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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生相對運動（特別是有添加劑的情況），從而產生摩擦。
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
內因：1）材料韌性不足；2）在一定的溫度下發(fā)生組織轉變，造成內應力。
外因：尖角部位存在嚴重的應力集中。
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，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、工藝質量穩(wěn)定
良好的拋光性能
工件的表面質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
調質型塑料模具鋼
滲碳型塑料模具鋼
淬硬型塑料模具用鋼
預硬型塑料模具鋼
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、調質型塑料模具鋼
調質型塑料模具鋼包括SM45、SM48、SM50、SM53、SM55。
下面簡單介紹一些材料的性能特點。
和普通調質鋼一樣，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
和普通調質鋼（45、50、55等）相比，這類材料無論在材料的冶金質量、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雜，因此會產生一定的變形，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構。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?？芍苯有薷哪＞呔植?，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、預硬型塑料模具鋼
預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的后續(xù)加工，保證了模具的制造精度。
備注：22
由于是對經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、航空領域，成本很高，因此只能用在一些型腔特別復雜模具的制造中。
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，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)內應力，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質量分數(shù)0.5%~0.6%的碳素鋼作為碳素塑料模具鋼。國內對于生產批量不大、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，對碳素鋼的冶金質量提出了一些特殊要求，如鋼材的有害雜質含量、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量要求
1）質量要求一般的工件（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。
調質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工藝的復雜性，以及制造模具必須的設備。 
備注：30
2）加工過程中出現(xiàn)腐蝕性氣體的塑料
首先應使用耐腐蝕鋼，比如PCR、SM4Cr13等，或選擇調質型材料，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，比如預硬型鋼和馬氏體時效鋼等。
4、根據(jù)工件的復雜程度
工件越復雜，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，比如預硬型鋼和馬氏體時效鋼等。
備注：33
備注：34

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