塑料水杯模具的选材与热处理.doc

1摘要随着塑料制品在工业及日常生活中得到越来越广泛的应用，塑料模具工业对模具钢的需求也越来越大，模具材料对于模具的加工和使用性能，以及模具寿命有很大的影响，对模具的质量及使用寿命提出了更高的要求。由于塑料成型模具的实际种类繁多，使用状态复杂，如何根据不同模具工作条件，科学地寻求提高模具使用寿命的途径，已成为广大模具技术人员的重要研究课题。实践证明，塑料模具材料的合理选用与热处理是提高塑料模具使用寿命科学有效的途径。本文详细介绍了塑料模具钢材的失效形式，选材要求及目前常用的塑料模具材料种类及热处理方法，为制定塑料模具的热处理工艺和选择钢种提供了理论依据，并且从多方面介绍了国内外提高塑料模具使用寿命的表面技术，指出正确运用表面处理技术是提高塑料模具使用寿命的一个行之有效的重要途径，具有事半功倍的效果。关键词:塑料模具材料，失效，选材，热处理，表面处理2ThematerialsselectionandHeatTreatmentofPlasticCupMoldAbstractWiththeplasticsindustryisincreasinglywiderangeofapplicationsineverydaylife，plasticmoldsteelsaremoreandmoredemandedinplasticmoldsindustry,plasticmoldmaterialfortheprocessinganduseofmoldperformanceandservicelifehaveagreatimpactinmolds,itisrequirementhigheronthequalityandservicelifeofmolds.Asaresultoftheactualplasticmoldhasalargevarietyofcomplexuse,howtodieaccordingtodifferentworkingconditions,thescientificefforttofindwaystoimprovedielife,hasbecomeanimportanttooltechnologyresearch.Practiceshowsthattheplasticmoldmaterialwithareasonableselectionofplasticmoldheattreatmentistoimprovescientificandeffectivewayoflife.Introducedhowtochoiceplasticmoldsteelandusualusedmoldsteelandusingsituationinmoldfactorywerestatedindetail,thetheoreticalbasisforworkingouttheheattreatmentprocessesofthesesteelsandforselectingsteelgradesarealsoprovidedinthispaper.Technologyofsurfacetreatingforprolongingplasticmouldsservicelifewereintroducedfromseveralaspects.Itispointedoutthattechnologyofsurfacetreatingisanimportantwayforprolongingplasticmouldsservicelifewhenbeingusedproperly.Keywords:Plasticmoldmaterials,Invalidation,Materialsselection,Heattreatment,Surfacetreating3目录0引言.51塑料模具的工作条件及失效形式.51.1塑料模具的工作条件.51.2影响塑料模具钢选择的因素.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塑料模具钢的性能要求.72塑料模具合理选材与热处理的基准.82.1塑料模具的选材.82.1.1选用模具钢的原则.82.1.2合理选用塑料模具钢.92.1.3塑料模选用材料的发展方向.92.2塑料模具钢的热处理.103典型塑料模具的失效分析及处理办法.103.1塑料模具表面高温冲蚀现象.103.1.1原因分析.113.1.2提高塑料模具表面抗高温冲蚀方法.113.2塑料模表面桔皮和麻坑现象.123.2.1原因分析.133.2.2表面缺陷的处理方法.134塑料模具的表面处理技术.144.1塑料模具的表面性能要求及其失效形式.144.2塑料模具的表面处理.144.2.1表面热处理.154.2.2电镀和化学镀.164.2.3气相沉积.174.2.4三束改性.184.2.5热喷涂和热喷焊技术.184.3常用的塑料摸具表面处理技术编合比较.194.3.1塑料模具表面改性技术的选用原则.195塑料模具技术发展趋势.20结束语.21参考文献.21致谢.2240引言新型材料如塑料永久地占领了新的市场，近年来其产量和消费量都相对稳定增长这一增长的主要原因是由于塑料成了传统金属的替代品。塑料的多样性开辟了许多新的应用领域，如汽车零件、瓶子、计算机机箱、家具和许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与其他组分的混合物，于受热后在一定条件下塑制成一定形状，并经冷却定型，修整而成。这个过程就是塑料的成型与加工，塑料的成型加工方法已有数十种，同时塑料模具是塑料成型加工中不可缺少的工具，在总的模具产量中所占的比例逐年增加，在当前已处于重要位置。在我国塑料模具的应用在国民经济中的地位愈来愈重要。它的钢材耗用量大，品种规格多，形状复杂，表面粗糙度值要求低，制造难度大。因此，探讨塑料模具的制造中的选用材料与热处理问题，综合分析其工作条件、失效、性能，合理选用材料与热处理以及提高它的使用寿命，保证制件质量，降低制造成本显得非常重要。1塑料模具的工作条件及失效形式1.1塑料模具的作条件表1塑料水杯模具的工作条件条件分类工作压力(MPa)工作温度()摩擦状态进型腔时物料状态腐蚀状态小结热固性塑料模2000-8000150-250摩擦磨损大固体粉末状态或预制坯料有时有腐蚀受热,受力,受磨损较大热塑性塑料模3000-6000150-250摩擦磨损小,当加入某些固态填料时(玻璃纤维,石英粉)磨损较大粘流状态有时有腐蚀受热,受力,磨损较小1.2影响塑料模具钢选择的因素(1)切削加工性。对于大型、复杂和精密的挤压或注塑模具，通常预硬化到2835HRC之间,再进行切削和磨削加工，到达所要求的形状精度与尺寸精度后，直接投人使用，从而可以排除热处理变形、氧化和脱碳的缺陷。由于塑料模具的型腔的几何形状通常比较复杂，往往有深孔、深沟槽、窄缝等难加工部位，因此钢材必须具有易切削的性能。通常加人S、Ca和稀土元素，来改善预硬钢的切削5加工性，如我国研制的5NiCaS。但是，由于易切削钢中含硫量较高，且存在大量的杂物，所以模具钢的力学性能特别是横向性能相对较低。（2)镜面加工性能。光盘或塑料透镜等塑料制品的表面粗糙度要求很高，一般要求Ra值0.01一0.02µm，主要由模具型腔的表面粗糙度来保证，一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一级。模具钢的镜面加工性能与钢的纯洁度、组织、硬度和镜面加工技术有关。高的硬度、细小而均匀的显微组织，非金属杂质少，均有利于镜面的抛光性的提高。镜面抛光性要求高的塑料模具钢均采用真空熔炼或真空除气2。（3)耐蚀性能。有些塑料含有氟和氯，比如聚氯乙烯、氟塑料以及添加阻燃剂的阻燃塑料(如ABS)。由于在挤出或注塑过程中，模具接触腐蚀介质，应选用耐蚀性好的塑料模具钢，如Cr14Mo，或镀铬，或采用镍磷非晶涂层。（4)非磁性。在注射成型塑料粘性磁体时，磁场注射模具主要有高强度、耐磨性较好的非磁性模具钢制造，如18一8型不锈钢经氮化处理，或用70Mn、15Cr4V2WMo等,也有设计者采用钗铜合金材料，但是价格比非磁性模具钢高，而且切削加工性较差。（5)图案光刻性能。有些塑料制品表面要求呈现清晰而丰满的图案纹，它对模具钢材质的要求与精密抛光性能相似，钢纯净度、组织致密度、硬度都要求较高。（6)耐磨损性。塑料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与塑料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效，所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素，一般情况下,模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。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设计、选用材料、热处理机械加工、调试与安装等过程。根据调查表明：模具失效的因素中，模具所使用的材料与热处理是影响使用寿命的主要因素(详见表2)，其比例约占70%，国内外的有关资料也表明了相同的结果。从全面质量管理的角度出发，不能把影响模具使用寿命的诸因素作为多项式之和来衡量，而应该是多因素的乘积，这样模具材料与热处理的优劣在整个模具制造过程中就显得特别重要。表2塑料水杯模具失效因素失效因素热处理原材料使用机械加工锻造设计所占百分比(%)52.217.8108.97.83.36塑料模具的重要失效形式为磨损失效，局部塑性变形失效和断裂失效。（1）当塑料模具使用的材料与热处理不合理，塑料模具的型腔表面硬度低，而耐磨性差，其表现为，型腔面因磨损及变形引起的尺寸超差；粗糙度值因拉毛而变高，表面质量恶化。尤其是当使用固态物料进入塑模型腔，它会加剧型腔面的磨损，故塑料模产生了磨损失效。加之，塑料加工时含有氯、氟等成份受热分解出腐蚀性气体HCl、HF，使塑料模具型腔面产生腐蚀磨损，形成侵蚀失效。（2）局部塑性变形失效。塑料模具所采用的材料强度与韧性不足，变形抗力低；当填充的物料进入塑模型腔内，有超载，持续受热，周期受压，而应力分布不均匀，以及塑模型腔面硬化层过薄，从而使塑模产生局部的塑性变形而引起的表面皱纹、凹陷、麻点棱角堆塌，超过要求限度而造成失效以及回火不充分等因素使塑料模具寿命缩短，过早的失效。（3）断裂失效。塑料模具形状复杂，多棱角薄边，应力严重集中在韧性不足之外。同时，塑料模采用合金工具钢回火不充分，而发生断裂失效。1.3.2塑料模具钢的性能要求从塑料模三种失效形式可知:选用合理的塑料模具材料与热处理,对它的使用寿命至关重要。故此，塑料模具材料的选用与热处理应满足下列要求:(1)满足工作条件要求耐磨性。塑料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与塑料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。强韧性。模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。疲劳断裂性能。模具工作过程中，在循环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、韧性、硬度、以及材料中夹杂物的含量。高温性能。当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。耐冷热疲劳性能。有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变7形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷热疲劳是热作模具失效的主要形式之一，这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。耐蚀性。塑料模在工作时，由于塑料中存在氯、氟等元素，受热后分解析出HCI、HF等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，增加其表面粗糙度值，加剧磨损失效。(2)满足工艺性能要求模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。可锻性。具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。退火工艺性。球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。切削加工性。切削用量大,刀具损耗低，加工表面粗糙度值低。氧化、脱碳敏感性。高温加热时抗氧化性能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。淬硬性。淬火后具有均匀而高的表面硬度。淬透性。淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。淬火变形开裂倾向。常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。可磨削性。砂轮相对损耗小，无烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。(3)满足经济性要求在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所选钢种应尽量少而集中，易购买。2塑料模具合理选材与热处理的基准随着对塑料模具的要求的提高,对模具钢材也提出了更多的要求。即希望提供更、更好的具有高硬度镜面加工性能好,耐磨性能强的淬火,回火类新钢材。但是,还要根据塑料的类型以及对被成型的塑料制品的尺寸、精度、质量、数量不同的要求,并考虑已有制造模具的条件来选用不同类型的塑料模具钢及其热处理。2.1塑料模具的选材2.1.1选用模具钢的原则(1)适应模具的工作条件；(2)适应模具的尺寸大小、复杂程度和精度要求；8(3)适应塑件的生产批量要求；(4)选用的模具钢应具有良好的成形加工性能和抛光性能；(5)优先选用我国自产、冶金质量稳定可靠的模具钢。2.1.2合理选用塑料模具钢表3塑料水杯模具的选用工作条件推荐钢号生产塑料产品批量较小,精度要求不高,尺寸不大的模具45、55钢或10、20钢渗碳在使用过程中有较大的动载荷,生产批量较大,磨损严重12CrNi3A、20Cr、20CrMnMo、20Cr2Ni4A钢渗碳大型、复杂、批量较大、注射成型或挤压成型模具3Cr2Mo、4Cr3Mo3SiV、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5M0SiV1、热固性成型及要求高耐磨、高强度、塑料模具9Mn2V、7CrMn2WMo、CrWMn、MnCrWV、GCr15、5Cr2MnWMoVs、Cr2Mn2SiWMoV、Cr6WV、Cr12MoV、Cr12耐腐蚀和高精度塑料模具2Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V复杂、精密、高耐磨塑料模具25CrNi3MoAL18Ni(250）、18Ni（300）、18Ni（350）2.1.3塑料模选用材料的发展方向塑料模具对钢材的质量和性能有一些特殊要求。例如:热处理变形小，研磨与抛光性能好，光洁度高，有较强的花纹刻蚀性，尺寸稳定，有别于其他模具材料，尤其是型腔复杂，高精度的塑料模具对模具的选材有更高的要求，但模具钢直接影响模具的寿命。现有的国产传统的模具钢从品种质量、性能等方面都不能满足现代化的生产需求，于是国内又开发与研制了一些新型的塑料模具钢，以供选用。（1）5CrMnMoVSCo5NiSCo高韧性易切削料、模具钢，这种钢材在国内是首创，其切削加工性、等向性、韧性和可锻性均好。5NiMoSCo预处理采用调质工艺，其淬火温度为890900，油淬之后，硬度在HRC60以上。650回火后，予处理硬度为HRC35，其切削加工性同退火状态的45钢,可顺利地进行多种切削加工。(2)SM1和SM2塑料模具钢它属于硫系易切削模具钢，用于要求高的注射模、压铸模，效果良好。两种模具钢中的元素，S以MnS型微粒夹杂存在，可以起到减少切削力和易于断屑的作用。SM1锻轧之后,迅速退火,而SM2则不用退火，直接9经时效和预硬化处理可使用。二种钢经570氮化后，心部基体强度不变，表面硬度可达HV1100。SM2可氮化与时效同时进行。2.2塑料模具钢的热处理塑料模具如果采用常规的热处理质量无法保证，模具使用寿命短,材料的利用率仅为60%,为此，对塑料模具中所使用的钢材，应采用特别的热处理，以延长塑模使用寿命。对于要求心部具有高的强韧性和表面层的耐磨性的塑料模具，可通过表面强化处理技术，提高耐磨性和使用寿命。然而表面强化技术，它不仅能提高塑模型腔表面的耐磨性，而且能使塑模内部保持足够的强韧性，这对于改善塑料模的综合性能，节约合金元素，大幅度降低成本，充分发挥材料的潜力，以及更好地利用新材料，都是十分有效的，实践证明：表面强化技术是提高塑模质量和延长其使用寿命的主要途径。采用电火花表面强化技术，它是通过火花放电作用，把一种导电材料（YT15、YT30）涂敷及渗透到另一种导电钢制模45钢的表面上，构成合金化的表面层，从而改变模具工作面的物理和化学性能的一种工艺方法。为了使被强化的45钢制模具的基体表面光洁，事先必须将模具基体45钢的工作面和电极表面清洗干净，然后手握D9110强化机将电极YT15、YT30沿模具45钢制作工作面移动，并保持一定的压力，使火花放电均匀连续。经电火化强化之后，被强化表层显微硬度可达HV11001400，甚至更高。其强化层与结合牢固，耐冲击、不剥落。强化处理时，工件处于冷态，且放电点极小，时间短，没有退火变形等现象，这大大提高模具型腔面的耐热性、耐磨性、热硬性和耐蚀性，生产实践证明，经电火花表面强化后，挤出塑料模具工业对模具钢的需求也越来越大塑料模使用寿命可提高1倍以上，强化层在使用过程中磨损后，还可以重新进行强化5。3典型塑料模具的失效分析及处理办法3.1塑料模具表面高温冲蚀现象塑料模(如塑料注射成型模、压塑模、挤塑模、塑料挤出模、吹塑模等)等塑料模具在使用过程中，往往使用不了多长时间就出现尺寸精度和表面粗糙度的破坏，造成生产的塑料制品质量达不到要求的现象，甚至导致塑料模具早期失效,既影响生产也造成很大的经济损失。到底是什么原因造成塑料模具尺寸精度和表面粗糙度的破坏呢？通过深入调查和大量的资料统计，得出塑料模具尺寸精度和表面粗糙度下降的主要原因是塑料模具在使用过程中的高温冲蚀氧化现象造成的，即处于高温作用下的塑料模具，其表面在腐蚀性固体颗粒冲刷下，以及塑料模具表面材料与工件产生的强烈摩擦，使得塑料模具表面产生了高温冲蚀氧化破坏现象，造成塑料模具尺寸精度和表面粗糙度的破坏，导致塑料模具早期失效，影响了塑料制品的质量1。