第四章塑料模具用钢(12)

第四章塑料模具用钢随着社会的发展、科技的进步，塑料制品种类越来越多，其应用范围涵盖了工业、农业、国防航空航天等各个部门。塑料制品是用模具生产的。由于塑料本身的性能差别很大，且加工时使用的方法也有差异，因此对模具的性能要求也不一致，这些要求在设计模具时应当考虑到。合理的模具材料应能满足各种具体的性能要求，并可以通过表面处理的方式进一步提高和改进某些性能。精致的塑料制品§4-1塑料模具工作条件、失效形式及对模具材料的性能要求一、塑料模具的工作条件1、塑料分类和塑料模具分类塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。热固性塑料可采用的加工方法有：压塑、挤塑和注塑等。热塑性塑料可采用的加工方法有注塑、挤塑、吹塑和真空成型等。塑料成型工艺比较多，最为常见的是热固性塑料压塑和热塑性塑料注塑和挤塑。下面我们就来分析一下这2类模具的特点。2、工作条件1）热固性塑料压塑模一定温度塑料融体的温度为160-250℃一定压力160-200MPaMax600MPa摩擦在压缩的过程中，固体物料与模具之间产生相对运动（特别是有添加剂的情况），从而产生摩擦。腐蚀性很多品种的塑料具有一定的腐蚀性。2）热塑性塑料注射模工作温度塑料温度150-250℃，有添加剂温度可达到300℃左右。压力和冲刷融体以高速、高压射入模具型腔，所受到压力比压塑时要小得多，有添加剂的情况下，冲刷作用比较明显。腐蚀融溶的物料中有HCI、HF等腐蚀性气体。二、塑料模具常见的失效形式模具主要失效形式磨损和腐蚀塑性变形（局部）断裂失效1、磨损和腐蚀1）磨损热固性塑料在压缩过程中，由于开始时需要将塑料压缩（实），在此过程中固体物料产生相对运动，将造成模具表面的磨损，特别是有固体添加剂的塑料，这种磨损的趋势更加严重。对于热塑性塑料而言，添加剂在熔融的塑料中会成为熔融物料中的“硬点”，在注塑的过程中会与模具的表面产生摩擦，从而造成模具表面拉毛等。2）腐蚀很多塑料中含有CI、F等元素，当加热到熔融态后就会分解出HCI、HF等有腐蚀性的气体，从而将模具的表面腐蚀，这样模具表面就会变得粗糙，在使用的过程中就会加剧模具的磨损。2、局部塑性变形（主要是热固性塑料压塑模）模具局部出现凹陷、麻点和棱边塌陷等、或分型面之间间隙增大，从而造成工件报废。产生的原因材料本身因素：抗压强度不足（一般表现为淬硬层抗压强度）回火不充分（使用温度超过回火温度、组织转变）外部因素：连续受热温度呈周期性变化周期性受压超载3、断裂内因：1）材料韧性不足；2）在一定的温度下发生组织转变，造成内应力。外因：尖角部位存在严重的应力集中。三、对模具材料的要求包括使用性能要求和工艺性能要求。1、使用性能要求足够的强度以承受必要的工艺负荷、防止变形。硬度与材料抛光性能有关，硬度越高，材料的抛光性能也越好。良好的耐磨和硬度和耐腐蚀性能使模具表面和尺寸经过长期的使用不改变，即保持模具的使用寿命。足够的韧性保证模具不发生开裂较好的耐热性能和尺寸稳定性良好的导热性能。2、工艺性能良好的锻造工艺性导热性能好、塑性好、变形抗力低、锻造温度范围宽良好的机械加工性能由于塑料模具属于型腔模具，加工过程比较困难，所以要求材料具有良好的切削和磨削性能。在这类模具中常常加入S、Pb、Ca、Se等元素以改善材料的切削性能。良好的焊接性能当模具需要修复或者因为前期加工不当出现缺陷时，常常采用焊接的方法，因此要求材料应当具有良好的焊接性能。良好的热处理工艺性淬透性、脆硬行良好变形小、开裂倾向小工艺简单、工艺质量稳定良好的抛光性能工件的表面质量主要取决于模具型腔表面的粗糙度，因此塑料模具的表面大部分比较光滑，基本上要抛光为镜面。硬度高、晶粒细有利于抛光。在冶炼的过程中要从方法上保障材料的纯洁性（比如电渣熔炼、真空熔炼等），因为非金属夹杂物、宏观和微观组织不均匀（针眼、空洞和斑痕etc.）都将使材料的抛光性能下降。电加工性能电火花加工后，金属表面会留下沟纹，使加工的粗糙度变大。或者出现较深的硬化层，使抛光困难。纹饰加工性能各种花纹和图案（要求清晰、均匀）。要求材质纯净、组织均匀、无偏析，否则，腐蚀或者光蚀后效果不是太好。§4-2塑料模具用钢及选用一、种类由于塑料的品种很多，加工方法也有很多种，产品要求也有很大差异，因此对于塑料模具材料的要求也多种多样，但是没有一种材料能够完全满足所有的要求，也就是说材料只能满足某些方面的要求，鉴于上述原因，人们将塑料模具用材料按照一定的指标进行分类，一般可以把模具材料分成以下几种类型：调质型塑料模具钢渗碳钢淬火钢预硬型钢时效型耐腐蚀型其他塑料模具钢的种分类二、各类钢的成分和性能特点1、调质型塑料模具钢调质型塑料模具钢包括SM45、SM48、SM50、SM53、SM55。下面简单介绍一些材料的性能特点。和普通调质钢一样，这类钢材具有良好的综合性能，在加工一些具有严重磨损性塑料时，首先将材料进行热处理，使其硬度达到46-50HRC，在进行完所有其它工序之后再将表面进行渗N处理，这样可提高材料的耐磨性能，表面硬度可以达到1000HV以上。和普通调质钢（45、50、55等）相比，这类材料无论在材料的冶金质量、还是材料的均匀性方面均有很大的提高，因此材料的抛光性能有很大的提高。这类钢材淬透性比较差、热处理时开裂和变形倾向性大，因此用来制造各种中、小尺寸且质量要求较低塑料件的模具。价格低。2、渗碳钢（用于冷挤压成型的模具）渗碳钢含C量一般比较低，通常在0,25%以下，这类材料在退火状态硬度比较低，其塑性很好，变形抗力小，因此这类钢材比较适合用冷挤压的方法制造模具型腔。（简单介绍模具型腔的冷挤压工艺）。渗碳钢经过必要的处理后，表面具有较高的硬度并且耐磨性很好，同时芯部具有良好的韧性。由于表面具有较高的硬度，因此材料的抛光性能很好。为了达到表面硬度较高的目的，需要经过渗碳处理以提高材料表层的含C量。在通常情况下，渗碳层的厚度在0,6-1mm之间，淬火后表面硬度可以达到58-62HRC。由于处理方式比较复杂，因此会产生一定的变形，也就是说，在渗碳处理之后，必须采取一些后续加工措施。由于渗碳层的厚度较薄，因此在渗碳后不能改变模具型腔的结构。如果必须改变的话，则必须将第一次渗碳的渗碳层全部去掉，否则将会在局部出现过渗碳的情况。渗碳钢芯部的强度取决于C含量和合金成分的含量。目前在模具制造中使用的渗碳钢主要可以分为2类，即碳素渗碳钢和合金渗碳钢。碳素渗碳钢主要有10#、20#；合金渗碳钢主要有20Cr、12CrNi、SM1CrNi3(12CrNi3A)、12CrNi4A、0Cr4NiMoV(LJ)1)0Cr4NiMoV(LJ)性能和成分含C量很少（含碳量0,08%），因此塑性很好，变形抗力低。合金元素主要以Cr为主，此外还有Ni、Mo、V等。这些合金元素的主要作用事提高材料的渗碳能力和淬透性，从而增加渗碳层的硬度和耐磨性以及芯部的强韧性。工艺性能良好的锻造工艺性塑性好、变形抗力低、锻造温度范围宽（1200-900℃）良好的冷挤压成型能力材料在退火状态时硬度低、塑性好、变形抗力低，挤压后尺寸和形状精度高，表面光洁。渗碳速度快、深层厚度深淬火后“内软外硬”，表层硬度可以达到58-60HRC，芯部硬度可以达到27-29HRC。使用性能渗碳层深度比较深，基体强度高，不会出现表面塌陷等现象，用来代替10#、20#钢2）SM1CrNi3成分及特点：含C量比较少（比LJ多）；合金成分中含有Cr、Ni等，其主要作用是提高钢的淬透性和渗C层的强韧性工艺性能：锻造性能良好塑性良好，变形抗力也不大，锻造温度范围宽（1150-850℃）。渗C能力较强渗C层厚度可达到0,9-1mm。挤压工艺性能一般，用来挤压型腔较浅的模具。热处理后，模具的表面硬度可以达到56-62HRC，芯部可达到250-280HBS，且变形小，因此可以用来制造尺寸较大的塑料模具。3、淬硬性塑料模具钢主要用来制造注塑和压塑模具。这类材料强度、硬度高且耐磨性好。与常规渗C钢相比，热处理较简单。可直接修改模具局部，修改后不需重新进行热处理。缺点：模具型腔比较深时，有断裂的危险性，因为韧性比较差。材料含C量一般较低，尽管韧性可以达到使用要求，但是其它的性能，比如硬度、耐磨性等无法满足使用要求，因此应用受到了限制。典型钢种:4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1Cr12Mo1V1，也可使用T7、T10、9CrSi、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV等。4、预硬钢预硬型模具钢是为了解决大型模具的淬火问题而出现的。可用来制造各种尺寸的模具，尤其是复杂的塑料模具。材料的供货状态为热处理状态，即材料已具备必要的使用性能。可进行表面处理，提高材料的某些性能，特别是耐磨性和耐腐蚀性。材料在相应加工之后不需再进行热处理，因此避免了变形问题。省掉了所有与热处理变形有关的后续加工，保证了模具的制造精度。由于是对经过热处理的材料进行机械加工，因此，材料必须具备良好的切削性能。在通常情况下，材料中含有S、Ca等元素。但是要注意的是：加入了S元素之后，材料中的硫化物对纹饰和图案的腐蚀有负面的影响，即在腐蚀时会出现纹路不清晰或者不均匀等现象。这类钢材一般价格稍高，多用来制造精度要求较高的模具。这类钢材中使用比较多的是SM3Cr2Mo（P20）及其改良型材料SM3Cr2Ni1Mo（P4410）、SM3Cr2MnNiMo、、P20S、P20Ca以及5CrNiMnMoVSCa(5CrSCa)等等。SM3Cr2Mo(P20)P20是一种应用很广泛的塑料模具材料，这种材料具有很好的综合性能，特别是抛光性能很好，预硬硬度可以达到30-36HRC。可以直接进行机械加工，加工后可对进行表面处理，比如镀铬、渗N等，以提高材料表面的耐磨性能。可以用在几乎各种塑料模具的制造中。改良型的材料主要是为了提高材料在某些方面的性能。国内生产的B20、B20H、B30、B30H和B30G等也属于这类材料。这类材料加入了一定量的合金元素，如Cu、Ni、Mo、V等，材料的抛光性能、焊接性能和耐腐蚀性能方面有较大改善，材料以预硬状态供货，具有良好的表面处理性能。主要用在尺寸稍微大、精度要求低塑料件的模具中。5、时效硬化型钢马氏体时效钢是一种高强度材料。供货状态为固溶体，时效处理后较软的固溶体会被强化。这类材料原来用在航天、航空领域，成本很高，因此只能用在一些型腔特别复杂模具的制造中。在供货状态具有较高的强度1000-1200N/mm2，具有优秀的切削性能。材料加工后需进行热处理，即时效处理，一般加热到480-500℃保温3-5小时。在静止空气中缓慢冷却。不回火。由于固化温度低，因此材料不会发生变形，固化后材料在各个方向上尺寸均匀缩小，缩小量大约0,05-0,1%。掌握了材料热处理前后的尺寸变化规律，就以制造出尺寸、形状精确的模具。马氏体时效钢可以进行表面处理，比如渗N处理，但处理温度不允许超过480-500℃。值得注意的是这种材料在硬度比较高（53-58HRC）时仍然具有很高的韧性。此外这类材料可以在不用预热的情况下与同类材料良好焊接。主要有18Ni类。如果用来制造生产磨损较严重塑料（比如有添加剂）的模具，建议将材料进行表面渗N处理。精度高、超镜面，用于大型、复杂的模具。18Ni类钢的化学成分和力学性能6、耐腐蚀型在加工的过程中，有些塑料可能会分解出有腐蚀性的物质，比如盐酸、醋酸等。在通常情况下，可以将模具进行电镀处理，使表面覆上一层保护层，比如铬层、镍层等。但是这样的覆层只有当覆层均匀、且模具上没有尖锐的棱边时才能长期起作用。覆层不均匀、且模具上有尖锐的棱边将导致覆层中出现内应力，在承受负荷的过程中覆层脱落。此外在狭窄的凸起部位，由于受到弯曲应力的作用，因此很容易脱落。在多数的情况下，使用耐腐蚀钢效果更好。这类钢材一般退火状态供货，为了达到必要的耐磨性能和抗压强度以及足够的耐腐蚀性能，必须将材料进行热处理。在众多的不锈钢材料中，SM4Cr13、SM3Cr17Mo使用的效果最好。在德国使用最多的是X36CrMo17。在通