塑料模具工业毕业设计.doc

0 塑料模具工业毕业设计塑料模具工业毕业设计 一 选题的目的意义一 选题的目的意义 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 塑料模具目前已向精密化 大型化和多腔化的方向发展 对塑 料模具钢的性能的要求越来越高 塑模钢的性能应根据塑料种类 制品用途 生产批量 尺寸精度和表面质量的要求而定 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 我 选这一题目着重于塑料模具的选材原则与热处理方法 以及提高塑料模具寿命的 表面处理技术的探讨 二 主要研究内容二 主要研究内容 1 塑料模具的分类及工作条件 2 塑料模具失效因素分析 3 塑料模具的热处理分析 4 典型的塑料失效原因分析及处理办法 5 塑料模具的表面处理技术情况 三 国内外研究现状三 国内外研究现状 塑料模具的发展是随着塑料工业的发展而发展的 在我国 起步较晚 但发展 很快 特别是最近几年 无论在质量 技术和制造能力上都有很大发展 取得了很 大成绩 这可以从下列几个方面来看 1 CAD CAE CAM 技术的应用 2 电子 信息工程技术的应用 3 气体辅助注射成型技术的使用更趋成熟 4 热流道 技术的应用更加广泛 5 精密 复杂 大型模具的制造水平有了很大提高 6 模具效率 寿命不断提高 7 采用模具先进加工技术及设备我国塑料模具 的质量 技术和制造能力 近年来确实发展很快 有些已达到或接近国际水平 尤其是随着改革开放政策的不断深入 三资 企业蓬勃发展 对我国塑料模具 设计制造水平的提高起到了非常大的作用 然而 由于我国模具制造基础薄弱 各地发展极不平衡 因此体来看 与国际先进水平相比和与国内外市场需求相比 差距还很大 这主要表现在下列方面 1 塑料模具产品水平 2 工艺装备水平 1 3 开发能力及经济效益等方面 4 管理及其他方面 5 产需矛盾 由于塑料工 业的快速发展及上述各方面差距的存在 因此我国今后塑料模具的发展速度必将 大于模具工业总体发展速度 塑料模具生产企业在向着规模化和现代化发展的 同时 小而专 小而精 仍旧是一个必然的发展趋势 从技术上来说是 满足对模具制造的 交货期短 精度高 质量好 价格低 的要 求 当前国内外塑料模具表面强化技术主要有表面热处理 化学热处理 电镀 化 学镀 气相沉积 三束改性和形变强化几个方面 表面强化技术是充分发挥塑 料模具潜力 提高其使用性能的一条行之有效的途径 它是国内外模具工业与技 术的主要发展方向之一 目录目录 0 引言 4 1 塑料模具的工作条件及失效形式 4 1 1 塑料模具的工作条件 4 1 2 影响塑料模具钢选择的因素 5 1 3 塑料模具失效分析 5 1 3 1 一般模具失效因素分析 5 1 3 2 塑料模具钢的性能要求 6 2 塑料模具合理选材与热处理的基准 8 2 1 塑料模具的选材 8 2 1 1 选用模具钢的原则 8 2 1 2 合理选用塑料模具钢 8 2 1 3 塑料模选用材料的发展方向 9 2 2 塑料模具钢的热处理 9 3 典型塑料模具的失效分析及处理办法 10 3 1 塑料模具表面高温 冲蚀现象 10 3 1 1 原因分析 10 3 1 2 提高塑料模具表面抗高温冲蚀方法 11 3 2 塑料模表面桔皮和麻坑现象 12 3 2 1 原因分析 13 3 2 2 表面缺陷的处理方法 14 4 塑料模具的表面处理技术 14 4 1 塑料模具的表面性能要求及其失效形式 14 4 2 塑料模具的表面处理 15 2 4 2 1 表面热处理 15 4 2 2 电镀和化学镀 17 4 2 3 气相沉积 18 4 2 4 三束改性 18 4 2 5 热喷涂和热喷焊技术 19 4 3 常用的塑料摸具表面处理技术编合比较 19 4 3 1 塑料模具表面改性技术的选用原则 20 5 塑料模具技术发展趋势 20 结束语 22 致谢 22 参考文献 23 0 0 引言引言 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 1 塑料模具的工作条件及失效形式塑料模具的工作条件及失效形式 3 1 11 1 塑料模具的作条件塑料模具的作条件 表表 1 1 塑料水杯模具的工作条件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 21 2 影响塑料模具钢选择的因素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 28 35HRC 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 02 m 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 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 31 3 塑料模具失效因素分析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 表表 2 2 塑料水杯模具失效因素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 3 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 5 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 6 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 2 塑料模具合理选材与热处理的基准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 12 1 塑料模具的选材塑料模具的选材 7 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 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 表表 3 3 塑料水杯模具的选用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 4Cr5M0Si V1 热固性成型及要求高耐磨 高强 度 塑料模具 9Mn2V 7CrMn2WMo CrWMn MnCrWV GCr15 5Cr2MnWMoVs Cr2 Mn2SiWMoV Cr6WV Cr12MoV C r12 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25CrNi3MoAL 18Ni 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 8 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 5CrMnMoVSCo 5NiSCo 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 890 900 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 22 2 塑料模具钢的热处理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 HV1100 1400 甚至更高 其强化层与结合牢固 耐 9 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 3 典型塑料模具的失效分析及处理办法典型塑料模具的失效分析及处理办法 3 13 1 塑料模具表面高温塑料模具表面高温 冲蚀现象冲蚀现象 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 3 1 1 原因分析 造成塑料模具表面高温冲蚀 氧化现象的主要因素有温度 固体粒子的冲 击速度 塑料模具材料性能等 温度的影响 研究表明塑料模具表面材料冲蚀 氧化破化程度随环境温度 的上升而增大 但达到某一临界值后 塑料模具表面材料冲蚀 氧化破化程度又 有一定的下降 如果塑料模具表面氧化膜的耐冲蚀能力不如塑料模具表面材料 它将在粒子冲击下和塑料模具表面材料一起流失 而且 随着温度的升高 塑 料模具表面的氧化率增加很快 流失率也随着增加 也就是说 在一特征温度 下 冲蚀 腐蚀率中氧化皮造成的流失大于塑料模具表面金属造成的流失量时 冲蚀在塑料模具表面材料流失机制中占主导地位 但达到临界温度值后 氧化 皮在粒子冲击间隔时间内变得更厚 且与塑料模具表面材料的结合强度更高 足以抵抗随后的磨粒冲击 这时材料的冲蚀腐蚀率会逐渐下降 而使其流失机 制转入 腐蚀为主 的范围 10 冲击速度的影响 冲击速度大表明磨粒对塑料模具表面冲击的能量大 时间短 这对高温环境中塑料模具表面的氧化皮生长和破坏产生明显的影响 试验表明 相同的磨粒流量在不同的冲击速度下冲蚀同种塑料模具表面 虽然 冲蚀率随环境温度的变化仍显示出最大冲蚀的临界温度规律 但最大冲蚀率及 其对应的温度值将随粒子速度的增大而明显增加 塑料模具材料的影响 塑料模具材料的性能主要是指材料自身的抗氧化 和耐腐蚀性能 研究结果表明 塑料模具表面材料流失与温度关系曲线 将随 它们的抗氧化能力或铬含量的增加而向高温方向移动 因为铬钢在含氧气氛中 会生成 Cr2O3 塑料模具在冲蚀条件下 塑料模具表层金属流失后又会生成新 的 Cr2O3 层 而且含铬越高 越容易生成这种保护层 这种保护层对塑料模具 表面起较好的保护作用 此外塑料粒子的冲击角 塑料粒子性能也是影响塑料模具表面高温冲蚀 氧化现象的重要因素 3 1 2 提高塑料模具表面抗高温冲蚀方法 从上面的研究分析可以看出 造成塑料模具表面尺寸精度和表面粗糙度破 坏的主要因素是塑料模具在使用中产生高温冲蚀 氧化现象 而且这一现象又 是不可避免的因此 如何降低高温冲蚀 氧化对塑料模具的影响 降低其对塑 料模具表面尺寸精度和表面粗糙度的破坏 是延长塑料模具使用寿命 提高生 产产品质量的重要课题 为此得出以下结论供参考 1 合理选择制造塑料模具的材料 不同的塑料模具材料具有不同的使用环 境 特别是温度环境的不同 塑料模具表面产生冲蚀 氧化的情况也完全不同 以 5CrMnMo 4Cr5MoSiV 和 3Cr2W8V 三种塑料模具钢为例 它们的抗冲蚀 氧 化能力逐次提高 分别可作低耐热性热作塑料模具钢 中耐热性热作塑料模具 钢和高耐热性热作塑料模具钢 而 2Cr13 属于马氏体类型钢 机械加工性能较 好 经热处理后耐腐蚀性能较好 适宜制造承受高负荷并在腐蚀作用下的塑料 模具和透明塑料制品塑料模具 9Cr18Mo 则是一种高碳高铬马氏体不锈钢 它 具有更高的硬度 耐磨性 抗回火稳定性和耐腐蚀性能以及较好的高温尺寸温 度性 适宜制造承受在腐蚀环境条件下又要求高负荷 高耐磨的塑料模具 2 改变塑料模具材料的合金成分 从塑料模具表面材料流失的情况可以看 出 提高铬含量 也能较好的提高塑料模具表面抗冲蚀 氧化的能力 在塑料 模具材料中加入和氧亲和力大的合金元素如 Cr 实现优先氧化 在塑料模具表 面生成薄而致密的氧化膜 随着铬含量的增加 塑料模具表面材料流失向高温 方向移动 塑料模具表面抗氧化和腐蚀性能性能提高 当钢中的 Cr 达 18 以上 11 时 铬钢在含氧气氛中会生成完整的 Cr2O3 膜 塑料模具表面发生冲蚀时 塑 料模具表层金属流失后又会生成新的 Cr2O3 层 而且含铬越高 越容易生成这 种保护层 这种保护层对塑料模具表面能起较好的保护作用 通过加入 Cr 塑 料模具表面生成尖晶石结构的氧化膜 由于尖晶石具有复杂致密的结构 粒子 在这种膜中的移动速度缓慢 移动所需的激活能增大 因此显示出优异的抗氧 化性能 在塑料模具材料中加入稀土元素 增强氧化膜与塑料模具表面材料的 附着力 也能提高抗高温氧化的能力 此外 还可以在塑料模具材料中加入不 同的合金元素 控制氧化膜中的晶格缺陷 减少氧化膜的晶格缺陷浓度 降低 离子的扩散速度 达到提高塑料模具表面的抗高温冲蚀 氧化的能力 3 对塑料模具表面进行合理的处理 进行表面热处理 表面化学热处理和 高能量密度表面处理等技术 使塑料模具材料既具有高硬度又使材料中的碳化 物等硬化相的组成 形貌和分布合理 提高塑料模具表面的抗高温冲蚀 氧化 能力 也能较好的保证塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度 4 对塑料模具材料进行表面处理 根据表面工程理论 对塑料模具表面 进行冶金 粘涂和表面薄膜层技术 改善塑料模具表面性能 提高塑料模具表 面的抗高温冲蚀 氧化能力 保证塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度 提高塑料模具的使用寿命和生产产品的质量 5 采取合理的生产工艺和工艺参数 在使用塑料模具生产产品时 采取 合理的生产工艺和工艺参数 特别是控制温度 塑料粒子的流动速度等 也可 以较好的减少和降低塑料模具使用时冲蚀 氧化现象对塑料模具表面的破坏 3 23 2 塑料模表面桔皮和麻坑现象塑料模表面桔皮和麻坑现象 塑料模表面常见的缺陷是桔皮和麻坑 这些缺陷一般发生在表面要求高度 抛光的塑料模具上 特别是采用较大压力的机械抛光时更是如此 7 桔皮是塑料模具表面出现的一种微小塑性的变形 是塑料模具由于被拉伸 到超过其屈服点时 产生了永久塑性变形 但在遇到桔皮表面或麻坑时 一般都认为是钢材的材料不好 然而大多数 情况并不是钢材的情况造成的 如果是钢材有问题 那可能是因为钢材的组织 结构特殊或者因为含有夹杂物 则桔皮和麻坑会出现在塑料模具的任意位置上 而不是整个模具的表面 但现桔皮和麻坑一般都是比较广泛地分布在整个塑料 模具的表面 而这就是过分抛光所造成的结果 3 2 1 原因分析 12 1 过度抛光引起的表面缺陷 要了解过分抛光的受力情况 必须先要弄清楚钢材应力与应变的关系 当 钢材所受的应力低于其屈服点位置时 钢材处于弹性变形阶段 当应力去除后 它将恢复到原来的形状 如应力在屈服点和极限强度之间位置时 就会发生永 久的塑性变形阶段 而钢材的屈服点取决于钢材的硬度 钢材越硬 其屈服点 越高 当钢材所承受的应力超过其极限强度值位置时 钢材就会出现断裂 在 塑料模具的抛光过程中 当模具表面所受的应力低于其屈服点 模具处于弹性 变形阶段 不会发生永久的塑性变形 而是在模具表面由于抛光力的影响产生 残余应力 当施加在模具表面上抛光应力强过了钢材的屈服点 由于钢材永久 塑性变形的出现 会引起模具表面产生桔皮 出现桔皮后抛光机对模具自然需 要施加更大的压力 然而这样做 则超过了钢材表面的极限强度 小的颗粒或 者微块虽然除掉了 但是留下了小点状的凹坑即麻坑 2 过热引起的表面缺陷 在热处理过程中由于热处理温度过高而发生过热时 高合金钢将处于混杂 有马氏体与奥氏体的混合结构 这样使模具表面的硬度不一致 奥氏体比马氏 体软一些 因此较软的奥氏体组成物比较硬的马氏体组成物更快变形和被磨 削掉 当抛光时用了较大压力时 塑料模具表面将很容易产生桔皮和麻坑 3 过分渗碳引起的表面缺陷 在塑料模具渗碳的过程中 钢材表面吸附了碳化物 得到碳弥散的均匀组 织结构 因而提高了模具表面的硬度 但如果钢材过热 虽然能加速渗碳过程 但炭化物会在晶粒边缘成团出现 这样在模具表面就形成了不均匀表面硬度 结果由于抛光时从模具表面不均匀地切掉金属 产生了疙瘩状表面 如果抛光 压力太高 成团的炭化物就会从模具表面脱落 从而出现麻坑 3 2 2 表面缺陷的处理方法 1 抛光时应避免过大的压力手工油石研磨和手工抛光需要花费高的生产 成本 加工时间也较长 因此现在越来越多地采用机械装置研磨和抛光 采用 手工抛光 加工应力很少会超过钢材表面的屈服强度 因此不会出现桔皮和麻 坑 但采用机械抛光如果控制不当 压力就会超过屈服强度 从产生桔皮和麻 坑 因此在采用机械抛光时应非常小心 避免采用大的压力 但在采用机械抛 光时 总是希望较快完成 这样就需要采用较大的压力来清除以前的切削痕迹 而这样就会造成更大的桔皮或麻坑 因此在抛光时一定要避免过大的压力 2 修理模具表面的桔皮和麻坑 修理模具表面的桔皮和麻坑基本步骤 13 用油石磨光的方法除掉有缺陷的表面 通常是在进行金刚石抛光前用新 的油石来磨光 消除应力 把模具的表面从高度受力的状态下解除出来 消除应力时的 温度应该比模具的回火温度低 100 这样不至于使模具钢软化 应力消除之后 用金刚石抛光 这次用力要轻 提高硬度有助于防止产生桔皮和麻坑 因为只有对钢材所施加的应力大于屈 服点 才出现桔皮 因此可以通过提高模具硬度 使模具能承受更大的压力而不 出现桔皮 麻坑也随硬度的提高而减少 因此渗碳模具由于表面较硬可以得到 很好的抛光性能 氮化得好的模具在抛光过程中也不会产生桔皮和麻坑 4 4 塑料模具的表面处理技术塑料模具的表面处理技术 4 14 1 塑料模具的表面性能要求及其失效形式塑料模具的表面性能要求及其失效形式 为保证成型后塑料制品的表面质量 从而对塑料模具的表面状态提出了以 下要求 型腔表面光滑 成型面要求抛光成镜面 表面粗糙度低于 014 m 以使 压制件具有良好的外观并便于脱模 型腔表面耐磨抗蚀 一般要求成型面硬度达 30 60HRC 且表面粗糙度 长期保持不变 长期受热表面不软化 不氧化 通常 塑料模具的主要失效形 式为 成型面磨损 塑性变形和断裂 表面磨损是指塑料对模具成型面的摩擦 使表面拉毛的现象 当原料中含 有无机填料时 将明显加剧模具的磨损 除型腔表面粗糙度迅速恶化外 型腔 尺寸也由于磨损而急剧变化 塑性变形是指模具在持续受热 受压作用下 发生局部塑性变形而失效的 方式 这种失效是由于模具型腔表面的硬化层过薄 变形抗力不足或是模具在 热处理时回火不足 在服役时发生组织转变所致 断裂失效是危害最大的一种失效形式 塑料成形模具形状复杂 存在许多 角薄边 在这些位置会造成应力集中 产生断裂 此外 回火不足也可能发生断 裂 4 24 2 塑料模具的表面处理塑料模具的表面处理 14 按照塑料模具的性能要求 可对其进行多种方式的表面处理 通常 可根 据所用工艺的特点将其分成 表面淬火 化学热处理 电镀 化学镀 气相沉积 和三束改性等几类 4 2 1 表面热处理 表面热处理包括表面淬火 化学热处理两大类 表面淬火是指仅对工件表面进行热处理以改变其组织和性能的工艺方式 诸如感应加热淬火 火焰加热表面淬火 接触电阻加热淬火 电解液淬火等 通过工件表面的急热急冷 可使表面一定厚度内发生相变硬化而心部保持韧性 模具变形小且不会使表面变得粗糙 研究表明 对塑料模具型腔口处采用局部 淬火 可以解决因分型面和型腔周边塌陷而产生的溢料现象 塑料模具的化学 热处理通常包括渗碳 渗氮 渗硼 渗硫 渗铬 渗钒及共渗稀土等 1 渗 C 渗 N 和 C N N C 共渗 这是塑料模具表面最常用的一类化学 热处理方法 处理后的模具表面获得马氏体和弥散分布的氮化物 其耐磨性和 疲劳强度明显提高且抛光性好 通过固体 盐浴 气体 真空和离子渗碳 可 在塑料模具钢表层形成含碳量为 0 8 1 5 的渗碳层 再辅以淬火 回火处 理使高碳层发生相变强化 其硬度可达 56 63HRC 由于渗碳温度较高 要注 意防止晶粒粗大和模具变形 以免造成型腔表面的粗糙化以及剥离缺陷 研究 表明 低温渗碳可实现塑料模具的无形变表面强化 塑料模具的渗氮温度 450 580 要低于渗碳温度 其处理方式亦包括 气体 液体 固体和离子渗氮 由于表面渗氮层硬度高 含有 Al V Ti 等元 素的合金钢 热氮化处理后可获得硬度 HV900 1100 且处于压应力状态 故 而能显著提高塑料模具型腔的耐磨性与疲劳强度 改善耐蚀性和抗擦伤性能 并有一定的热硬性 渗氮适用于中 高温回火的塑料模具钢表面强化 由于时 效硬化塑料模具钢的时效温度范围与氮化温度范围相当 因此时效处理也可与 氮化处理同时进行 既提高了时效硬化型塑料模具钢的使用寿命 又不致明显 增加生产成本 碳氮共渗是指在 820 860 温度下同时将 C N 渗入渗碳型塑料模具并以 渗碳为主的处理方式 碳氮共渗层具有比渗碳层更高的耐磨性 疲劳强度和耐 蚀性 比渗氮层更高的抗压强度和较低的表面脆性 若碳氮共渗后再进行喷丸 可显著提高低碳模具钢的疲劳极限 由于处理温度低 C N 共渗后的模具淬透 性提高 因此塑料模具变形较渗碳的小 但在碳氮共渗中应注意避免和消除 HCN 的危害 氮碳共渗是塑料模具表层渗入氮和碳 并以渗氮为主的化学热处理工艺 氮碳共渗具有处理温度低 时间短 不受钢种限制及模具畸变小等优点 处理 15 后的模具能获得优良的耐磨性 耐蚀性且表面摩擦系数小 疲劳强度高 研究 表明 盐浴氮碳共渗能改善碳钢的耐蚀性 其后的氧化 抛光能进一步提高碳 钢的耐蚀性 氮碳共渗与其他强化工艺相结合可获得更好的强化效果 研究表 明 淬火 氮碳共渗复合处理可获得更高的次表层硬度及更好的渗层硬度分布 从而进一步提高工件的耐磨性及疲劳强度 2 渗硼 理想渗硼件表面由 Fe2B 相 硬度 HV1400 左右 组成其耐磨性 能十分优异 尤其是抗磨粒磨损性能优于渗氮 渗碳件 并且具有良好的抗腐蚀 能力 研究表明 含硼膏剂复合渗处理的 45 钢塑料模具可取代昂贵的合金钢 但由于渗硼处理温度高 必须注意控制塑料模具的变形 3 渗硫 大多数化学热处理都借助模具表面的硬化来达到耐磨的目的 而渗硫是在基体表面形成低摩擦系数的 FeS 薄膜 凭其优良的减摩作用以防止 模具的一些摩擦部件如导向孔 顶杆等的过早磨损 目前工业上应用较多的是 低温电解渗硫 由于其处理温度 150 250 低 模具表面性能不会发生明显 变化 适合精度高的塑料模具表面处理 但其存在的渗剂污染 渗层易腐蚀等 问题 此外 采用硫氮碳共渗在较硬的渗氮层或氮碳层上形成硫化层 亦可使 塑料模具获得良好的减磨性及耐磨性 进一步提高塑料模具的使用寿命 4 渗 Cr V 研究表明 应用于小型热固性塑料模具的渗铬高碳钢 其耐磨性与渗硼后的耐磨性相近 比 GCr15 钢还高几倍 渗入的铬一部分溶入 铁素体 形成固溶体 另有相当大一部分与碳形成化合物 它使塑料模具表面 具有良好的耐腐蚀性能 并具有很高的硬度 因而耐磨性相当好 资料显示 渗钒层内有 VC 生成 渗层硬度在 HM1100 2800 之间 渗钒件的抗腐蚀磨损和 磨粒磨损性能明显高于渗硼及其他化学热处理件 经渗钒处理的模具可提高数 倍寿命 5 稀土化学热处理 热处理过程中适量稀土元素的加入 可显著改善塑 料模具钢的表面组织结构 物理 化学及机械性能 如 稀土可消除分布在晶界 上微量杂质有害作用 强化和稳定塑料模具型腔的晶界 此外 稀土元素与钢 中的有害元素发生作用 生成高熔点化合物 又可以抑制这些有害元素在晶界 上的偏聚 降低渗层的脆性 若稀土元素 Re 与氮形成 Re N 氮化物 使氮化物以 高度弥散的状态分布在共渗层中 可增加共渗层的硬度 强度 耐磨性和耐腐 蚀性 我国是稀土大国 稀土资源占世界 90 以上 将其引入塑料模具的表面 强化处理 有望充分发挥资源优势以获得最佳的技术 经济效果 开发出具有 我国独立知识产权的新技术 4 2 2 电镀和化学镀 16 1 电镀 包括金属电镀和复合电镀两大类 其优点在于 处理温度低 塑 料模具不易变形 工业上最常见的有镀铬 镀镍等 复合电镀是金属与悬浮在 电镀液中的固体微粒同时沉积而形成镀层的一种电镀方法 加入镀液中的固体 微粒可为无机物和有机物 复合电镀可赋予塑料模具型腔表面特殊的耐蚀 耐 磨 自润滑和耐热性能 如 金属镀层具有良好的韧性 其间嵌入陶瓷或其它硬 质微粒 不仅对金属有弥散强化作用 而且本身的硬度高可承受较高的磨损力 若将固体润滑剂颗粒和金属复合沉积于金属表面 则可达到减摩 抗咬合等目 的 资料显示 用电镀法制取的耐磨耐蚀金属陶瓷复合材料涂层经 1h 400 热处理后 硬度可达 1400 1700HV 耐磨性是硬铬镀层的 17 倍 耐蚀性除硝 酸外均优于 1Cr18Ni9Ti 不锈钢 这使普通塑料模具钢取代优质模具钢成为可 能 复合电刷镀不仅可强化模具型腔面 还能修复模具型腔面 由于塑料模具 用量大 制造周期长 成本高 因此对模具的修复和延长寿命意义重大 如 彩 电壳体模具局部出现大面及麻坑深达 4mm 用电刷镀修复填平麻坑 强化表面 其费用约 3000 元 加工时间小于 7 天 而制作新模要 8 个月 加工费用达 24 万元 经济效益明显 2 化学镀 与电镀相比 化学镀均镀能力和深镀能力好 可在形状复杂 的表面上产生均匀厚度的镀层 镀层致密 空隙小 具有特殊的机械 物理和 化学性能 而且设备简单 操作容易 目前 在塑料模具上应用最多的为化学镀 Ni Ni2P 研究表明 化学镀 Ni 可显著降低制模材料费 缩短制模周期 减 少加工费用 增加模具寿命 Ni2P 镀层硬度 约 300 500HV 比电镀层高得多 经 1h 400 处理后可达 1000HV 恰当的热处理条件可使镀层既有一定硬度 又有好的延展性 复合镀 Ni2P 是由金属间化合物 氟塑料 氟化石墨 人造金 刚石等小颗粒弥散分布在化学镀 Ni2P 点阵中组成复合弥散的金属陶瓷镀层 其 具有高的表观硬度和优异的耐磨自润滑性能 资料显示 45 钢塑料模具表面 化学镀 Ni2P 或复合镀 Ni2P 可代替 2Cr13 不锈钢制造塑料模 Ni2P2SiC 复合化 学镀可使模具寿命提高 45 倍 4 2 3 气相沉积 气相沉积可分为物理气相沉积 PVD 化学气相沉积 CVD 和等离子体增强 化学气相沉积 PCVD 等 1 物理气相沉积 物理气相沉积是利用阴极溅射和离子镀等 PVD 技术 可在塑料模具表面形成 TiC TiN 等化合物薄层以提高其耐磨性 其特点是处 理温度低 能量利用率高 所得镀层结合力较强 可在模具钢的高温回火温度 17 以下进行 故模具变形小 最适合于形状 尺寸精密的塑料模 目前 在模具 强化方面 阴极溅射法和多弧离子镀方法应用较多 其处理获得的 TiN 层具有 较高的硬度和耐磨性 较小的摩擦系数 较好的抗粘着性和抗咬合性 可保证 塑料模的使用寿命提高 3 9 倍 但其涂层与基体的结合强度较低 沉积层有可 能出现早期剥离而失效 另外 PVD 的绕镀性也很差 难以适用于存在多孔 窄槽 尖角的复杂塑料模 2 化学气相沉积 化学气相沉积是在真空条件下通过高温化学反应在基 体表面上制得金属或化合物薄膜的气相沉积法 其特点是 涂层结合力强 由于 反应温度高 基材和膜层之间易形成扩散层 绕镀能力强 易实现设备的大型 化和大批量处理 CVD 可在塑料模具表面沉积超硬物质 TiC TiN 等 使模具型 腔获得高硬度 高耐磨及高抗蚀性等一系列优异性能 同时 其处理的模具形状 不受限制 对于深孔性及复杂型腔同样适用 但是其沉积温度较高 一般在 900 1 000 甚至更高的温度下才能进行 模具畸变严重 心部组织急剧粗 化 硬度等性能降低较大 处理后还需淬火改善心部性能 因此该技术不适于 高精度塑料模具 特别是细长杆件 半导体用塑料模及其它精度达微米级公差 的精密模具 3 等离子体增强化学气相沉积 等离子体增强化学气相沉积 PCVD 原 理与直流辉光放电等离子体渗氮的原理相似 因此设备也容易从离子渗氮炉改 造而获得 利用 PCVD 对塑料模具进行处理可很好地结合 PVD 低温和 CVD 绕镀好 的优点 研究表明 PCVD 复合渗镀强化可改善热作模具和冷作模具的耐磨性 抗氧化性和耐蚀性 显著提高模具寿命 而高淬透性的冷作模具钢和热作模具 钢是压制热固性塑料 复合强化塑料产品的模具 以及生产批量大 要求模具 使用寿命长的塑料模具常用钢种 4 2 4 三束改性 采用激光束 离子束和电子束对材料表面进行改性或合金化是近十几年迅 速发展起来的材料表面新技术 其在塑料模具型腔面的强化方面也有一定应用 采用激光束对模具表面强化的主要方式为激光相变硬化和激光冲击硬化 激光 相变硬化指激光以 105 106 s 加热速度作用在金属表面上 使其温度迅 速上升至相变点以上 并通过基体的热传导以 105 s 冷却速度实现自冷淬 火 从而获得细化的淬硬层组织 其硬度比常规高 15 20 耐磨性提高 1 10 倍 激光冲击硬化是利用脉冲激光作用在材料表面产生高强冲击波 使 金属产生强烈的塑性变形 其组织结构类似于经爆炸冲击及快速平面冲击的材 料中的亚结构 这种结构能明显提高材料表面硬度 屈服强度以及疲劳强度 18 电子束作用与激光束相似 既可获得高硬度表面合金层 又能防止模具变形 由于设备复杂以及影响因素很多 激光和电子束加工在塑料模具的应用有待发 展 离子注入应用较多的是 N 注入 它可使模具的表面硬度 耐磨性 耐疲 劳性等得到明显提高 氧离子注入在模具表面强化上也有相当进展 此外已经发 现采用离子注入氧离子或将金属与硼离子一起多重注入可取得与 N 注入一样 甚至更好的效果 4 2 5 热喷涂和热喷焊技术 热喷涂技术是将喷涂材料加热到熔融或半熔融状态 用高速气流将其雾化 加速 使其以高速喷射到工件表面 形成耐磨 耐蚀以及抗高温氧化等特殊性 能涂层的表面涂层方法 按照加热喷涂材料的热源分类 主要有燃气法 电气法 和高能束加热法三类 由于热喷涂层不够致密 与基材结合强度不高 在模具 表面改性中难以发挥作用 应运而生的热喷焊工艺特别是氧乙炔喷焊工艺简便 设备投资少 因此在注塑模具表明强化中取得了广泛应用 比如 用 Ni60 一步法 热喷焊 45 号钢 就可以将模具使用寿命提高 6 倍 4 34 3 常用的塑料模具表面处理技术编合比较常用的塑料模具表面处理技术编合比较 综上所述 对塑料模具表面改性技术进行综合比较如表 4 所示 表表 4 4 塑料水杯模具表面处理技术比较塑料水杯模具表面处理技术比较 排列 指标 高 较高 低 表面处理价 格 抗变形和精 度 抗压能力 耐磨性 抗咬合性 抗氧化性 韧性 耐疲劳强度 耐热冲击性 能 PVD 法 CVD 法 热喷涂 氮化 各种低温表面处理 PVD 法 离子氮化 各种低温表面处理 CVD 法 CVD 法 离子氮化 气体氮化 软氮化 PVD 法 CVD 法 PVD 法 氮化 软氮化 CVD 法 PVD 法 硫氮化 氧氮化 离子氮化 渗铬 渗硼 氮化 CVD 法 热喷涂 CVD 法 PVD 法 各种低温表面处理 氮化 软氮化 氧氮化 热喷涂 CVD 法 PVD 法 氮化 热喷涂 CVD 法 氮化 PVD 法 热喷涂 PVD 法 CVD 法 离子氮化 氮化和软氮化 19 抗剥落性能 表面粗糙度 4 3 1 塑料模具表面改性技术的选用原则 为了提高塑料模的使用寿命 应首先对已失效注塑模的失效形式进行分析 很重要的是了解热固性和热塑性塑模的工作条件 热塑性塑料模具的工作条件 是受热 受压 受磨损 但不严重 故塑料模具表面应有较高的耐热性能 具 有较高的强度 有良好的耐磨性 部分品种含有氯及氟 在加工过程中放出腐 蚀性的气体 侵蚀型腔表面 因此 塑料模具的基本的失效形式是表面磨损 变形及断裂 但由于对塑料制品的表面粗糙度及精度要求较高 故因表面磨损 造成的模具失效比例较大 由此 可以得出塑料模具表面改性技术的选用原则 如下 1 塑料模具表面应考虑具有较好的强度 耐热性能 耐磨性和耐腐蚀性 2 根据设计的表面性能 选择表面涂层材料或者表面层的成分或组织 3 根据被制品的性质 确定合适的表面改性层厚度 4 对于以上选择的表面工程技术进行试验考查 最后确定或修改表面改 性工艺 4 5 5 塑料模具技术发展趋势塑料模具技术发展趋势 料模具在塑料成型加工中占有非常重要的地位 模具生产技术也是衡量一 个国家制造工艺水平的重要标志之一 为了发展模具工业 一些国家制订了有 关扶植政策 如日本在至年代制订了机械生产振兴法 把模具列为特定产品加 以发展 美国现拥有模具专业厂家一万多个 年代后期模具总产值达多亿美元 从总体看 塑料注射模具的基本发展趋势是朝高效率 高精度 高寿命方 向发展 为提高塑料制品生产效率 在模具结构上将向多型腔 自动装卸料 节能省料方向发展 日本