抗蚀能力。
7. 表面加工性能好
塑料制品要求外表美观，花纹装饰时，则要求对模具型腔表面进行化学腐蚀花纹，因此要求模具材料蚀刻花纹容易，花纹清晰、耐磨损。
6.4.2 塑料注射模具零件常用材料
目前生产中常用的塑料模具材料有金属材料和非金属材料，常用的金属材料有碳素模具钢、渗碳型塑料模具钢、合金模具钢以及塑料模具特殊用钢等，它们的类别和特点如下。
1. 碳素模具钢
⑴ SM45钢 SM45钢属优质碳素塑料模具钢，与普通优质45碳素结构钢相比，其钢中的S、P含量低，钢材纯度好。由于SM45钢的淬透性差，制造较大尺寸的塑料模具，一般用热轧、热锻或正火状态，模具硬度低，耐磨性较差；制造小型塑料模具，用调质处理可获得较高的硬度和较好的强韧性。钢中碳含量中等，形状简单的模具一般采用水冷淬火，形状复杂的小型模具水淬容易出现裂纹，一般采用水淬油冷。SM45钢的优点是价格便宜，切削加工性能好，淬火后具有较高的硬度，调质处理后具有良好的强韧性和一定的耐磨性，被广泛用于制造中、低档的塑料模具。
⑵ SM50钢 SM50钢属碳素塑料模具钢，其化学成分与高强中碳优质结构钢——50钢相近，但钢的洁净度更高，碳含量的波动范围更窄，力学性能更稳定。SM50钢经正火或调质处理后，具有一定的硬度、强度和耐磨性，而且价格便宜，切削加工性能好，适宜制造形状简单的小型塑料模具或精度要求不高、使用寿命不需很长的模具等。但SM50钢的焊接性能不好，冷变形性能差。
⑶ SM55钢 SM55钢属碳素塑料模具钢，其化学成分与高强中碳优质结构钢——55钢相近，但钢的洁净度更高，碳含量的波动范围更窄，力学性能更稳定。SM55钢经热处理后具有高的表面硬度、强度、耐磨性和一定的韧性，一般在正火或调质处理后使用。该钢价格便宜、切削加工性能中等，当硬度为179～229HBS时，相对加工性为50％，但焊接性和冷变形性均低。适宜制造形状简单的小型塑料模具或精度要求不高、使用寿命不需要很长的塑料模具。
2. 渗碳型塑料模具钢
⑴ 20钢 20钢属于低碳钢，特点是强度低，塑性和韧性较高，切削性和焊接性很好。含锰量低的20钢的切削加工性比含锰量高的要差些，但可以用正火或冷变形的方法来改善，冷变形还可以提高钢的强度，而正火可以提高钢的韧性，所以采用冷挤压成形的模具在冷挤压加工前最好先进行正火处理。退火虽然能提高20钢的韧性，但由于其缓慢的冷却可能引起游离铁素体在晶粒边界上析出，严重影响到钢的切削加工性与加工后应有的表面粗糙度，因此20钢不适宜在退火状态下制造各类零件。
20钢适宜制作普通的中小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成形后需进行渗碳或碳氮共渗热处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有很好的韧性。
⑵ 20Cr钢 20Cr钢的强度和淬透性比相同含碳量的碳素钢都有明显提高，20Cr钢经淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。渗碳时钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心部韧性，不宜降温淬火。当正火后硬度为170～217HBS时，20Cr钢的相对切削加工性为65％，焊接性中等，焊接前要预热100～150℃，冷变形时塑性中等。该钢适于制造中小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成形后需要进行渗碳热处理或碳氮共渗热处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。对于使用寿命要求不高的模具，也可以直接进行调质处理。
⑶ 20Cr2Ni4钢 20Cr2Ni4钢是优质渗碳钢，强度、韧性及淬透性均优良，渗碳后不能直接淬火，在淬火前需进行一次高温回火。20Cr2Ni4钢的冷变形塑性中等，切削加工性一般，焊接性差，焊前应预热，白点敏感性大，有回火脆性倾向。
20Cr2Ni4钢有高的淬透性，因此可以制造截面尺寸较大的模具。20Cr2Ni4钢淬火、回火后都有良好的综合性能，可以用切削加工或冷挤压成形的方法制造模具。为了提高模具表面的硬度和耐磨性，可以采用渗碳、淬火、回火的方法或碳氮共渗、淬火、回火的方法，提高模具表面的硬度和耐磨性，而模具的心部仍保持较好的韧性。20Cr2Ni4钢适宜制造大、中型塑料模具。
3. 合金模具钢
为满足塑料注射模具对材料的各种要求，目前市场上已有许多制造塑料模具专用的合金模具钢。
⑴ 3Cr2Mo(P20)钢 这是一种可以预硬化的塑料模具钢，预硬化后硬度为36～38HRC，适用于制作塑料注射模具型腔，其加工性能和表面抛光性较好。
⑵ 10Ni3CuAlVS(PM S)钢 此种钢为析出硬化钢。预硬化后时效硬化，硬度可达40～45HRC。热变形极小，可做镜面抛光，特别适合于腐蚀精细花纹。可用于制作尺寸精度高，生产批量大的塑料注射模具。
⑶ 06Ni7Ti2Cr钢 该种钢材属于马氏体时效钢。在未加工前为固熔体状态，易于加工。精加工后以480～520℃进行时效，硬度可达50～57HRC。适用于制造要求尺寸精度高的小型塑料注射模具，可做镜面抛光。
⑷ 8CrMnWMoVS(8CrMn)钢 为易切预硬化钢，可做镜面抛光。其抗拉强度高，常用于大型注射模具。调质后硬度为33～35HRC，淬火时可空冷，硬度可达42～60HRC。
⑸ 25CrNi3MoAl钢 适用于型腔腐蚀花纹，属于时效硬化钢。调质后硬度23～25HRC，可用普通高速钢刀具加工。时效后硬度38～42HRC。可以做氮化处理，氮化处理后表层硬度可达1100HV。
⑹ Crl6Ni4Cu3Nb(PCR)钢 耐腐蚀钢，可以空冷淬火，属于不锈钢类型。空冷淬硬可达42～53HRC，适于有腐蚀性的聚氯乙烯类塑料制品的注射模具。
4. 塑料模具的结构零件用钢
塑料注射模具中的结构零件一般采用碳素结构钢或低合金钢。
⑴ Q235A钢 Q235A为碳素结构钢，其机械性能较差，但价格低廉，常用于塑料注射模的动模及定模座板、垫块等零件。
⑵ 45、55钢 此类钢为优质碳素结构钢，可以用来制造形状较简单，精度要求不高的塑料注射模具，但其使用寿命较低，抛光性不好。45、55钢可以通过调质处理来改善其性能，可以用于制造塑料注射模具的推板、型芯固定板、支承板等零件。
⑶ T8A、T10A钢 这类钢为优质碳素工具钢，其含碳量高，淬火硬度可达50～55HRC，可用于制造导柱、导套、斜销、推杆等塑料注射模具零件。
⑷ 40Gr钢 40Gr钢为低合金钢，可以用于制造形状不太复杂的中小型塑料注射模具。40Gr钢可以进行淬火、调质处理，制作型芯、推杆等零件。
5. 其他材料
有色金属材料和非金属材料也是塑料注射模具中经常用到的材料。
⑴ 铍铜合金 铍铜合金是在铜中加入3.0％以下的铍(Be)而形成的合金。铍铜合金通常采用精密铸造或者压力铸造来制造精密、复杂型腔。可采用此种方法方便、迅速地制造机械加工无法制作的复杂型腔。铍铜合金机械性能好，热处理硬度可达40～50HRC，尺寸精度高并且导热性能好。铍铜合金价格较高，因此，一般仅用其制造型腔镶件，镶入模具中。
⑵ 锌基合金 常用的锌基合金是把锌作为主要成分并加入A1、Cu、Mg等元素形成合
金。锌基合金材料熔融温度低，能简单地用砂型铸造、石膏型铸造、精密铸造等方法成型。由于其熔融温度低，表面质量较好，加工周期短，经常被用在注射次数少的试模模具和小批量生产的注射成型模具。因锌基合金铸造后产生收缩较大，所以在铸造后应放置24小时使其尺寸稳定后再进行加工。锌基合金的使用温度较低，当温度高于150～200℃时容易引起变形。所以锌基合金仅适用于模具温度较低的塑料注射模具。
⑶ 环氧树脂 环氧树脂应用在试制及成型批量很少的模具上。纯环氧树脂中一般加铝粉等填料以改善其强度、硬度、收缩率等性能。采用环氧树脂制模时，只要有模型，就能在相当短的时间内制造出模具，因此对于试制产品是非常有利的。
塑料膜具零件所使用的材料可以根据生产实际情况选用。表6-11给出了部分塑料模具零件材料的选用及说明。
表6-11 塑料模具常用材料选用
习 题
1．何谓凹模（型腔）和凸模（型芯）？绘出整体组合式凹模或凸模的三种基本结构，
并标上配合精度。
2．常用小型芯的固定方法有哪几种形式？分别使用在什么不同场合？ 3．螺纹型芯在结构设计上应注意哪些问题？ 4．在设计组合式螺纹型环时应注意哪些问题？ 5．计算成型零部件工作尺寸时需要考虑哪些因素？
6．根据图示的塑件形状与尺寸，分别计算出凹模和凸模的有关尺寸（塑料收缩率取
0.005，z取△／3)。(答案：L146.020
0.093
，L22.420
0.040
，H114.940
0.067
，
H21.930
0.040
，C12.140.030，l40.410.093，h12.180.060)
第6题图
6.4 常用塑料模具零部件材料
塑料注射模具结构比较复杂，一套完整的模具有各种各样的零件，各个零件在模具中所处的位置、作用不同，对材料的性能要求就有所不同。合理选择模具零件的材料，是生产高质量模具、提高效率、降低成本的基础。
6.4.1 塑料注射模具对材料的基本要求
对于塑料注射模具，模具零件材料的基本要求如下。 1. 具有良好的机械加工性能
塑料注射模具零件的生产，大部分由机械加工完成。良好的机械加工性能是实现高速加工的必要条件。良好的机械加工性能能够延长加工刀具的寿命，提高切削性能，减小表面粗糙度值，以获得高精度的模具零件。
2. 具有足够的表面硬度和耐磨性
塑料制品的表面粗糙度和尺寸精度、模具的使用寿命等，都与模具表面的粗糙度、硬度和耐磨性有直接的关系。因此，要求塑料注射模具的成型表面有足够的硬度，其淬火硬度应不低于55 H RC，以便获得较高的耐磨性，延长模具的使用寿命。
3. 具有足够的强度和韧性
由于塑料注射模具在成型过程中反复受到压应力（注射机的锁模力）和拉应力（注射模型腔的注射压力）的作用，特别是大中型和结构形状复杂的注射模具，要求其模具零件材料必须有高的强度和良好的韧性，以满足使用要求。
4. 具有良好的抛光性能
为了获得高光洁表面的塑料制品，要求模具成型零件表面的粗糙度值小，因而要求对成型零件表面进行抛光以减小其表面粗糙度值。为保证抛光效果，模具材料不应有气孔、杂质等缺陷。
5. 具有良好的热处理工艺性
模具材料经常依靠热处理来达到必要的硬度，这就要求材料具有较好的淬硬性和淬透性。塑料注射模具的零件往往形状较复杂，淬火后进行加工较为困难，甚至根本无法加工，因此模具零件应尽量选择热处理变形小的材料，以减少热处理后的加工量。
6. 具有良好的耐腐蚀性
一些塑料及其添加剂在成型时会产生腐蚀性气体，因此选择的模具材料应具有一定的耐腐蚀性，另外还可以采用镀镍、铬等方法提高模具型腔表面的抗蚀能力。
7. 表面加工性能好
塑料制品要求外表美观，花纹装饰时，则要求对模具型腔表面进行化学腐蚀花纹，因此要求模具材料蚀刻花纹容易，花纹清晰、耐磨损。
6.4.2 塑料注射模具零件常用材料
目前生产中常用的塑料模具材料有金属材料和非金属材料，常用的金属材料有碳素模具钢、渗碳型塑料模具钢、合金模具钢以及塑料模具特殊用钢等，它们的类别和特点如下。
1. 碳素模具钢
⑴ SM45钢 SM45钢属优质碳素塑料模具钢，与普通优质45碳素结构钢相比，其钢中的S、P含量低，钢材纯度好。由于SM45钢的淬透性差，制造较大尺寸的塑料模具，一般用热轧、热锻或正火状态，模具硬度低，耐磨性较差；制造小型塑料模具，用调质处理可获得较高的硬度和较好的强韧性。钢中碳含量中等，形状简单的模具一般采用水冷淬火，形状复杂的小型模具水淬容易出现裂纹，一般采用水淬油冷。SM45钢的优点是价格便宜，切削加工性能好，淬火后具有较高的硬度，调质处理后具有良好的强韧性和一定的耐磨性，被广泛用于制造中、低档的塑料模具。
⑵ SM50钢 SM50钢属碳素塑料模具钢，其化学成分与高强中碳优质结构钢——50钢相近，但钢的洁净度更高，碳含量的波动范围更窄，力学性能更稳定。SM50钢经正火或调质处理后，具有一定的硬度、强度和耐磨性，而且价格便宜，切削加工性能好，适宜制造形状简单的小型塑料模具或精度要求不高、使用寿命不需很长的模具等。但SM50钢的焊接性能不好，冷变形性能差。
⑶ SM55钢 SM55钢属碳素塑料模具钢，其化学成分与高强中碳优质结构钢——55钢相近，但钢的洁净度更高，碳含量的波动范围更窄，力学性能更稳定。SM55钢经热处理后具有高的表面硬度、强度、耐磨性和一定的韧性，一般在正火或调质处理后使用。该钢价格便宜、切削加工性能中等，当硬度为179～229HBS时，相对加工性为50％，但焊接性和冷变形性均低。适宜制造形状简单的小型塑料模具或精度要求不高、使用寿命不需要很长的塑料模具。
2. 渗碳型塑料模具钢
⑴ 20钢 20钢属于低碳钢，特点是强度低，塑性和韧性较高，切削性和焊接性很好。含锰量低的20钢的切削加工性比含锰量高的要差些，但可以用正火或冷变形的方法来改善，冷变形还可以提高钢的强度，而正火可以提高钢的韧性，所以采用冷挤压成形的模具在冷挤压加工前最好先进行正火处理。退火虽然能提高20钢的韧性，但由于其缓慢的冷却可能引起游离铁素体在晶粒边界上析出，严重影响到钢的切削加工性与加工后应有的表面粗糙度，因此20钢不适宜在退火状态下制造各类零件。
20钢适宜制作普通的中小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成形后需进行渗碳或碳氮共渗热处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有很好的韧性。
⑵ 20Cr钢 20Cr钢的强度和淬透性比相同含碳量的碳素钢都有明显提高，20Cr钢经淬火、低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。渗碳时钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心部韧性，不宜降温淬火。当正火后硬度为170～217HBS时，20Cr钢的相对切削加工性为65％，焊接性中等，焊接前要预热100～150℃，冷变形时塑性中等。该钢适于制造中小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成形后需要进行渗碳热处理或碳氮共渗热处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性。对于使用寿命要求不高的模具，也可以直接进行调质处理。
⑶ 20Cr2Ni4钢 20Cr2Ni4钢是优质渗碳钢，强度、韧性及淬透性均优良，渗碳后不能直接淬火，在淬火前需进行一次高温回火。20Cr2Ni4钢的冷变形塑性中等，切削加工性一般，焊接性差，焊前应预热，白点敏感性大，有回火脆性倾向。
20Cr2Ni4钢有高的淬透性，因此可以制造截面尺寸较大的模具。20Cr2Ni4钢淬火、回火后都有良好的综合性能，可以用切削加工或冷挤压成形的方法制造模具。为了提高模具表面的硬度和耐磨性，可以采用渗碳、淬火、回火的方法或碳氮共渗、淬火、回火的方法，提高模具表面的硬度和耐磨性，而模具的心部仍保持较好的韧性。20Cr2Ni4钢适宜制造大、中型塑料模具。
3. 合金模具钢
为满足塑料注射模具对材料的各种要求，目前市场上已有许多制造塑料模具专用的合金模具钢。
⑴ 3Cr2Mo(P20)钢 这是一种可以预硬化的塑料模具钢，预硬化后硬度为36～38HRC，适用于制作塑料注射模具型腔，其加工性能和表面抛光性较好。
⑵ 10Ni3CuAlVS(PM S)钢 此种钢为析出硬化钢。预硬化后时效硬化，硬度可达40～45HRC。热变形极小，可做镜面抛光，特别适合于腐蚀精细花纹。可用于制作尺寸精度高，生产批量大的塑料注射模具。
⑶ 06Ni7Ti2Cr钢 该种钢材属于马氏体时效钢。在未加工前为固熔体状态，易于加工。精加工后以480～520℃进行时效，硬度可达50～57HRC。适用于制造要求尺寸精度高的小型塑料注射模具，可做镜面抛光。
⑷ 8CrMnWMoVS(8CrMn)钢 为易切预硬化钢，可做镜面抛光。其抗拉强度高，常用于大型注射模具。调质后硬度为33～35HRC，淬火时可空冷，硬度可达42～60HRC。
⑸ 25CrNi3MoAl钢 适用于型腔腐蚀花纹，属于时效硬化钢。调质后硬度23～25HRC，可用普通高速钢刀具加工。时效后硬度38～42HRC。可以做氮化处理，氮化处理后表层硬度可达1100HV。
⑹ Crl6Ni4Cu3Nb(PCR)钢 耐腐蚀钢，可以空冷淬火，属于不锈钢类型。空冷淬硬可达42～53HRC，适于有腐蚀性的聚氯乙烯类塑料制品的注射模具。
4. 塑料模具的结构零件用钢
塑料注射模具中的结构零件一般采用碳素结构钢或低合金钢。
⑴ Q235A钢 Q235A为碳素结构钢，其机械性能较差，但价格低廉，常用于塑料注射模的动模及定模座板、垫块等零件。
⑵ 45、55钢 此类钢为优质碳素结构钢，可以用来制造形状较简单，精度要求不高的塑料注射模具，但其使用寿命较低，抛光性不好。45、55钢可以通过调质处理来改善其性能，可以用于制造塑料注射模具的推板、型芯固定板、支承板等零件。
⑶ T8A、T10A钢 这类钢为优质碳素工具钢，其含碳量高，淬火硬度可达50～55HRC，可用于制造导柱、导套、斜销、推杆等塑料注射模具零件。
⑷ 40Gr钢 40Gr钢为低合金钢，可以用于制造形状不太复杂的中小型塑料注射模具。40Gr钢可以进行淬火、调质处理，制作型芯、推杆等零件。
5. 其他材料
有色金属材料和非金属材料也是塑料注射模具中经常用到的材料。
⑴ 铍铜合金 铍铜合金是在铜中加入3.0％以下的铍(Be)而形成的合金。铍铜合金通常采用精密铸造或者压力铸造来制造精密、复杂型腔。可采用此种方法方便、迅速地制造机械加工无法制作的复杂型腔。铍铜合金机械性能好，热处理硬度可达40～50HRC，尺寸精度高并且导热性能好。铍铜合金价格较高，因此，一般仅用其制造型腔镶件，镶入模具中。
⑵ 锌基合金 常用的锌基合金是把锌作为主要成分并加入A1、Cu、Mg等元素形成合
金。锌基合金材料熔融温度低，能简单地用砂型铸造、石膏型铸造、精密铸造等方法成型。由于其熔融温度低，表面质量较好，加工周期短，经常被用在注射次数少的试模模具和小批量生产的注射成型模具。因锌基合金铸造后产生收缩较大，所以在铸造后应放置24小时使其尺寸稳定后再进行加工。锌基合金的使用温度较低，当温度高于150～200℃时容易引起变形。所以锌基合金仅适用于模具温度较低的塑料注射模具。
⑶ 环氧树脂 环氧树脂应用在试制及成型批量很少的模具上。纯环氧树脂中一般加铝粉等填料以改善其强度、硬度、收缩率等性能。采用环氧树脂制模时，只要有模型，就能在相当短的时间内制造出模具，因此对于试制产品是非常有利的。
塑料膜具零件所使用的材料可以根据生产实际情况选用。表6-11给出了部分塑料模具零件材料的选用及说明。
表6-11 塑料模具常用材料选用
习 题
1．何谓凹模（型腔）和凸模（型芯）？绘出整体组合式凹模或凸模的三种基本结构，
并标上配合精度。
2．常用小型芯的固定方法有哪几种形式？分别使用在什么不同场合？ 3．螺纹型芯在结构设计上应注意哪些问题？ 4．在设计组合式螺纹型环时应注意哪些问题？ 5．计算成型零部件工作尺寸时需要考虑哪些因素？
6．根据图示的塑件形状与尺寸，分别计算出凹模和凸模的有关尺寸（塑料收缩率取
0.005，z取△／3)。(答案：L146.020
0.093
，L22.420
0.040
，H114.940
0.067
，
H21.930
0.040
，C12.140.030，l40.410.093，h12.180.060)
第6题图