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1、塑膠模具材料與其選用塑膠模具材料與其選用前前 言言塑膠模具材料的選用所應考慮的物理興化學性質包括機械強度、韌性、熱傳性、耐高溫性、尺寸穩定性、焊接性、鏡面加工性、耐磨耗性及耐蝕性等。除此之外還要配合塑料種類、模具整體壽命、精度與成本等因素，才能選用最經濟的模具材料。本文詳細分析塑膠模具材料應考慮的特性，並劃分種類及規格編號，最後說明塑模熱處理與表面處理之方法。其中以日本日立公司塑膠模具材料選用表作為實例，以祈讀者對塑膠模具材料的選擇應用有系統化的了解，進面正確地、經濟地選擇到最佳塑膠模具的材料。表一 日立金屬公司塑膠模具材料選用表塑膠類別代表性樹脂代表性產品模具特性適用鋼種聚縮醛（POM） 尼
2、龍ABS電子零件、齒輪、 軸承齒輪一般PP電風扇葉片、水桶高強度+耐磨耗 性精密皺紋表 皮ABS汽車內部儀表板上述性質+皺紋 加工性熱固性熱塑 性樹脂透明壓克力電唱機透明蓋、車 燈上述性+鏡面加 工性HPM2 HPM1 FDAC HPM31 HPM50、HPM17 HPM17、HPM38HPM50熱可塑性PS ABS PC工程塑膠制品、汽 車用內部儀表板、 電動工具外殼添加玻璃織 維之熱塑性 及熱固性樹 脂熱硬化性酚樹脂 尿素 三聚氰胺齒輪、電器用品、 食品、化妝品盒高雅耐磨耗性HPM1 FDACHPM31 HAP10UL 規格用 （添加抑燃劑）ABS PS電視外殼、影像管 蓋子、收音機外殼適
3、當強度+耐蝕 性PSL HPM38聚乙烯（PVC）制品PVC電話機握柄、塑膠 管、管接頭適當強度+高度 耐蝕性PSL、HPM38氟化樹脂鐵氟龍墊片、電線被覆耐蝕性HRNC鏡片用壓克力相機鏡頭、投影機 鏡片高度鏡面加工性 +強度YAG、HPM38塑膠模具材料應考慮特性塑膠模具材料應考慮特性（a） 機械強度：能經得起樹脂壓力與鎖模力。（b） 韌性：模穴中若有突出物及尖銳形狀等容易發生折損、斷裂等問題時，一要考慮到模具材料的韌性。（c） 熱傳導性：良好的導熱性可縮短成形時間。（d） 耐高溫性：不因溫度高而破壞韌性、硬度等機械性質。（e） 尺寸穩定性：模具尺寸不會因長期的高、低溫作用而發生變化。（f）
4、 焊接性：使模具的修補容易。（g） 鏡面加工性：由於塑膠成品外觀之品質要求逐漸提高，所以模具材料表面也要能鏡面化。鏡面加工性模材必須經過特殊熔解， （如真空熔解等）以除去氣體、金屬及非金屬等不純物，而提高材時的純度，而且材料的顯微組織也要均勻。（h） 耐磨耗性：含石棉，玻璃織維，金屬粉等強化添加劑的熱塑性塑料或熱固性塑料的成型加工，對模具會產生較大的磨耗，所以模穴要具有耐磨耗性。（i） 耐蝕性：ABS 樹脂（加硫劑） 、PVC、氟素樹脂、難燃性樹脂等會使模具材料發生腐蝕現象。而鍍鉻、鍍鎳等表面處理可用來防止腐蝕，但是容易發生模穴表面龜裂，因此，基本上選擇耐腐蝕的材料，都使用不鏽鋼材。表一為日立
5、公司塑膠模具材料選用表，供讀者參考，表二為日立金屬鋼種與 J1S 之鋼種對照表。表二、日立金屬鋼種與 JIS 之鋼種對照表鋼料使用硬度（HRC）JIS日立金屬構造用碳鋼30（HS）S55C 系30（HS）S55C 系2530SCM440 系3033AISIP20HPM173135SCM440 系 SCM445 系HPM2SKT4 系 SKD61 系FDAC預硬鋼3645 析出硬化系HPM14655SKD61 系DAC 淬火硬化鋼5662SKD11 系SLD MPM31 析出硬化鋼3045YAG3045SUS 系PSL 耐蝕鋼4660 （淬火、回火）SUS 系HPM38塑膠模具材料的種類塑膠模具
6、材料的種類塑膠模具材料可分為：預硬鋼（Prehardened steel） ，表面滲透硬化鋼（case-hardening steel） ，淬火硬化鋼（quench-harding steel）,析出硬化鋼（precipitation hardening ateel） ， （E）鈹銅（beryllium-copper）（A） 預硬鋼預硬鋼用於射出成形模具的預硬鋼，其硬度通常為 HRC3236 之范圍，故不須熱處理。適合一般塑料的大型成形品，如電視外殼等，因為用於大型模具，故不需熱處理，否則造成模具變形。預硬鋼可分為：1）造用碳鋼：S45C，S55C 等。2）構造用合金鋼：AI SI P20，P
7、21 等。3）合金工具鋼：AI SI H13，S7 等。4）耐蝕合金鋼：AI SI 414L 鉻系含 Mo 不鏽鋼。（B）表面滲透硬化鋼）表面滲透硬化鋼表面滲透硬化鋼是使鋼料表面形成一層硬化層，以達到高硬度，耐磨耗的目的，可分為滲碳硬化鋼與氮化鋼兩種。滲碳硬化法是將滲碳劑（固體、液體或氣體）在高溫與低含碳量的鋼料接觸，使碳素擴散侵入鋼料表層，而形成高碳層。常見的有 P6，P20 等滲碳鋼。氮化法是將表面清凈之鋼制品置於氮化爐內，在氨氣（NH3）氣流中加熱至 520，保持20100hr，使表皮生成氮化物面硬化之方法，因鋁，鉻及釩較易與氮氣青形成化合物，因此常見的氮化鋼為 A1-Cr-Mo 鋼。（
8、C） 火硬化鋼火硬化鋼淬火鋼的特性是鋼料經淬火、回火等熱處理後變形少，硬度可達 HRC5060，硬度且耐磨耗、耐腐蝕、鏡面加工性佳等特性。塑模中常用的碳素工具鋼、合金工具鋼及特殊合金鋼等。碳素工具鋼：AI SI P6，P20 等，含 C 量高，熱處理後硬度可達 HRC555.合金工具鋼：AI SI H13，A12 等，熱處理後，變形少，適合尺寸要求精密且含孔的模具。耐蝕合金鋼：AI AI 420 鉻系不鏽鋼，含 Cr 量高，抗腐蝕，AI SI 414L 鉻系 Mo 不鏽鋼，耐磨適，抗腐蝕。（D） 析出硬化鋼析出硬化鋼此種鋼料在常溫會有金屬間化合物從固溶體內呈微細而均勻的析出，結果使合金的硬度與
9、強度大增，並趨於穩定。此種析出現象進行緩慢，有時需數月或數年，其硬化效果與時俱增，此現象稱為”時效硬化”。例如在鉻鎳系不鏽鋼內添加第三種元素如 Cu，Al，Ti，Nb，Be，Mo 之一種或多種，即可使金屬間化合物析出而硬化。（E） 鈹銅鈹銅具有良好的熱導性，經過熱處理的鈹銅，可以達到預硬鋼的硬度 HRC4048，可高度拋光，並可鍍鉻以提高耐磨性與耐腐蝕性，其良好的導熱性能可以縮短成形時間，提高生產力。模具鋼料的分類與編號模具鋼料的分類與編號模具鋼料的種類很多，各有其特性與應用范圍，一般分為構造用鋼，工具鋼與不鏽鋼三大類。為了充分了解這此鋼料的特色加以選擇應用，世界各國的標準局或工業局在都制定個
10、別的規格與編號，有系統地加以分類。在我國工業界比較通行的編號有日本工業規格（JIS）及美汽車工程師學會與美國鋼鐵學會規格（SAE-AI SI） ，茲分述如下：（A） 模具鋼的模具鋼的 JIS 日本規格與編號日本規格與編號金屬材料的 JIS 日本規格的編號是三部份組成：第一部份之英文字母相當於該金屬英文名稱的第一個字母，代表金屬種類，如”S”代表鋼，所以”SKS”是鋼料的一種。第二部份之英文字母，代表此金屬的用途或材質，例如”K”代表工具（因為日語的工具稱呼，每一個字母為 K） 。第三部份之英文字母（代表用途）或阿拉伯數字（代表型號） ，例如 SKT41， ”T”代表切削，41 代表型號。模具鋼
11、的 JIS 日本規格與編號，分為構造用鋼，工具鋼與不鏽鋼三大類，茲分述如下：（a） 構造用鋼可分為一般構造用冷軋鋼與機械構造用鋼，茲分述如下：（1） 一般構造用滾軋鋼（SS）一般構造用滾軋鋼 SS41，SS50，價格便宜，取得容易，用於低強度、低硬度的結構場合，例如模板、結構構件等。（2） 機械構造用碳鋼（SC，SCK，S55C）機械構造用鋼 S25C、S50C、S55C，價格便宜，機械強度佳，可熱處理，加工性良好，使用模具中的附屬零件，如承板、支持塊、頂出板及安裝板。（b） 工具鋼可分為碳素工具鋼、合金工具鋼及高速鋼三在類，茲分述如下：（1） 碳素工具鋼（carbon tool steel，
12、SK） ，碳素工具鋼是工具鋼中價格最便宜且機械性，耐磨性也差的材料。其含碳量高於 0.6，硬力較差，欲達淬炎硬化的效果，必須淬火於水中，但易生淬裂或應變。可用於需要硬度與耐磨耗性，但負荷輕的場合。例如頂出銷、復歸銷、導銷與導銷襯套等。模具用碳素工具鋼材質主要為 SK3，若須耐沖擊則使用 SK5 或 SK7。（2） 合金工具鋼（alloy tool steels）合金工具鋼是碳素工具鋼中加入鉻（Cr） 、鉬（Mo） 、鎢（W） 、釩（V）等合金元素，以增進機械性質與耐磨性的鋼材。普通人為低合金工具鋼（SKS） 、中合金工具鋼（SKT）與高合金工具鋼（SKD）三種。a）低合金工具鋼含碳量一般都不高
13、於 0.15，加入少量鉻（Cr） 、鉬（Mo） 、鎢（W） 、釩（V）等合金元素，以獲得高機械性質，其硬度與耐磨性較碳素工具鋼為佳。b）中合金工具鋼此類工具鋼可分為鉻系（SKT2） 、鎳-鉻-鉬-（釩）系（SKT4）及鉻-鉬-（釩）系（SKT5）等，大都用於高溫成型加工。c）熱作高合金工具鋼（SKD61）屬於高合金工具鋼，含有多量的碳（C）與鉻（Cr） ，價格較貴，空氣中即可淬硬，硬度高，耐耗性佳，且熱處理變形小，其特性是在高溫仍保有好的硬度，耐磨耗性及低變形量，所以可用作高溫工具鋼，適合精密的大量生產。SKD11，SKD12 添加釩（V）的含鉬風硬鋼，淬火變形極小。d）高速鋼可分為鎢高速鋼與
14、鉬高速鋼兩種，與合金工具鋼比較，高速鋼含有更多量鉻（Cr） 、鉬（Mo） 、鎢（W） 、釩（V）及鈷（Co） ，較 SKD 貴，但有較的耐磨耗性與韌性，在高溫也能保持較佳的強度與硬度。（c） 不鏽鋼腐蝕是因為金屬氧化或與化學物質、濕氣、海等環境接觸後起化學變化的一種現象。不鏽鋼的主合金元素以鉻（Cr）為主，其耐蝕力隨含鉻量的增而提高，含鉻量高於 12者，可耐高溫氧化、硝/亞硫酸之腐蝕，不易被一般的腐蝕環境侵蝕。其 JIS 編號是以”SUS”開頭，代表不鏽鋼，後接三個數量 ，分別以 2、3、4、6 起首。可分為：（1） SUS200 系（鉻-鎳-鉬系不鏽鋼）：鉻-鎳-鉬是最主要的合金元素，例如S
15、US201、SUS2020 等。（2） SUS300 系（鉻-鎳系不鏽鋼）：主要合金元素是鉻與鎳。例如 SUS302、SUS303 等。（3） SUS400 系（鉻系不鏽鋼）：主要合金元素鉻含量11.5，例如 SUS410、SUS420 等。（4） SUS600 系（析出硬化型不鏽鋼）：例如 SUS630、SUS631。（B） 模具鋼之模具鋼之 SAE-AI SI 規格規格這是由美國汽車工程師學會（SAE）與美國鋼鐵協會（AI SI）制定的統一編號，分為構造用鋼、工具鋼與不鏽鋼三大類。（a） 構造用鋼構造用鋼分為構造用碳鋼與構造用合金鋼兩大類：（1） 構造用碳鋼以 10XX 表示，XX 為含碳
16、量的百分比數，例如 1045 表含碳量 0.45的構造用碳鋼。（2） 構造用合金鋼是以四位數字來命名，每一位數字鋼種，第二位數字其它主要合金元素的類別，末二位數字代表含量的百分比數，例如 4140，4 代表鉬鋼，1 代表主要合金元素為鉻（Cr） ，40 代表含碳量 0.40，參考表三 SAE-AISI 構造用合金鋼之命名法。表三、SAE-AISI 構造用合金鋼之命名碳鋼 1XX 純碳鋼 10XX 易切鋼 11XX 錳鋼 13XXNi3.50% 23XX Ni5.00% 25XX 鎳鉻鋼 3XXXNi 1.25% Cr0.06% 31XX Ni1.75% Cr1.00% 32XX Ni3.50% Cr1.50% 33XX 耐熱耐蝕 30XXX鉬鋼 4XXXC - Mo 40XX Cr - Mo 41XX CrNiMo 43XX Ni (1.75) - Mo 46XX Ni (3.50) - Mo 48XX 鉻鋼 5XXX 低鉻 51XX 低鉻（軸承
