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塑料模具鋼的選擇及熱處理

		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年02月18日
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塑料模具鋼的分類及選用

備注：1
塑料模具工作條件、失效形式及對模具材料的性能要求
一、塑料模具的工作條件
1、塑料分類和塑料模具分類
塑料分為熱固性塑料和熱塑性塑料。
熱固性塑料可采用的加工方法有：壓塑、擠塑和注塑等。
熱塑性塑料可采用的加工方法有注塑、擠塑、吹塑和真空成型等。
塑料成型工藝比較多，最為常見的是熱固性塑料壓塑和熱塑性塑料注塑和擠塑。下面我們就來分析一下這2類模具的特點。
備注：2
2、工作條件
1）熱固性塑料壓塑模
一定溫度
塑料融體的溫度為160-250℃
一定壓力
160-200MPa  Max 600MPa
摩擦
在壓縮的過程中，固體物料與模具之間產(chǎn)生相對運動（特別是有添加劑的情況），從而產(chǎn)生摩擦。
腐蝕性
很多品種的塑料具有一定的腐蝕性。
備注：3
2）熱塑性塑料注射模
工作溫度
塑料溫度150-250℃，有添加劑溫度可達到300℃左右。
壓力和沖刷
融體以高速、高壓射入模具型腔，所受到壓力比壓塑時要小得多，有添加劑的情況下，沖刷作用比較明顯。
腐蝕
融溶的物料中有HCI、HF等腐蝕性氣體。
備注：4

二、塑料模具常見的失效形式
 模具主要失效形式
磨損和腐蝕
塑性變形（局部）
斷裂失效
備注：5
1、磨損和腐蝕
1）磨損
熱固性塑料在壓縮過程中，由于開始時需要將塑料壓縮（實），在此過程中固體物料產(chǎn)生相對運動，將造成模具表面的磨損，特別是有固體添加劑的塑料，這種磨損的趨勢更加嚴重。
對于熱塑性塑料而言，添加劑在熔融的塑料中會成為熔融物料中的“硬點”，在注塑的過程中會與模具的表面產(chǎn)生摩擦，從而造成模具表面拉毛等。
備注：6
2）腐蝕
很多塑料中含有CI、F等元素，當加熱到熔融態(tài)后就會分解出HCI、HF等有腐蝕性的氣體，從而將模具的表面腐蝕，這樣模具表面就會變得粗糙，在使用的過程中就會加劇模具的磨損。
備注：7
2、局部塑性變形（主要是熱固性塑料壓塑模）
模具局部出現(xiàn)凹陷、麻點和棱邊塌陷等、或分型面之間間隙增大，從而造成工件報廢。
產(chǎn)生的原因
材料本身因素：
抗壓強度不足（一般表現(xiàn)為淬硬層抗壓強度）
回火不充分（使用溫度超過回火溫度、組織轉(zhuǎn)變）
外部因素：
連續(xù)受熱
溫度呈周期性變化
周期性受壓
超載
備注：8

3、斷裂
內(nèi)因：1）材料韌性不足；2）在一定的溫度下發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，造成內(nèi)應(yīng)力。
外因：尖角部位存在嚴重的應(yīng)力集中。
備注：9
三、對模具材料的要求
包括使用性能要求和工藝性能要求。
1、使用性能要求
足夠的強度
   以承受必要的工藝負荷、防止變形。
硬度與材料拋光性能有關(guān)，硬度越高，材料的拋光性能也越好。
良好的耐磨和硬度和耐腐蝕性能
使模具表面和尺寸經(jīng)過長期的使用不改變，即保持模具的使用壽命。
足夠的韌性
保證模具不發(fā)生開裂
較好的耐熱性能和尺寸穩(wěn)定性
良好的導熱性能。 
備注：10
2、工藝性能
良好的鍛造工藝性
導熱性能好、塑性好、變形抗力低、鍛造溫度范圍寬
良好的機械加工性能
由于塑料模具屬于型腔模具，加工過程比較困難，所以要求材料具有良好的切削和磨削性能。在這類模具中常常加入S、Pb、Ca、Se等元素以改善材料的切削性能。
良好的焊接性能
當模具需要修復(fù)或者因為前期加工不當出現(xiàn)缺陷時，常常采用焊接的方法，因此要求材料應(yīng)當具有良好的焊接性能。
備注：11
良好的熱處理工藝性
淬透性、脆硬行良好
變形小、開裂傾向小
工藝簡單、工藝質(zhì)量穩(wěn)定
良好的拋光性能
工件的表面質(zhì)量主要取決于模具型腔表面的粗糙度，因此塑料模具的表面大部分比較光滑，基本上要拋光為鏡面。硬度高、晶粒細有利于拋光。
在冶煉的過程中要從方法上保障材料的純潔性（比如電渣熔煉、真空熔煉等），因為非金屬夾雜物、宏觀和微觀組織不均勻（針眼、空洞和斑痕etc.）都將使材料的拋光性能下降。
備注：12

電加工性能
電火花加工后，金屬表面會留下溝紋，使加工的粗糙度變 大?；蛘叱霈F(xiàn)較深的硬化層，使拋光困難。
紋飾加工性能
各種花紋和圖案（要求清晰、均勻）。要求材質(zhì)純凈、組織均勻、無偏析，否則，腐蝕或者光蝕后效果不是太好。
備注：13
 塑料模具用鋼及選用
一、種類
由于塑料的品種很多，加工方法也有很多種，產(chǎn)品要求也有很大差異，因此對于塑料模具材料的要求也多種多樣，但是沒有一種材料能夠完全滿足所有的要求，也就是說材料只能滿足某些方面的要求，鑒于上述原因，人們將塑料模具用材料按照一定的指標進行分類，一般可以把模具材料分成以下幾種類型：
備注：14
調(diào)質(zhì)型塑料模具鋼
滲碳型塑料模具鋼
淬硬型塑料模具用鋼
預(yù)硬型塑料模具鋼
時效硬化塑料模具型鋼
耐蝕塑料模具型鋼
碳素型塑料模具鋼
備注：15

塑料模具鋼的種分類（P74）
備注：16
二、各類鋼的成分和性能特點
1、調(diào)質(zhì)型塑料模具鋼
調(diào)質(zhì)型塑料模具鋼包括SM45、SM48、SM50、SM53、SM55。
下面簡單介紹一些材料的性能特點。
和普通調(diào)質(zhì)鋼一樣，這類鋼材具有良好的綜合性能，在加工一些具有嚴重磨損性塑料時，首先將材料進行熱處理，使其硬度達到46-50HRC，在進行完所有其它工序之后再將表面進行滲N處理，這樣可提高材料的耐磨性能，表面硬度可以達到1000HV以上。 
備注：17
和普通調(diào)質(zhì)鋼（45、50、55等）相比，這類材料無論在材料的冶金質(zhì)量、還是材料的均勻性方面均有很大的提高，因此材料的拋光性能有很大的提高。
這類鋼材淬透性比較差、熱處理時開裂和變形傾向性大，因此用來制造各種中、小尺寸且質(zhì)量要求較低塑料件的模具。
價格低。
備注：18
2、滲碳型塑料模具鋼
滲碳鋼含C量一般比較低，通常在0,25%以下，這類材料在退火狀態(tài)硬度比較低，其塑性很好，變形抗力小，因此這類鋼材比較適合用冷擠壓的方法制造模具型腔。（簡單介紹模具型腔的冷擠壓工藝）。
滲碳鋼經(jīng)過必要的處理后，表面具有較高的硬度并且耐磨性很好，同時芯部具有良好的韌性。由于表面具有較高的硬度，因此材料的拋光性能很好。
備注：19
為了達到表面硬度較高的目的，需要經(jīng)過滲碳處理以提高材料表層的含C量。在通常情況下，滲碳層的厚度在0,6-1mm之間，淬火后表面硬度可以達到58-62HRC。由于處理方式比較復(fù)雜，因此會產(chǎn)生一定的變形，也就是說，在滲碳處理之后，必須采取一些后續(xù)加工措施。
由于滲碳層的厚度較薄，因此在滲碳后不能改變模具型腔的結(jié)構(gòu)。如果必須改變的話，則必須將第一次滲碳的滲碳層全部去掉，否則將會在局部出現(xiàn)過滲碳的情況。
備注：20
3、淬硬性塑料模具鋼
主要用來制造注塑和壓塑模具。
這類材料強度、硬度高且耐磨性好。與常規(guī)滲C鋼相比，熱處理較簡單。可直接修改模具局部，修改后不需重新進行熱處理。
缺點：模具型腔比較深時，有斷裂的危險性，因為韌性比較差。
材料含C量一般較低，盡管韌性可以達到使用要求，但是其它的性能，比如硬度、耐磨性等無法滿足使用要求，因此應(yīng)用受到了限制。
典型鋼種:4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1  Cr12Mo1V1，也可使用T7、T10、9CrSi、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV等。
備注：21
4、預(yù)硬型塑料模具鋼
預(yù)硬型模具鋼是為了解決大型模具的淬火問題而出現(xiàn)的?？捎脕碇圃旄鞣N尺寸的模具，尤其是復(fù)雜的塑料模具。
材料的供貨狀態(tài)為熱處理狀態(tài)，即材料已具備必要的使用性能。
可進行表面處理，提高材料的某些性能，特別是耐磨性和耐腐蝕性。
材料在相應(yīng)加工之后不需再進行熱處理，因此避免了變形問題。省掉了所有與熱處理變形有關(guān)的后續(xù)加工，保證了模具的制造精度。
備注：22
由于是對經(jīng)過熱處理的材料進行機械加工，因此，材料必須具備良好的切削性能。在通常情況下，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，材料中的硫化物對紋飾和圖案的腐蝕有負面的影響，即在腐蝕時會出現(xiàn)紋路不清晰或者不均勻等現(xiàn)象。 
這類鋼材一般價格稍高，多用來制造精度要求較高的模具。
這類鋼材中使用比較多的是SM3Cr2Mo（P20）及其改良型材料SM3Cr2Ni1Mo（P4410）、SM3Cr2MnNiMo、、P20S、P20Ca 以及5CrNiMnMoVSCa　(5CrSCa)等等。
備注：23
5、時效硬化塑料模具型鋼
馬氏體時效鋼是一種高強度材料。供貨狀態(tài)為固溶體，時效處理后較軟的固溶體會被強化。
這類材料原來用在航天、航空領(lǐng)域，成本很高，因此只能用在一些型腔特別復(fù)雜模具的制造中。
在供貨狀態(tài)具有較高的強度1000-1200N/mm2，具有優(yōu)秀的切削性能。
材料加工后需進行熱處理，即時效處理，一般加熱到480-500℃保溫3-5小時。在靜止空氣中緩慢冷卻。不回火。由于固化溫度低，因此材料不會發(fā)生變形，固化后材料在各個方向上尺寸均勻縮小，縮小量大約0,05-0,1%。掌握了材料熱處理前后的尺寸變化規(guī)律，就以制造出尺寸、形狀精確的模具。 
備注：24
馬氏體時效鋼可以進行表面處理，比如滲N處理，但處理溫度不允許超過480-500℃。
值得注意的是這種材料在硬度比較高（53-58HRC）時仍然具有很高的韌性。
此外這類材料可以在不用預(yù)熱的情況下與同類材料良好焊接。
主要有18Ni類。
如果用來制造生產(chǎn)磨損較嚴重塑料（比如有添加劑）的模具，建議將材料進行表面滲N處理。 
精度高、超鏡面，用于大型、復(fù)雜的模具。
備注：25
6、耐蝕塑料模具型鋼
在加工的過程中，有些塑料可能會分解出有腐蝕性的物質(zhì)，比如鹽酸、醋酸等。在通常情況下，可以將模具進行電鍍處理，使表面覆上一層保護層，比如鉻層、鎳層等。但是這樣的覆層只有當覆層均勻、且模具上沒有尖銳的棱邊時才能長期起作用。覆層不均勻、且模具上有尖銳的棱邊將導致覆層中出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力，在承受負荷的過程中覆層脫落。此外在狹窄的凸起部位，由于受到彎曲應(yīng)力的作用，因此很容易脫落。
備注：26
在多數(shù)的情況下，使用耐腐蝕鋼效果更好。這類鋼材一般退火狀態(tài)供貨，為了達到必要的耐磨性能和抗壓強度以及足夠的耐腐蝕性能，必須將材料進行熱處理。在眾多的不銹鋼材料中，SM4Cr13、SM3Cr17Mo使用的效果最好。在德國使用最多的是X36CrMo17。
在通常情況下，耐腐蝕鋼都具有足夠的耐磨性能，通過表面處理的方式（比如滲N）可以提高耐磨性能，但耐腐蝕性能要下降。因此不建議進行滲N處理，如果必須提高耐磨性能的話，建議使用含C量稍微高點的耐腐蝕鋼。
備注：27
7、碳素型塑料模具鋼
      國外通常利用C質(zhì)量分數(shù)0.5%~0.6%的碳素鋼作為碳素塑料模具鋼。國內(nèi)對于生產(chǎn)批量不大、沒有特殊要求的小型塑料模具，采用價格便宜、來源方便、加工性能好的碳素鋼制造。為了保證塑料模具具有較低的表面粗糙度值，對碳素鋼的冶金質(zhì)量提出了一些特殊要求，如鋼材的有害雜質(zhì)含量、低倍組織等。這類鋼一般適用于普通熱塑性塑料成型模具。
備注：28
三、模具材料的選擇

塑料模成本構(gòu)成（%）
            項        目            占成本比例
            成型加工                    30
            材        料                    10
            熱  處  理                    10
            磨         削                   15
            拋         光                   30
            裝         配                   5
            合         計                   100
備注：29
1、根據(jù)塑料制品的種類和質(zhì)量要求
1）質(zhì)量要求一般的工件（主要是中小型件）
如果型腔較淺的話，可采用冷作模具鋼來制造，比如CrWMn、9Mn2V；
型腔稍微深就應(yīng)當使用熱作模具鋼，比如SM4Cr5MoSiV、SM4Cr5MoSiV1。耐磨性能不足可以通過表面滲N的方法改善。
調(diào)質(zhì)型模具材料可用于各種尺寸的塑料模具，但一般需要表面處理，以提高材料的耐磨性，表面處理一般為鍍硬鉻或者滲N。
滲C型的材料可以用在各種場合，但是必須考慮到滲C工藝的復(fù)雜性，以及制造模具必須的設(shè)備。 
備注：30
2）加工過程中出現(xiàn)腐蝕性氣體的塑料
首先應(yīng)使用耐腐蝕鋼，比如PCR、SM4Cr13等，或選擇調(diào)質(zhì)型材料，型腔加工完后表面鍍鉻。
耐腐蝕鋼不宜滲N（可以提高耐磨性，但是材料的耐腐蝕性將顯著下降）。
3）加工有添加劑的塑料
由于磨損加劇，因此一般使用耐磨性好的模具材料，比如冷作模具鋼中的SMCr12Mo1V1型材料。
4）加工透明件時（比如有機玻璃）
要求材料具有良好的拋光性能和高耐磨性能，一般采用預(yù)硬型材料，比如P20系列。
備注：31
根據(jù)塑料品種選用模具鋼
備注：32
2、根據(jù)塑料件的批量選擇
總的原則：批量大選好材料，批量小選差點的材料。具體見表。
3、根據(jù)工件的尺寸大小和精度要求
大型注塑件和精度高的注塑件一般采用比較好的材料，比如預(yù)硬型鋼和馬氏體時效鋼等。
4、根據(jù)工件的復(fù)雜程度
工件越復(fù)雜，加工的難度也就越大，模具的成本也就越高，因此一般選擇好材料，比如預(yù)硬型鋼和馬氏體時效鋼等。
備注：33
備注：34

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