塑料水杯模具的選材與熱處理.doc

1摘要隨著塑料制品在工業(yè)及日常生活中得到越來越廣泛的應(yīng)用，塑料模具工業(yè)對模具鋼的需求也越來越大，模具材料對于模具的加工和使用性能，以及模具壽命有很大的影響，對模具的質(zhì)量及使用壽命提出了更高的要求。由于塑料成型模具的實際種類繁多，使用狀態(tài)復(fù)雜，如何根據(jù)不同模具工作條件，科學地尋求提高模具使用壽命的途徑，已成為廣大模具技術(shù)人員的重要研究課題。實踐證明，塑料模具材料的合理選用與熱處理是提高塑料模具使用壽命科學有效的途徑。本文詳細介紹了塑料模具鋼材的失效形式，選材要求及目前常用的塑料模具材料種類及熱處理方法，為制定塑料模具的熱處理工藝和選擇鋼種提供了理論依據(jù)，并且從多方面介紹了國內(nèi)外提高塑料模具使用壽命的表面技術(shù)，指出正確運用表面處理技術(shù)是提高塑料模具使用壽命的一個行之有效的重要途徑，具有事半功倍的效果。關(guān)鍵詞:塑料模具材料，失效，選材，熱處理，表面處理2ThematerialsselectionandHeatTreatmentofPlasticCupMoldAbstractWiththeplasticsindustryisincreasinglywiderangeofapplicationsineverydaylife，plasticmoldsteelsaremoreandmoredemandedinplasticmoldsindustry,plasticmoldmaterialfortheprocessinganduseofmoldperformanceandservicelifehaveagreatimpactinmolds,itisrequirementhigheronthequalityandservicelifeofmolds.Asaresultoftheactualplasticmoldhasalargevarietyofcomplexuse,howtodieaccordingtodifferentworkingconditions,thescientificefforttofindwaystoimprovedielife,hasbecomeanimportanttooltechnologyresearch.Practiceshowsthattheplasticmoldmaterialwithareasonableselectionofplasticmoldheattreatmentistoimprovescientificandeffectivewayoflife.Introducedhowtochoiceplasticmoldsteelandusualusedmoldsteelandusingsituationinmoldfactorywerestatedindetail,thetheoreticalbasisforworkingouttheheattreatmentprocessesofthesesteelsandforselectingsteelgradesarealsoprovidedinthispaper.Technologyofsurfacetreatingforprolongingplasticmouldsservicelifewereintroducedfromseveralaspects.Itispointedoutthattechnologyofsurfacetreatingisanimportantwayforprolongingplasticmouldsservicelifewhenbeingusedproperly.Keywords:Plasticmoldmaterials,Invalidation,Materialsselection,Heattreatment,Surfacetreating3目錄0引言.51塑料模具的工作條件及失效形式.51.1塑料模具的工作條件.51.2影響塑料模具鋼選擇的因素.51.3塑料模具失效分析.61.3.1一般模具失效因素分析.61.3.2塑料模具鋼的性能要求.72塑料模具合理選材與熱處理的基準.82.1塑料模具的選材.82.1.1選用模具鋼的原則.82.1.2合理選用塑料模具鋼.92.1.3塑料模選用材料的發(fā)展方向.92.2塑料模具鋼的熱處理.103典型塑料模具的失效分析及處理辦法.103.1塑料模具表面高溫沖蝕現(xiàn)象.103.1.1原因分析.113.1.2提高塑料模具表面抗高溫沖蝕方法.113.2塑料模表面桔皮和麻坑現(xiàn)象.123.2.1原因分析.133.2.2表面缺陷的處理方法.134塑料模具的表面處理技術(shù).144.1塑料模具的表面性能要求及其失效形式.144.2塑料模具的表面處理.144.2.1表面熱處理.154.2.2電鍍和化學鍍.164.2.3氣相沉積.174.2.4三束改性.184.2.5熱噴涂和熱噴焊技術(shù).184.3常用的塑料摸具表面處理技術(shù)編合比較.194.3.1塑料模具表面改性技術(shù)的選用原則.195塑料模具技術(shù)發(fā)展趨勢.20結(jié)束語.21參考文獻.21致謝.2240引言新型材料如塑料永久地占領(lǐng)了新的市場，近年來其產(chǎn)量和消費量都相對穩(wěn)定增長這一增長的主要原因是由于塑料成了傳統(tǒng)金屬的替代品。塑料的多樣性開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車零件、瓶子、計算機機箱、家具和許多家用器具等都是塑料制造，塑料制品通常由聚合物或聚合物與其他組分的混合物，于受熱后在一定條件下塑制成一定形狀，并經(jīng)冷卻定型，修整而成。這個過程就是塑料的成型與加工，塑料的成型加工方法已有數(shù)十種，同時塑料模具是塑料成型加工中不可缺少的工具，在總的模具產(chǎn)量中所占的比例逐年增加，在當前已處于重要位置。在我國塑料模具的應(yīng)用在國民經(jīng)濟中的地位愈來愈重要。它的鋼材耗用量大，品種規(guī)格多，形狀復(fù)雜，表面粗糙度值要求低，制造難度大。因此，探討塑料模具的制造中的選用材料與熱處理問題，綜合分析其工作條件、失效、性能，合理選用材料與熱處理以及提高它的使用壽命，保證制件質(zhì)量，降低制造成本顯得非常重要。1塑料模具的工作條件及失效形式1.1塑料模具的作條件表1塑料水杯模具的工作條件條件分類工作壓力(MPa)工作溫度()摩擦狀態(tài)進型腔時物料狀態(tài)腐蝕狀態(tài)小結(jié)熱固性塑料模2000-8000150-250摩擦磨損大固體粉末狀態(tài)或預(yù)制坯料有時有腐蝕受熱,受力,受磨損較大熱塑性塑料模3000-6000150-250摩擦磨損小,當加入某些固態(tài)填料時(玻璃纖維,石英粉)磨損較大粘流狀態(tài)有時有腐蝕受熱,受力,磨損較小1.2影響塑料模具鋼選擇的因素(1)切削加工性。對于大型、復(fù)雜和精密的擠壓或注塑模具，通常預(yù)硬化到2835HRC之間,再進行切削和磨削加工，到達所要求的形狀精度與尺寸精度后，直接投人使用，從而可以排除熱處理變形、氧化和脫碳的缺陷。由于塑料模具的型腔的幾何形狀通常比較復(fù)雜，往往有深孔、深溝槽、窄縫等難加工部位，因此鋼材必須具有易切削的性能。通常加人S、Ca和稀土元素，來改善預(yù)硬鋼的切削5加工性，如我國研制的5NiCaS。但是，由于易切削鋼中含硫量較高，且存在大量的雜物，所以模具鋼的力學性能特別是橫向性能相對較低。（2)鏡面加工性能。光盤或塑料透鏡等塑料制品的表面粗糙度要求很高，一般要求Ra值0.01一0.02m，主要由模具型腔的表面粗糙度來保證，一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一級。模具鋼的鏡面加工性能與鋼的純潔度、組織、硬度和鏡面加工技術(shù)有關(guān)。高的硬度、細小而均勻的顯微組織，非金屬雜質(zhì)少，均有利于鏡面的拋光性的提高。鏡面拋光性要求高的塑料模具鋼均采用真空熔煉或真空除氣2。（3)耐蝕性能。有些塑料含有氟和氯，比如聚氯乙烯、氟塑料以及添加阻燃劑的阻燃塑料(如ABS)。由于在擠出或注塑過程中，模具接觸腐蝕介質(zhì)，應(yīng)選用耐蝕性好的塑料模具鋼，如Cr14Mo，或鍍鉻，或采用鎳磷非晶涂層。（4)非磁性。在注射成型塑料粘性磁體時，磁場注射模具主要有高強度、耐磨性較好的非磁性模具鋼制造，如18一8型不銹鋼經(jīng)氮化處理，或用70Mn、15Cr4V2WMo等,也有設(shè)計者采用釵銅合金材料，但是價格比非磁性模具鋼高，而且切削加工性較差。（5)圖案光刻性能。有些塑料制品表面要求呈現(xiàn)清晰而豐滿的圖案紋，它對模具鋼材質(zhì)的要求與精密拋光性能相似，鋼純凈度、組織致密度、硬度都要求較高。（6)耐磨損性。塑料在模具型腔中塑性變性時，沿型腔表面既流動又滑動，使型腔表面與塑料間產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而導(dǎo)致模具因磨損而失效，所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影響耐磨性的主要因素，一般情況下,模具零件的硬度越高，磨損量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性還與材料中碳化物的種類、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布有關(guān)。1.3塑料模具失效因素分析1.3.1一般模具失效因素分析一般模具制造中包括模具設(shè)計、選用材料、熱處理機械加工、調(diào)試與安裝等過程。根據(jù)調(diào)查表明：模具失效的因素中，模具所使用的材料與熱處理是影響使用壽命的主要因素(詳見表2)，其比例約占70%，國內(nèi)外的有關(guān)資料也表明了相同的結(jié)果。從全面質(zhì)量管理的角度出發(fā)，不能把影響模具使用壽命的諸因素作為多項式之和來衡量，而應(yīng)該是多因素的乘積，這樣模具材料與熱處理的優(yōu)劣在整個模具制造過程中就顯得特別重要。表2塑料水杯模具失效因素失效因素熱處理原材料使用機械加工鍛造設(shè)計所占百分比(%)52.217.86塑料模具的重要失效形式為磨損失效，局部塑性變形失效和斷裂失效。（1）當塑料模具使用的材料與熱處理不合理，塑料模具的型腔表面硬度低，而耐磨性差，其表現(xiàn)為，型腔面因磨損及變形引起的尺寸超差；粗糙度值因拉毛而變高，表面質(zhì)量惡化。尤其是當使用固態(tài)物料進入塑模型腔，它會加劇型腔面的磨損，故塑料模產(chǎn)生了磨損失效。加之，塑料加工時含有氯、氟等成份受熱分解出腐蝕性氣體HCl、HF，使塑料模具型腔面產(chǎn)生腐蝕磨損，形成侵蝕失效。（2）局部塑性變形失效。塑料模具所采用的材料強度與韌性不足，變形抗力低；當填充的物料進入塑模型腔內(nèi)，有超載，持續(xù)受熱，周期受壓，而應(yīng)力分布不均勻，以及塑模型腔面硬化層過薄，從而使塑模產(chǎn)生局部的塑性變形而引起的表面皺紋、凹陷、麻點棱角堆塌，超過要求限度而造成失效以及回火不充分等因素使塑料模具壽命縮短，過早的失效。（3）斷裂失效。塑料模具形狀復(fù)雜，多棱角薄邊，應(yīng)力嚴重集中在韌性不足之外。同時，塑料模采用合金工具鋼回火不充分，而發(fā)生斷裂失效。1.3.2塑料模具鋼的性能要求從塑料模三種失效形式可知:選用合理的塑料模具材料與熱處理,對它的使用壽命至關(guān)重要。故此，塑料模具材料的選用與熱處理應(yīng)滿足下列要求:(1)滿足工作條件要求耐磨性。塑料在模具型腔中塑性變性時，沿型腔表面既流動又滑動，使型腔表面與塑料間產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而導(dǎo)致模具因磨損而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影響耐磨性的主要因素。一般情況下，模具零件的硬度越高，磨損量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性還與材料中碳化物的種類、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布有關(guān)。強韌性。模具的工作條件大多十分惡劣，有些常承受較大的沖擊負荷，從而導(dǎo)致脆性斷裂。為防止模具零件在工作時突然脆斷，模具要具有較高的強度和韌性。模具的韌性主要取決于材料的含碳量、晶粒度及組織狀態(tài)。疲勞斷裂性能。模具工作過程中，在循環(huán)應(yīng)力的長期作用下，往往導(dǎo)致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂、接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。高溫性能。當模具的工作溫度較高時，會使硬度和強度下降，導(dǎo)致模具早期磨損或產(chǎn)生塑性變形而失效。因此，模具材料應(yīng)具有較高的抗回火穩(wěn)定性，以保證模具在工作溫度下，具有較高的硬度和強度。耐冷熱疲勞性能。有些模具在工作過程中處于反復(fù)加熱和冷卻的狀態(tài)，使型腔表面受拉、壓力變應(yīng)力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變7形，降低了尺寸精度，從而導(dǎo)致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，這類模具應(yīng)具有較高的耐冷熱疲勞性能。耐蝕性。塑料模在工作時，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出HCI、HF等強侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，增加其表面粗糙度值，加劇磨損失效。(2)滿足工藝性能要求模具的制造一般都要經(jīng)過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，其材料應(yīng)具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應(yīng)具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。可鍛性。具有較低的熱鍛變形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網(wǎng)狀碳化物傾向低。退火工藝性。球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動范圍小，球化率高。切削加工性。切削用量大,刀具損耗低，加工表面粗糙度值低。氧化、脫碳敏感性。高溫加熱時抗氧化性能好，脫碳速度慢，對加熱介質(zhì)不敏感，產(chǎn)生麻點傾向小。淬硬性。淬火后具有均勻而高的表面硬度。淬透性。淬火后能獲得較深的淬硬層，采用緩和的淬火介質(zhì)就能淬硬。淬火變形開裂傾向。常規(guī)淬火體積變化小，形狀翹曲、畸變輕微，異常變形傾向低。常規(guī)淬火開裂敏感性低，對淬火溫度及工件形狀不敏感?？赡ハ餍浴Ｉ拜喯鄬p耗小，無燒傷極限磨削用量大，對砂輪質(zhì)量及冷卻條件不敏感，不易發(fā)生磨傷及磨削裂紋。(3)滿足經(jīng)濟性要求在給模具選材時，必須考慮經(jīng)濟性這一原則，盡可能地降低制造成本。因此，在滿足使用性能的前提下，首先選用價格較低的，能用碳鋼就不用合金鋼，能用國產(chǎn)材料就不用進口材料。另外，在選材時還應(yīng)考慮市場的生產(chǎn)和供應(yīng)情況，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，易購買。2塑料模具合理選材與熱處理的基準隨著對塑料模具的要求的提高,對模具鋼材也提出了更多的要求。即希望提供更、更好的具有高硬度鏡面加工性能好,耐磨性能強的淬火,回火類新鋼材。但是,還要根據(jù)塑料的類型以及對被成型的塑料制品的尺寸、精度、質(zhì)量、數(shù)量不同的要求,并考慮已有制造模具的條件來選用不同類型的塑料模具鋼及其熱處理。2.1塑料模具的選材2.1.1選用模具鋼的原則(1)適應(yīng)模具的工作條件；(2)適應(yīng)模具的尺寸大小、復(fù)雜程度和精度要求；8(3)適應(yīng)塑件的生產(chǎn)批量要求；(4)選用的模具鋼應(yīng)具有良好的成形加工性能和拋光性能；(5)優(yōu)先選用我國自產(chǎn)、冶金質(zhì)量穩(wěn)定可靠的模具鋼。2.1.2合理選用塑料模具鋼表3塑料水杯模具的選用工作條件推薦鋼號生產(chǎn)塑料產(chǎn)品批量較小,精度要求不高,尺寸不大的模具45、55鋼或10、20鋼滲碳在使用過程中有較大的動載荷,生產(chǎn)批量較大,磨損嚴重12CrNi3A、20Cr、20CrMnMo、20Cr2Ni4A鋼滲碳大型、復(fù)雜、批量較大、注射成型或擠壓成型模具3Cr2Mo、4Cr3Mo3SiV、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5M0SiV1、熱固性成型及要求高耐磨、高強度、塑料模具9Mn2V、7CrMn2WMo、CrWMn、MnCrWV、GCr15、5Cr2MnWMoVs、Cr2Mn2SiWMoV、Cr6WV、Cr12MoV、Cr12耐腐蝕和高精度塑料模具2Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V復(fù)雜、精密、高耐磨塑料模具25CrNi3MoAL18Ni(250）、18Ni（300）、18Ni（350）2.1.3塑料模選用材料的發(fā)展方向塑料模具對鋼材的質(zhì)量和性能有一些特殊要求。例如:熱處理變形小，研磨與拋光性能好，光潔度高，有較強的花紋刻蝕性，尺寸穩(wěn)定，有別于其他模具材料，尤其是型腔復(fù)雜，高精度的塑料模具對模具的選材有更高的要求，但模具鋼直接影響模具的壽命?，F(xiàn)有的國產(chǎn)傳統(tǒng)的模具鋼從品種質(zhì)量、性能等方面都不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求，于是國內(nèi)又開發(fā)與研制了一些新型的塑料模具鋼，以供選用。（1）5CrMnMoVSCo5NiSCo高韌性易切削料、模具鋼，這種鋼材在國內(nèi)是首創(chuàng)，其切削加工性、等向性、韌性和可鍛性均好。5NiMoSCo預(yù)處理采用調(diào)質(zhì)工藝，其淬火溫度為890900，油淬之后，硬度在HRC60以上。650回火后，予處理硬度為HRC35，其切削加工性同退火狀態(tài)的45鋼,可順利地進行多種切削加工。(2)SM1和SM2塑料模具鋼它屬于硫系易切削模具鋼，用于要求高的注射模、壓鑄模，效果良好。兩種模具鋼中的元素，S以MnS型微粒夾雜存在，可以起到減少切削力和易于斷屑的作用。SM1鍛軋之后,迅速退火,而SM2則不用退火，直接9經(jīng)時效和預(yù)硬化處理可使用。二種鋼經(jīng)570氮化后，心部基體強度不變，表面硬度可達HV1100。SM2可氮化與時效同時進行。2.2塑料模具鋼的熱處理塑料模具如果采用常規(guī)的熱處理質(zhì)量無法保證，模具使用壽命短,材料的利用率僅為60%,為此，對塑料模具中所使用的鋼材，應(yīng)采用特別的熱處理，以延長塑模使用壽命。對于要求心部具有高的強韌性和表面層的耐磨性的塑料模具，可通過表面強化處理技術(shù)，提高耐磨性和使用壽命。然而表面強化技術(shù)，它不僅能提高塑模型腔表面的耐磨性，而且能使塑模內(nèi)部保持足夠的強韌性，這對于改善塑料模的綜合性能，節(jié)約合金元素，大幅度降低成本，充分發(fā)揮材料的潛力，以及更好地利用新材料，都是十分有效