塑料模具钢的选择及热处理_安全管理网

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    更新时间: 2021年02月18日
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    塑料模具钢的分类及选用 备注:1 塑料模具工作条件、失效形式及对模具材料的性能要求 一、塑料模具的工作条件 1、塑料分类和塑料模具分类 塑料分为热固性塑料和热塑性塑料。 热固性塑料可采用的加工方法有:压塑、挤塑和注塑等。 热塑性塑料可采用的加工方法有注塑、挤塑、吹塑和真空成型等。 塑料成型工艺比较多,最为常见的是热固性塑料压塑和热塑性塑料注塑和挤塑。下面我们就来分析一下这2类模具的特点。 备注:2 2、工作条件 1)热固性塑料压塑模 一定温度 塑料融体的温度为160-250℃ 一定压力 160-200MPa Max 600MPa 摩擦 在压缩的过程中,固体物料与模具之间产生相对运动(特别是有添加剂的情况),从而产生摩擦。 腐蚀性 很多品种的塑料具有一定的腐蚀性。 备注:3 2)热塑性塑料注射模 工作温度 塑料温度150-250℃,有添加剂温度可达到300℃左右。 压力和冲刷 融体以高速、高压射入模具型腔,所受到压力比压塑时要小得多,有添加剂的情况下,冲刷作用比较明显。 腐蚀 融溶的物料中有HCI、HF等腐蚀性气体。 备注:4 二、塑料模具常见的失效形式 模具主要失效形式 磨损和腐蚀 塑性变形(局部) 断裂失效 备注:5 1、磨损和腐蚀 1)磨损 热固性塑料在压缩过程中,由于开始时需要将塑料压缩(实),在此过程中固体物料产生相对运动,将造成模具表面的磨损,特别是有固体添加剂的塑料,这种磨损的趋势更加严重。 对于热塑性塑料而言,添加剂在熔融的塑料中会成为熔融物料中的“硬点”,在注塑的过程中会与模具的表面产生摩擦,从而造成模具表面拉毛等。 备注:6 2)腐蚀 很多塑料中含有CI、F等元素,当加热到熔融态后就会分解出HCI、HF等有腐蚀性的气体,从而将模具的表面腐蚀,这样模具表面就会变得粗糙,在使用的过程中就会加剧模具的磨损。 备注:7 2、局部塑性变形(主要是热固性塑料压塑模) 模具局部出现凹陷、麻点和棱边塌陷等、或分型面之间间隙增大,从而造成工件报废。 产生的原因 材料本身因素: 抗压强度不足(一般表现为淬硬层抗压强度) 回火不充分(使用温度超过回火温度、组织转变) 外部因素: 连续受热 温度呈周期性变化 周期性受压 超载 备注:8 3、断裂 内因:1)材料韧性不足;2)在一定的温度下发生组织转变,造成内应力。 外因:尖角部位存在严重的应力集中。 备注:9 三、对模具材料的要求 包括使用性能要求和工艺性能要求。 1、使用性能要求 足够的强度 以承受必要的工艺负荷、防止变形。 硬度与材料抛光性能有关,硬度越高,材料的抛光性能也越好。 良好的耐磨和硬度和耐腐蚀性能 使模具表面和尺寸经过长期的使用不改变,即保持模具的使用寿命。 足够的韧性 保证模具不发生开裂 较好的耐热性能和尺寸稳定性 良好的导热性能。 备注:10 2、工艺性能 良好的锻造工艺性 导热性能好、塑性好、变形抗力低、锻造温度范围宽 良好的机械加工性能 由于塑料模具属于型腔模具,加工过程比较困难,所以要求材料具有良好的切削和磨削性能。在这类模具中常常加入S、Pb、Ca、Se等元素以改善材料的切削性能。 良好的焊接性能 当模具需要修复或者因为前期加工不当出现缺陷时,常常采用焊接的方法,因此要求材料应当具有良好的焊接性能。 备注:11 良好的热处理工艺性 淬透性、脆硬行良好 变形小、开裂倾向小 工艺简单、工艺质量稳定 良好的抛光性能 工件的表面质量主要取决于模具型腔表面的粗糙度,因此塑料模具的表面大部分比较光滑,基本上要抛光为镜面。硬度高、晶粒细有利于抛光。 在冶炼的过程中要从方法上保障材料的纯洁性(比如电渣熔炼、真空熔炼等),因为非金属夹杂物、宏观和微观组织不均匀(针眼、空洞和斑痕etc.)都将使材料的抛光性能下降。 备注:12 电加工性能 电火花加工后,金属表面会留下沟纹,使加工的粗糙度变 大。或者出现较深的硬化层,使抛光困难。 纹饰加工性能 各种花纹和图案(要求清晰、均匀)。要求材质纯净、组织均匀、无偏析,否则,腐蚀或者光蚀后效果不是太好。 备注:13 塑料模具用钢及选用 一、种类 由于塑料的品种很多,加工方法也有很多种,产品要求也有很大差异,因此对于塑料模具材料的要求也多种多样,但是没有一种材料能够完全满足所有的要求,也就是说材料只能满足某些方面的要求,鉴于上述原因,人们将塑料模具用材料按照一定的指标进行分类,一般可以把模具材料分成以下几种类型: 备注:14 调质型塑料模具钢 渗碳型塑料模具钢 淬硬型塑料模具用钢 预硬型塑料模具钢 时效硬化塑料模具型钢 耐蚀塑料模具型钢 碳素型塑料模具钢 备注:15 塑料模具钢的种分类(P74) 备注:16 二、各类钢的成分和性能特点 1、调质型塑料模具钢 调质型塑料模具钢包括SM45、SM48、SM50、SM53、SM55。 下面简单介绍一些材料的性能特点。 和普通调质钢一样,这类钢材具有良好的综合性能,在加工一些具有严重磨损性塑料时,首先将材料进行热处理,使其硬度达到46-50HRC,在进行完所有其它工序之后再将表面进行渗N处理,这样可提高材料的耐磨性能,表面硬度可以达到1000HV以上。 备注:17 和普通调质钢(45、50、55等)相比,这类材料无论在材料的冶金质量、还是材料的均匀性方面均有很大的提高,因此材料的抛光性能有很大的提高。 这类钢材淬透性比较差、热处理时开裂和变形倾向性大,因此用来制造各种中、小尺寸且质量要求较低塑料件的模具。 价格低。 备注:18 2、渗碳型塑料模具钢 渗碳钢含C量一般比较低,通常在0,25%以下,这类材料在退火状态硬度比较低,其塑性很好,变形抗力小,因此这类钢材比较适合用冷挤压的方法制造模具型腔。(简单介绍模具型腔的冷挤压工艺)。 渗碳钢经过必要的处理后,表面具有较高的硬度并且耐磨性很好,同时芯部具有良好的韧性。由于表面具有较高的硬度,因此材料的抛光性能很好。 备注:19 为了达到表面硬度较高的目的,需要经过渗碳处理以提高材料表层的含C量。在通常情况下,渗碳层的厚度在0,6-1mm之间,淬火后表面硬度可以达到58-62HRC。由于处理方式比较复杂,因此会产生一定的变形,也就是说,在渗碳处理之后,必须采取一些后续加工措施。 由于渗碳层的厚度较薄,因此在渗碳后不能改变模具型腔的结构。如果必须改变的话,则必须将第一次渗碳的渗碳层全部去掉,否则将会在局部出现过渗碳的情况。 备注:20 3、淬硬性塑料模具钢 主要用来制造注塑和压塑模具。 这类材料强度、硬度高且耐磨性好。与常规渗C钢相比,热处理较简单。可直接修改模具局部,修改后不需重新进行热处理。 缺点:模具型腔比较深时,有断裂的危险性,因为韧性比较差。 材料含C量一般较低,尽管韧性可以达到使用要求,但是其它的性能,比如硬度、耐磨性等无法满足使用要求,因此应用受到了限制。 典型钢种:4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1 Cr12Mo1V1,也可使用T7、T10、9CrSi、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV等。 备注:21 4、预硬型塑料模具钢 预硬型模具钢是为了解决大型模具的淬火问题而出现的。可用来制造各种尺寸的模具,尤其是复杂的塑料模具。 材料的供货状态为热处理状态,即材料已具备必要的使用性能。 可进行表面处理,提高材料的某些性能,特别是耐磨性和耐腐蚀性。 材料在相应加工之后不需再进行热处理,因此避免了变形问题。省掉了所有与热处理变形有关的后续加工,保证了模具的制造精度。 备注:22 由于是对经过热处理的材料进行机械加工,因此,材料必须具备良好的切削性能。在通常情况下,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,材料中的硫化物对纹饰和图案的腐蚀有负面的影响,即在腐蚀时会出现纹路不清晰或者不均匀等现象。 这类钢材一般价格稍高,多用来制造精度要求较高的模具。 这类钢材中使用比较多的是SM3Cr2Mo(P20)及其改良型材料SM3Cr2Ni1Mo(P4410)、SM3Cr2MnNiMo、、P20S、P20Ca 以及5CrNiMnMoVSCa (5CrSCa)等等。 备注:23 5、时效硬化塑料模具型钢 马氏体时效钢是一种高强度材料。供货状态为固溶体,时效处理后较软的固溶体会被强化。 这类材料原来用在航天、航空领域,成本很高,因此只能用在一些型腔特别复杂模具的制造中。 在供货状态具有较高的强度1000-1200N/mm2,具有优秀的切削性能。 材料加工后需进行热处理,即时效处理,一般加热到480-500℃保温3-5小时。在静止空气中缓慢冷却。不回火。由于固化温度低,因此材料不会发生变形,固化后材料在各个方向上尺寸均匀缩小,缩小量大约0,05-0,1%。掌握了材料热处理前后的尺寸变化规律,就以制造出尺寸、形状精确的模具。 备注:24 马氏体时效钢可以进行表面处理,比如渗N处理,但处理温度不允许超过480-500℃。 值得注意的是这种材料在硬度比较高(53-58HRC)时仍然具有很高的韧性。 此外这类材料可以在不用预热的情况下与同类材料良好焊接。 主要有18Ni类。 如果用来制造生产磨损较严重塑料(比如有添加剂)的模具,建议将材料进行表面渗N处理。 精度高、超镜面,用于大型、复杂的模具。 备注:25 6、耐蚀塑料模具型钢 在加工的过程中,有些塑料可能会分解出有腐蚀性的物质,比如盐酸、醋酸等。在通常情况下,可以将模具进行电镀处理,使表面覆上一层保护层,比如铬层、镍层等。但是这样的覆层只有当覆层均匀、且模具上没有尖锐的棱边时才能长期起作用。覆层不均匀、且模具上有尖锐的棱边将导致覆层中出现内应力,在承受负荷的过程中覆层脱落。此外在狭窄的凸起部位,由于受到弯曲应力的作用,因此很容易脱落。 备注:26 在多数的情况下,使用耐腐蚀钢效果更好。这类钢材一般退火状态供货,为了达到必要的耐磨性能和抗压强度以及足够的耐腐蚀性能,必须将材料进行热处理。在众多的不锈钢材料中,SM4Cr13、SM3Cr17Mo使用的效果最好。在德国使用最多的是X36CrMo17。 在通常情况下,耐腐蚀钢都具有足够的耐磨性能,通过表面处理的方式(比如渗N)可以提高耐磨性能,但耐腐蚀性能要下降。因此不建议进行渗N处理,如果必须提高耐磨性能的话,建议使用含C量稍微高点的耐腐蚀钢。 备注:27 7、碳素型塑料模具钢 国外通常利用C质量分数0.5%~0.6%的碳素钢作为碳素塑料模具钢。国内对于生产批量不大、没有特殊要求的小型塑料模具,采用价格便宜、来源方便、加工性能好的碳素钢制造。为了保证塑料模具具有较低的表面粗糙度值,对碳素钢的冶金质量提出了一些特殊要求,如钢材的有害杂质含量、低倍组织等。这类钢一般适用于普通热塑性塑料成型模具。 备注:28 三、模具材料的选择 塑料模成本构成(%) 项 目 占成本比例 成型加工 30 材 料 10 热 处 理 10 磨 削 15 抛 光 30 装 配 5 合 计 100 备注:29 1、根据塑料制品的种类和质量要求 1)质量要求一般的工件(主要是中小型件) 如果型腔较浅的话,可采用冷作模具钢来制造,比如CrWMn、9Mn2V; 型腔稍微深就应当使用热作模具钢,比如SM4Cr5MoSiV、SM4Cr5MoSiV1。耐磨性能不足可以通过表面渗N的方法改善。 调质型模具材料可用于各种尺寸的塑料模具,但一般需要表面处理,以提高材料的耐磨性,表面处理一般为镀硬铬或者渗N。 渗C型的材料可以用在各种场合,但是必须考虑到渗C工艺的复杂性,以及制造模具必须的设备。 备注:30 2)加工过程中出现腐蚀性气体的塑料 首先应使用耐腐蚀钢,比如PCR、SM4Cr13等,或选择调质型材料,型腔加工完后表面镀铬。 耐腐蚀钢不宜渗N(可以提高耐磨性,但是材料的耐腐蚀性将显著下降)。 3)加工有添加剂的塑料 由于磨损加剧,因此一般使用耐磨性好的模具材料,比如冷作模具钢中的SMCr12Mo1V1型材料。 4)加工透明件时(比如有机玻璃) 要求材料具有良好的抛光性能和高耐磨性能,一般采用预硬型材料,比如P20系列。 备注:31 根据塑料品种选用模具钢 备注:32 2、根据塑料件的批量选择 总的原则:批量大选好材料,批量小选差点的材料。具体见表。 3、根据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较好的材料,比如预硬型钢和马氏体时效钢等。 4、根据工件的复杂程度 工件越复杂,加工的难度也就越大,模具的成本也就越高,因此一般选择好材料,比如预硬型钢和马氏体时效钢等。 备注:33 备注:34
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