塑料模具材料选用原则及应用.pdf

第 3 5 卷增刊 2 0 0 7 年 6月 塑料工业 C NA PL AS T I CS I NDU Y 塑料模具材料选用原则及应用 郭俊卿 陈渍霞 河南科技大学材料科学与工程学院 河南 洛阳 4 7 1 0 0 3 摘要 对塑料模具材料的选用原则和新型模具材料进行了简要的介绍 在此基础上 以成型手机外壳塑料模具为 例 对其关键零部件的选材应用进行了主要说明 关键词 塑料模具材料 选用原则 应用 Pr i nc i p l e o f Se l e c tio n a n d App l i c a tio n of Pl a s tic M o u l d M a t e r i a l GU O J u n q i n g C HE N Z i x i a S c h o o l o f Ma t e r i a l Sci E n g H e n a n U n i v e r s i t y of S c i a n d T e c h L u o y a n g 4 7 1 0 0 3 C h i n a Ab s t r a c t T h e p ri n c i p l e o f t h e s e l e c t i o n of p l a s ti c mo u l d ma t e ri a l a n d n e w ma t e r i alfor p l a s t i c mo u l d a r e i n t r o d u c e d bri e fly T a ki n g the mo u l d o f the mo bi l e p h o n e c r u s t a s a n e x a mp l e the p rin c i p l e o f the s e l e c t i o n o f the ma t e ri a 1 s f o r the k e y p a r t s i n p l a s t i c mo u l d i s e x p l a i n e d a l s o Ke y wo r d s P l ast i c Mo uld Ma t e ri a l s P ri n c i p l e of S e l e c t i o n Ap p l i c a t i o n 塑料工业是世界上增长最快的工业之一 塑料种 类增多 塑料成型工艺和模具技术水平 的发展 为塑 料制品的应用开拓了广阔的领域 世界上塑件产量按 体积计算已超过了钢铁的产量 在办公设备 汽车 仪器仪表 通信 建材行业发挥着越来越重要的角 色 1 3 用品以及家用电器行业 中的零件塑料化的趋势 不断加强 陆续出现了全塑产品 用户对塑件质量要 求的不断提高 对模具的设计制造也提出了更高的要 求 塑料模具结构复杂 制造难度大 优良的注射模 可以成型上百万次塑料件 而塑料模具所用材料已成 为模具失效的主要因素之一 合理选择塑料成型模 具的材料 是塑料模具设计与制造的关键问题 它对 提高模具寿命 缩短加工周期 降低成本 提高塑件 的质量有着重要的意义 1 塑料模具材料选材原则 塑料模具用材料的分类及性能特点已有相关文 献 3 J 进行详细论述 而塑料模具 中各零件材料 的应 用需根据工作条件进行合理选择 1 1 按加工方式选材 塑料模标准件量大面广 多采用低碳钢或低碳低 合金钢冷挤压成形 若要求模具标准件表面具有一定 的耐磨性 在冷挤压成形后可进行渗碳与淬 回火处 理 对于铸造方法成型的塑料模 可选用铝合金 锌 合金 青铜和铸铁材料 这些材料具有良好的铸造性 能 特别是硅铝合金和锌基合金 这两种材料熔点 低 流动性好 对 于用超塑性方法成形 的塑料模具 应尽量选择共晶合金或共析合金 以获得 良好的塑 性 对于能获得极细晶粒的合金 通过晶粒细化处理 后也具有 良好的超塑性 对于用切削加工或电加工成 型的塑料模具 要求材料有良好切削性 可降低加工 费用 缩短制造周期 对于电加工成型 还要求材料 具有 良好的导电性 1 2 按服役条件选材 在成型 A B S 聚氯乙稀等塑件时 在成型温度下 塑料产生腐蚀性的气体 因此要求与制件直接接触的 部件应具有优良的耐腐蚀性 如马氏体不锈钢 时效 硬化不锈钢和 1 8 N i 马氏体时效钢等 也可以用普通 材料加工后进行镀铬处理 在成型添加有玻璃纤维或 石英粉等硬质材料的塑件时 高硬度的添加物使塑料 的流动性下降 导致模具磨损严重 故成型这类塑料 的模具材料多选用能淬成高硬度的模具钢 如 T I O A C r l 2 M o V等 若选用碳含量不高的钢 则应进行渗碳 淬火处理 1 3 按制品的质量要求选材 成型透明塑件时 要求模具材料有较高的镜面加 工性和能淬成高硬度 材料中的非金属夹杂和气孔要 求极少 且显微组织均匀 可选用能淬成高硬度的超 纯净钢 许多塑料制品都要求其表面有装饰花纹 还 作者简介 郭俊卿 男 讲师 研究方向为模具 C A D 材料成形数值模拟 0 3 7 9 6 5 3 9 6 6 8 6 g u o j q m a l 1 h a u s t e d u c a 维普资讯 塑料工业 2 0 0 7年 要求模具材料具有良好 的花纹图案蚀刻性 在成型塑 料磁体时 为了在某一方向得到优异的磁性能 需要 选用奥氏体无磁模具钢制造模具 当塑件尺寸精度要 求很高时 应选用热膨胀系数小 在热处理过程中不 易变形的模具材料 如 1 8 N i 马氏体时效钢 其不足 之处是价格 昂贵 若选 用 C r l 2 M o V钢 在淬 火后 进 行深冷处理也可达到同样的 目的f 4 J 1 4 按模具零部件选材 成型零部 件直接与塑料接触 应 根据塑料 的种 类 塑料制品性质和生产批量进行选材 塑料模中 的结构件一般情况下选择碳素结构钢 合金结构钢或 碳素工具钢即可满足使用要求 弹簧材料要求高弹性 极限和高疲劳强度 可用含碳量 0 5 以上的碳钢或 合金钢制造 2 注射模具新材料 随着大型 精密 复杂的注射成型技术发展 对 其模具所用材料的性能要求越来越高 例如淬火微量 变形 良好的镜面抛光性能 较小的热膨胀系数 高 的热稳定性以及良好的耐磨性能和耐蚀性能等 均是 开发模具新材料时所追求的 目标 世界各国已经研制 出注射模选用的新钢种 以适应注射成型技术发展的 需要 预硬钢在钢厂经过锻造和特殊热处理后 以硬度 H R C 3 0 4 0的模块形式供应市场 用户可将模块直接 加工成模具零件而不必进行热处理 从而避免了模具 零件的热处理过程中可能发生的变形 保证较高的形 状和尺寸精度 预硬钢虽具有一定硬度 但仍有较好 的切削加工性和良好的镜面抛光性能以及表面雕刻性 能 特别适用于批量较大的热塑性注射模中硬度要求 低于 H R C A 0 的成型零件 并允许具有比较复杂的几 何形状和较高的尺寸精度 如国产的5 N i S C a 美国的 改性 H1 3等 一些国外 生产的预硬 钢还 可以用于制 造增强塑料和热固性塑料成型模具 预硬钢硬度偏低 成 型增 强塑料 时无法满 足要 求 而新型淬火 回火钢除 了切 削性能 镜 面抛光性 能 表面雕刻性能以及硬度 韧性 耐磨性均优于普 通淬火回火钢之外 它的热处理变形非常小 不仅可 在增强塑料和热塑性塑料成型模具中应用 还可在精 密注射模中用作成型部件 此类钢的代表品种有日本 的P D 6 1 3 以 S K D 6 l 为基础改进 美国的 H 1 3 s 等 马氏体时效钢通常以固溶化状态供货 供货硬度 约 H R C 2 8 3 2 具有 良好 的切 削性 能 被切削加 工 成模具零件后 在 4 8 0 5 2 0 下进行 3 h 左右时效处 理 硬度可达 H R C 5 0 5 7 时效变形小于 0 0 5 该 材料还具有较高的强韧性 良好的耐磨性 镜面抛光 性和较小的热膨胀系数 可用 于大批量生产热塑性 热固性和增强塑料制品和透明塑料件模具 的成型零部 件 但价格 昂贵 析 出硬 化 钢 如 国 产 的 P M S 1 0 N i 3 C u A 1 V S 和 S M2 2 0 C r N i 3 A l M o 主要适 于在 中小型 精密 复杂的热塑性或热固性塑料模具的成型零部件 或用 来成型透 明塑料制品 析出硬化钢也以固溶化状态供 货 硬度约为 H R C 3 0 切 削加工后 再经 5 0 0 5 5 0 与 6 1 0 h时效处理 可获得 H R G 4 0 4 8的硬度 国内外对一些普通不锈钢进行了改进 推出一些 新型耐腐蚀钢 如国产的 P C R 日本的 N A K 1 0 1 等 这些新型耐腐蚀钢具有高的耐腐蚀性能 且强度也比 较高 其切削性能 抛光性能与热处理性能均比普通 不锈钢有很大改善 可用作各种有较高耐腐蚀要求的 模具零部件f 6 J 3 应 用实例 以成型手机外壳为例 塑料为 P C 模具寿命为 1 0 0万件 该塑料模动模四周三面有斜导柱侧向抽芯 机构 中间成型部分采用镶拼式结构 塑料分解时产 生的气体无腐蚀性 可选用无抗腐蚀性的模具材料 模腔要求高耐磨性 应采用耐磨钢材并进行淬火处 理 成型温度在 8 0 1 2 0 o C 左右 要求模具材料在该 温度范 围内应有较好 的综合性能 侧 向分型机构中 滑块上面安装有侧向型芯或成型镶块 运动精度要求 材料具有好的耐磨性 了防止出现咬合现象 滑块和 滑槽部分具有不 同的硬度 侧向分型抽芯机构中的斜 导柱等零部件工作环境恶劣 承受载荷复杂 要求斜 导柱 应有足够的韧性和硬度 采用 了为 H 1 3和整体 淬火的热处理工艺 J 手机外壳产品为了组装内部零件 产品设计了较 多 的小台阶 小孔类 的结构 这要求模具材料有很好 的硬度 不易磨损和塌角 为了保证手机外形美观 有的位置需要很好的表面光洁度 要求相对应位置的 模具材料有好 的抛光性 能 手 机上有 的地方还需刻 字 因此 模具材料还需要有好的图案蚀刻性 由于 是精密模具 需要采用小收缩率的模具材料 成型零部件 由以上分析可知 成型零部件必须 有足够的硬度和耐磨性 且尺寸稳定性 抛光性和花 纹图案蚀刻性也较好 在保证有 1 0 0 万的寿命下 材 料 6 3 5 8 4 0 7 S 1 3 6可供 选用 S 1 3 6虽 为超 镜 面材 料 由于它 的硬度高 抛光时间长且 在实际操作 中镜 下转第 2 4 0页 维普资讯 2 4 0 塑料工业 2 0 0 7 正 体的层间 使有机蒙脱土溶胀 离解为单个片晶 成 为凝胶体系 凝胶体 系中片晶端部的一0 H会形成氢 键 在受到切应力时氢键受到破坏 变为低黏性的悬 浮液 流变学的实验结果表明 二烷基三甲基氯化铵的 凝胶黏度最小 在低转速时与凝胶黏度最大的十六烷 基三甲基氯化铵和十六烷基三甲基溴化铵相比 相差 一 个数量级 即蒙脱土层间距越大 形成的凝胶体系 越明显 而 x射线衍射实验结果表明 双十八烷基 二 甲基氯化铵 的层 间距最大 但它形成凝胶体系的黏 度不是最大 主要原因是蒙脱土层间离子被双十八烷 基二 甲基氯化铵交换后 层间存在双十八烷基二 甲基 分子链 双十八烷基二甲基分子链呈一定 的角度 即 呈 v字形 而且在层 间的空间位阻较大 溶 剂二 甲 苯进入层间受到了一定限制 所以导致形成的凝胶黏 度相对较低 由此可见 采用十六烷基三 甲基氯 溴 化铵对蒙脱土进行有机化后 再与聚合物混合 时 可使聚合物更方便地插入到晶片之间 形成片状 纳米复合材料 3 结论 1 红外光谱及 x射线衍射实验表明经过 阳离 子 表面活性剂活化的蒙脱土 有机成分已经进人到蒙脱 土的层间 2 经过有机化后的蒙脱土其层 间距加大 有机 化试剂对钠基蒙脱土有作用 而且进入到蒙脱土的层 间 使层间距加大 而且层间距的变化同阳离子链的 长短有关 季铵盐阳离子链越长层间距增加越大 3 有机蒙脱土在有机溶剂中表现出高分散性 形成有机凝胶 蒙脱土由原来的亲水性转变为亲油 性 为制备聚合物 蒙脱土纳米复合材料提供 了一条 途径 参考文献 1 Va i a R A Gi a n n e l i s E P Ma e mmo l e c u l e s 1 9 9 7 3 0 7 9 9 0 2 Gi a n n e fi s E P K r i s h n a mo o r t i R Ma n i a 8 E A d v P o l y m S e i 1 9 9 8 1 3 8 1 0 7 3 Na o k i H Hi r o t a k a O Ma k o t o K e t a 1 J Ap p l P o l y m S e i 2 0 0 0 7 8 1 1 9 1 8 4 法默 V C 矿物的红外光谱 北京 科学出版社 1 9 8 2 2 6 2 5 武保华 王一中 余鼎声 石油化工 1 9 9 9 2 8 3 1 5 3 上接第 2 3 4页 面效果往往达不到要求 易出现 桔皮 等现象 且 价格高 为了避免模具咬合和减少磨损 模具相触的 部分一般采用不同硬度或不同材料 而同种材料综合 性能较好时硬度范围受限制 达不到 硬度差 的目 的 因此 定模选用具有很好的耐热性和高温强度的 热作模具钢 8 4 0 7 硬度比普通的 H 1 3 提高 H R C 1 2 而不会牺牲韧性O高硬度可以缓解热龟裂的发生 熔 料经过浇口时不会影响模具寿命 采用 1 0 2 0 C 保温 0 5 h 淬火后 2次 5 8 5 o C 保温 2 h回火的热处理工 艺 硬度为 H R C A 8 5 0 动模选用 6 3 5 采用 9 5 0 保 温0 5 h 后淬火 2次 3 0 0 4 0 0 保温 2 h回火的热 处理工艺 硬度为 H R C 5 4 5 6 导 向机构 如导柱 导套与斜导柱等部件 根据 一 软一硬的原则 保证硬度 本例中导套选用 H 1 3 硬度为 5 2 54H R C导柱选用 0 l 钢 硬度为 5 8 6 0 H R C 模架与标准