模具钢材选用指南——P20/718H/NAK80/S136
模具钢材的选择直接决定模具的使用寿命、加工性能和制造成本。塑料模具钢、热作模具钢和冷作模具钢三大类别中，塑料模具钢是注塑模具、吹塑模具和压铸模具最常用的材料。P20、718H、NAK80和S136是四种最常用的塑料模具钢材，各有其独特的化学成分、力学性能和适用场景。正确选择模具钢材，需要综合考虑塑料材料类型、模具寿命要求、零件表面质量要求、模具结构复杂度和制造成本等因素。本文将详细介绍这四种模具钢材的化学成分、热处理工艺、力学性能、加工特性和典型应用。
一、四种模具钢材化学成分对比
| 钢种 | C(碳) | Cr(铬) | Ni(镍) | Mo(钼) | Mn(锰) | Si(硅) | 其他 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| P20 | 0.28-0.40 | 1.40-2.00 | – | 0.30-0.55 | 0.60-1.00 | 0.20-0.80 | – |
| 718H | 0.28-0.40 | 1.40-2.00 | 0.80-1.20 | 0.30-0.55 | 0.60-1.00 | 0.20-0.80 | – |
| NAK80 | 0.10-0.20 | 12.0-15.0 | 2.80-3.20 | 0.20-0.50 | 1.00-1.50 | 0.20-0.50 | Al 0.8-1.2, Cu 0.8-1.2 |
| S136 | 0.26-0.40 | 12.0-14.0 | – | – | ≤1.00 | ≤1.00 | V 0.15-0.35 |
P20（AISI P20，国内牌号3Cr2Mo）是一种低合金塑料模具钢，含碳量中等，添加了铬和钼元素提高淬透性和强度。P20是最基础的塑料模具钢种，价格相对低廉，供应状态为预硬态（硬度HRC28-32），可以直接进行机械加工，无需热处理。718H（国内牌号3Cr2NiMo）是在P20基础上添加了约1%的镍元素，提高了韧性和淬透性，预硬态硬度HRC33-38，综合性能优于P20。NAK80（日本大同制钢牌号）是一种析出硬化型马氏体不锈钢模具钢，通过时效硬化处理获得高硬度（HRC38-42），具有优异的抛光性能和耐腐蚀性。S136（AISI 420改性，国内牌号4Cr13）是一种高铬马氏体不锈钢模具钢，具有优良的耐腐蚀性和抛光性能。
二、热处理工艺与力学性能
2.1 P20热处理工艺
P20的热处理工艺：锻造温度1100-900°C，退火温度710-740°C（炉冷至500°C后空冷，硬度≤HB229），淬火温度840-860°C（油冷），回火温度580-640°C（空冷）。预硬态交货硬度HRC28-32，淬火+回火后硬度可达HRC30-36。P20的力学性能（预硬态）：抗拉强度约1000-1100MPa，屈服强度约850MPa，延伸率约14%，冲击韧性约35J。
2.2 718H热处理工艺
718H的热处理工艺与P20类似，但由于添加了镍元素，淬透性更好，大截面模块也能获得均匀的硬度分布。预硬态交货硬度HRC33-38，淬火+回火后硬度可达HRC36-42。718H的力学性能（预硬态HRC35）：抗拉强度约1150-1250MPa，屈服强度约1050MPa，延伸率约12%，冲击韧性约40J。与P20相比，718H的韧性提高约20%-30%。
2.3 NAK80热处理工艺
NAK80采用时效硬化处理，工艺流程为：固溶处理温度900-950°C（空冷或油冷），硬度约HRC30；时效处理温度480-520°C（保温4-6小时，空冷），硬度提升至HRC38-42。NAK80的独特优势在于时效处理后尺寸变化极小（变形量≤0.03%），因此可以在粗加工后进行时效处理，精加工后直接使用。NAK80的力学性能（时效态HRC40）：抗拉强度约1280MPa，屈服强度约1180MPa，延伸率约12%，冲击韧性约25J。
2.4 S136热处理工艺
S136的热处理工艺：退火温度750-800°C（炉冷至500°C后空冷），淬火温度1000-1050°C（油冷或空冷），回火温度根据所需硬度选择（200°C回火硬度HRC50，400°C回火硬度HRC48，600°C回火硬度HRC42）。S136淬火后硬度可达HRC52-55，回火后根据回火温度不同硬度范围为HRC42-52。
| 性能指标 | P20 | 718H | NAK80 | S136 |
|---|---|---|---|---|
| 预硬硬度HRC | 28-32 | 33-38 | 38-42(时效) | – |
| 最高硬度HRC | 36 | 42 | 42 | 55 |
| 抛光性能 | 一般 | 良好 | 优秀 | 优秀 |
| 耐腐蚀性 | 差 | 差 | 良好 | 优秀 |
| 焊接性 | 良好 | 良好 | 良好 | 一般 |
| 切削加工性 | 良好 | 良好 | 一般 | 较差 |
| 相对价格 | 1.0 | 1.3 | 2.5 | 2.0 |
三、各钢种适用场景分析
P20适用于：大型注塑模具的型腔和型芯、吹塑模具、低要求压铸模具、工装夹具。典型应用如电视机外壳模具、洗衣机外壳模具、周转箱模具等。718H适用于：中大型注塑模具、要求较高韧性的模具、大批量生产模具。NAK80适用于：高镜面要求的精密注塑模具、光学镜头模具、透明塑料件模具（如PMMA、PC材料）、医疗器械模具。S136适用于：耐腐蚀要求的模具（如PVC、含卤素塑料、阻燃塑料成型模具）、高光泽透明件模具、医疗器械模具、食品包装模具。
提示：选择模具钢材时，除了考虑材料本身的性能外，还要考虑模具的尺寸和结构。大型模具（型腔尺寸超过400mm）应选择淬透性好的材料（如718H），以确保大截面模块的硬度均匀性。复杂结构模具应选择韧性好的材料（如718H），以减少开裂风险。高抛光要求的模具应选择NAK80或S136。
四、加工注意事项
四种模具钢材的切削加工参数差异较大。P20和718H（预硬态HRC28-38）的切削加工性良好，可以使用常规硬质合金刀具进行铣削、钻孔和攻丝加工。推荐切削参数：铣削速度Vc=80-120m/min，进给量fz=0.08-0.15mm/z。NAK80（时效态HRC38-42）的切削加工性较差，建议使用涂层硬质合金刀具或陶瓷刀具，切削速度适当降低至Vc=60-100m/min。S136（淬火态HRC48-55）的切削加工性很差，需要使用CBN刀具或陶瓷刀具进行硬铣削，切削速度Vc=100-200m/min，切削深度ap=0.1-0.3mm，进给量fz=0.03-0.08mm/z。
五、总结与建议
- P20模具抛光后出现波纹：提高预硬态硬度要求（HRC30以上），精加工时减小进给量，采用#800以上砂纸逐级抛光
- 718H模具热处理后变形：采用分级淬火工艺，控制淬火冷却速度，淬火后立即回火消除应力
- NAK80模具尺寸不稳定：确认时效处理温度和时间是否充分，检查固溶处理是否完全，避免过度时效
- S136模具耐腐蚀性不足：确认铬含量达到标准要求，提高抛光精度至镜面级别，避免在腐蚀性环境中存放
- 模具钢材加工困难：选用合适的刀具材料和切削参数，P20/718H预硬态加工建议使用硬质合金刀具，切削速度80-120m/min
P20、718H、NAK80和S136四种模具钢材各有优势和适用范围。选材时应遵循以下原则：①根据塑料材料类型选择——普通塑料（PP、PE、ABS）选P20或718H，腐蚀性塑料（PVC、POM）选S136，透明塑料（PMMA、PC）选NAK80或S136；②根据模具寿命要求选择——大批量模具选718H或NAK80，中小批量模具选P20；③根据表面质量要求选择——高镜面要求选NAK80或S136，一般要求选P20或718H；④根据模具尺寸选择——大型模具选718H（淬透性好），中小型模具四种均可。建议模具制造企业与钢材供应商建立长期合作关系，确保材料质量稳定，同时建立材料性能数据库，为科学选材提供数据支撑。