塑料模具的选材及热处理特点.docx

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塑料模具的选材及热处理特点

塑料模具的选材及热处理特点

塑料模具结构和形状比较复杂，制造成本较高，为了保证模具有较长的使用寿命，合理地选用模具材料品种，正确选择和实施模具的热处理方法极为重要。

一、塑料模具的选材

1．塑料模成形件的材料选用

选择塑料模成形件的材料时，根据模具的具体精况可从以下几方面考虑。

（1）根据塑料制品种类和质量要求选用塑料制品种类的不同往往对塑料模的工作条件产生很大影响。

ABS、聚氯乙烯和聚四氛乙烯等塑料成形时，在一定的成形温度下会分解产生具有腐蚀性的气体而对塑料模产生腐烛作用。

因此，这类塑料模具成形件常选用耐蚀塑料模具钢，如PCR、AFC－77、18Ni及4Cr13等；若选用普通材料制作模具时，则需镀铬或其他耐腐蚀的表面处埋。

对生产以玻璃纤维作添加剂的热塑性因料制品的注射模或热固性塑料制品的压缩模，要求模具有高硬度、高耐磨性、高的抗压强度和较高韧性，以防止模具型腔面过早磨损或受高压而局部变形。

因此，这类塑料模具成形件多选用淬硬型塑料模具钢．如T10A、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV等；若选用低、中碳钢，则应进行渗碳淬火处理。

对高速成形的塑料制品，其模具表面的工作温反在短时间内会超过400℃。

为了保证塑料模的使用精度并防止塑料制件在脱模后由于温度反过高而发生变形．模具材料应有良好的导热性。

为此可选用铍青铜或高强度铝合金来制造。

透明塑料成形模具，要求模具材料有良好的镜面抛光性能和高耐磨性．并且要求材料中的非金属夹杂物和气孔要极少，显微组织也要均匀。

这时最好选用能获得高硬度的超纯净钢。

实践表明，大多时效硬化型模具钢如PMS、06Ni、PCR都具有优良的镜面抛光性，是较理怎的选用钢种，而预硬化型钢P20系列、8Cr2S、5NiSCa等钢，镜面抛光性中等或较好，也可选用。

对于表面有装饰花纹的塑料制品，则要求模具材料有良好的装饰加工性。

根据塑料制品的种类选用塑料模具的举例见表4-7。

（2）塑件生产批量塑料件生产批量很小时，对模具的耐磨性及使用寿命要求不高，可选用铝合金、锌合金、碳素钢及合金结构钢等制造；对于批量大的塑料件成形模具，应根据其工作条件和对模具质量的要求来选材，一般选用高级优质塑料模具钢。

塑料模具成形件的材料选用与生产批量的关系见表4-8。

（3）塑料模的加工方法塑料模具的成形加工方法有多种；一般的塑料模都可通过冷挤压成形、超塑性成形、铸造成形、切削加工成形和电加工成形等方法制作。

因此，应尽可能选用具有与模具成形加工方法相应，并具有较好的加工工艺性能的模具材料。

由于大多数塑料模都需经过切削加工成形，因而模具材料的切削加工性往往是最受重视的加工工艺性能。

（4）塑料件的尺寸大小及精度要求对于大型高精度的注射成形模具，当塑料件生产批量大时，可选用预硬化钢制造。

如3Gr2Mo、8Cr2S、4Cr5MoSiV、P4410、SMI、PMS钢等；由于模具加工成形后不再进行热处理，所以可以保怔模具高精度的要求。

（5）模具的制造难度和交货期限塑料制伴形状越复杂，模具型腔的加工也越困难，因而必须选用加工性能好和热处理变形小的模具材料。

塑料制件越大，型膛的切削加工量一般也越大；大用量切削时，切削力也大。

因此对于大制件的塑料模具最好选用易切削钢。

塑料制件较小时，模具型腔体积小，切削量和切削力通常也较小。

所以小型模具往往可选用预硬化模具钢制造。

用户有时要求塑料模的交货期越短越好，采用铸造尤其是精密铸造方法制造塑料模是缩短加工周期的好方法．此时常需选择特别适于精铸成形的铝合金或锌合金。

对干钢制塑料模，若选用易切削预硬化钢，也可大大缩短制模周期。

2．塑料模具辅助零件的材料选用

塑料模具的辅肋零件，因其抛光性、耐蚀性等要术较低，所以可选用常用的塑料模具钢材，经过合理的热处理，使用性能完全能达到要求，因此降低了模具造价。

部分模具零件的村材料选用举例及热处理要求见表4-9。

二、塑料模具的热处理特点

1．塑料模具的热处理基本要求

（1）合适的工作硬度和足够的韧性根据塑料模具的工作条件，模具经过热处理应获得适中的硬度和足够的强韧性。

不同种类的塑料模的工作硬度要求见表表4-10

（2）确保淬火微小变形为使塑料模具达到精度要求，要确保热处理变形极小。

淬火时，首失要考虑防止模具型腔发生翘曲变形，为此对变形量作了一定的限制，有关数据见表4－11。

（3）表面无缺陷易于抛光塑料模型腔面的光洁程度要求较高，在热处理过程中，应特别注意保护型腔表面，严格防止表面产生各种缺陷（如加热淬火留下的氧化皮痕迹，表面受到侵蚀、脱碳或增碳、残余奥氏体量过多等），否则将给下一步抛光工序造成困难，甚至元法抛光。

（4）确保强度要求尤其是热固性塑料模，受载较重，并且长时间受热，周期性受压。

因此，要求模具在热处理后，保证有足够高的抗压塌和抗起皱纹的能力，即要保证强度要求。

2．塑料模具的热处理特点

（1）渗碳钢塑料模的热处理为使塑料模成形件或其他摩擦件有高硬度、高耐磨性和高韧性，在工作中不致脆断，所以要选用渗碳钢制造，并进行渗碳、淬火和低温回火作为最终热处理。

①渗碳技术要求压制含硬质填料的塑料时．模具的渗碳层厚度要求为1.3－1.5mm；压制软性塑料时．渗层厚度为0.8-1.2mm；带尖角、薄边等模具，渗层厚度为0.2~0.6mm。

渗碳层的含碳量以0.7％~1.0％为宜。

渗层组织中应避兔出现粗大的未熔碳化物、网状碳化物，过量的残余奥氏体等。

②渗碳工艺方法以采用分级渗碳工艺为宜，即在温度为900~920℃，保温1~l.5h进行高温快速渗碳，而在温度为中温820~840℃；保温2－3h渗碳以增加渗碳层厚度。

对于碳素钢模具，分级渗碳后，需重新加热淬火；对于优质诊渗碳钢模具，分级渗碳后可直接空冷淬火，但应注意此工艺会使型腔表面氧化，应在通入压缩氨气的“冷井”中空冷，以保护表回防止氧化。

对于用低碳钢和工业纯铁冷挤压戌形的小型精密模具，单用渗碳淬火处理硬度和耐磨性往往不够，但用中温碳、氮共渗后直接淬人温度为l00~120℃的热油中冷却，则硬度提高，变形减小。

（2）淬硬钢塑料模的热处理淬硬钢塑料模热处理时要注意两点，首失，形状比较复杂的模具，在粗加工后就进行热处理时，必须保证热处理变形最小：

对于情密模具，变形应小于

0.05％。

其次，注意保护型腔面的光洁程度，力求通过热处理使金属内部组织达到均匀。

为达到以上要求，在热处理时应采取适当的工艺措施。

①淬火加热应在保护气氛炉中或在严格脱氧后的盐浴炉中加热。

考虑模具多是单件生产，若采用普通箱式电阻炉加热，应在模腔面上涂保护剂。

②在淬火加热时，为了减小热应力，要控制加热速度。

特别对于合金元素含量多，传热速度较慢的高合金钢和形状复杂、断面厚度变化比较大的模具零件，一般要经过2、3级的预热。

③在淬火冷却时，为减小冷却变形，在淬硬的前提下应尽量缓冷，如对合金工具钢多采用热浴等温淬火，或者预冷淬火等。

④淬火后应及时回火，回火温度一定要高于模具的工作温度，并且要避开可能出现回火脆性的温度区间；回火时间应足够长，以兔因回火不充分使模具出观堆塌变形；回火时间长短视模具的材料和断面尺寸而定，至少要在40~60min以上。

常用淬硬钢塑料模的推荐淬火加热温度和塑料模淬火介质的选择见表4-12和表4-13。

（3）预硬钢塑料模的热处理预硬钢是以预硬态供货的，一般不需热处理直接加工使用，但有时需对供材进行改锻，改锻后的模坯必须进行热处理。

预硬钢的预先热处理通常采用球化退火，目的是消除锻造应力，获得均匀的球状珠光体组织，降低硬度，提高塑性，玫善模具的切削加工性能或冷挤压成形性能。

部分预便化钢的退火工艺见表4-14。

预硬钢的预硬处理工艺简单，多数采用调质处理，由于这类钢淬透性良好，淬火时可采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。

为满足模具的各种工作硬度要求，高温回火的温度范围很宽。

调质后获得回火索氏体组织，硬度均匀。

部分预硬钢的预硬处理工艺见表4-15。

（4）时效硬化钢塑料模的热处理时效硬化钢的热处理工艺分两步基本工序。

首先进行固溶处理，即把钢加热到高温，使各种合金元素溶人奥氏体中，完成奥氏体化后淬火获得马氏体组织。

第二步进行实效处理，利用时效强化达到最后要求的力学性能。

固溶处理一般在盐浴炉、箱式炉中进行，加热系数分别可取1min／mm、2~5min／mm，淬火来用油冷，淬透性好的钢种也可空冷。

如果锻造模坯时能准确控制终锻温度，锻造后可直接进行固溶淬火。

时效处理最好在真空炉中进行，若在箱式炉中进行，为防模腔表面氧化，炉内需通保护气氛，或者用氧化铝粉、石墨粉、铸铁屑，在装箱条件下进行时效。

装箱保护加热要适当延长保温时间，否则难以达到时效效果。

部分时效硬化型塑料模具钢的热处理规范见表尽4-16。

三、塑料模具的表面处理

为了提高塑料模表面耐磨性和耐蚀性等，常对其进行适当的表面处理。

塑料模镀铬是一种应用最多的表面处理方法。

镀铬层在大气中具有强烈的钝化能力，能长久保持金属光泽，在多种酸性介质中均不发生化学反应。

镀层硬度达1000HV，因而具有优良的耐磨性；镀层还具有较高的耐热性，在空气中加热到500℃时其外观和硬度仍无明显变化。

渗氮具有处理温度低、模具变形甚微和渗层硬度高等优点，因而非常适合塑料模的表面处理。

已含有铬、铝、钒等合金元素的钢比碳钢有更好的渗氮住能，用作塑料模时可大大捏高耐磨性。

适于塑料模的表面处理方法还有氮碳共渗、化学镀镍、离子镀氮化钛、碳化钛或碳氮化钛，等离子化学气相沉积（PCVD）法沉积埂质膜或超硬膜等。

我们简单介绍镀铬和渗氮这两种表面处理的方法。

1.电镀

电镀的历史悠久，这项技求现在已成为现代模具表面处理技术的重要组成部分。

电镀基本原理是使用电化学的方法在金属或非金属制品表面沉积金属或合金层。

电镀时，将被镀的模具工作零件和直流电源的阴极相连，要镀覆的金属（镀铬除外）和直流电源的阳极相连，并放在盛有电镀液的槽糟中。

当电源与镀槽接通时，在阴极上沉积欲镀的金属层。

电镀装置示意图如图6—3所示。

电镀工艺通常包括镀前表面处理、电镀、镀后处理三部分。

镀前处理主要是去油除锈和弱浸蚀处理。

弱浸蚀处理是把工件放入弱酸中浸蚀一段时间，以消除工件表面上形成的轻微氧化膜，提高镀层与基体金属的结合力。

镀前处理必须严格进行，否则难以获得高质量的镀层。

镀后处理主要包括冷、热水洗、干燥等。

模具经过电镀后，改善了外观，提高了表面耐蚀性和耐磨性，而且还具有较高的耐热性。

若采用合金镀或复合镀还可获得某些特殊的表面特性。

在模具上应用较多的是镀硬铬的方法镀饺硬铬层硬度高达900－1209HV，耐磨性好，耐蚀性好，且镀层光亮，不粘附。

镀铬工艺简便，还可用于尺寸超差模具的修复。

镀铬层一般为0.03~0.30mm，如果镀层过厚，在模具承受强压或冲压财，镀层易剥落，效果反而不好，所以镀硬铬不适宜冷冲模和冷墩模，只适合于加工应力较小的拉深模、塑料模等。

镀硬铬工艺参数一般为，镀液配方：

铬酐（CrO3）140－160g／L，硫酸1.4－1.6g／L；工艺条件是：

温度为57~63℃，电压为12V，电流密度为45－50A／dm2。

镀硬铬效果明显，如塑料果筐锌基合金注射模，未镀铬时，模具生产产品10000件，表面划伤严重，如果在其表面镀一层硬铬，其表面将得到强化，在几十万次内无明显划痕，模具寿命大大提高。

一般钢制模具经镀硬铬后，其寿命也可提高3-5倍。

2．渗氮

渗氮也称氮化，它是在一定温度下（一般在Ac1以下）,使活性氮原子渗人模具工作表面并向内扩散，形庞氮化物层的工艺过程。

渗氮是摸具上应用最广的一种表面处理方法，几乎适用于所有类型的模具。

（1）渗氮特点

①具有高的表面硬度（高达l000－1200HV）及耐磨性，并能保持到600℃左右而不明显下降。

②具有高的疲劳抗力和耐腐蚀性。

③渗氮处理温度低。

渗后不再进行其他热处理，所以工件变形小，适合精密模具的表面强化。

④渗氮层浅（<0.7mm），脆性较大，只适合于含铬、钼等合金钢。

（2）渗氮方法目前，应用的渗氮方法主要是气体渗氮和离子渗氮。

①气体渗氮将已除油净化了的模具零件置干通有氨气的井式渗氮炉内，加热至渗氮温度后保温。

氨在加热温度下将分解出活性氮原于，被工件表面吸收而形成固溶体和氮化物。

渗氮工艺有一段渗氮、二段渗氮和三段渗氦等。

一段渗氮是在同一温度下（一般为480－530℃，长时间保温的渗氮过程；二段渗氮法是先采用较低的温度（一般为490－530℃）渗氮一段时间，然后提高渗氮温度（一般为535~560℃）再惨氮一段时间。

二段渗氮是目前生产中采用比较普遍的方法。

与一段渗氮法比较，优点是渗碳速度较快，渗氮层脆性较小，但缺点是渗层硬度较低。

三段渗氮是指一段在490－520℃时渗氮，一段在560－600℃时渗氮，一段在520－540℃时渗氮。

该种方法具有较高的渗氮层硬度和较短的渗氮周期，但渗氮层的组织比较粗大。

氨的分解是重要的工艺参数，一般控制15％－50%，具体参数视工艺方法而定。

渗氮保温时间较长，主要取决渗层厚度和渗氮温度，一般为10－30h。

当采用二段渗氮时，可按趴0.01－0.012mm/hh汁算。

部分模具钢的渗氮工艺规范见表6-3。

②离子渗氮离子渗氮是辉光离子渗氮的简称。

这种方法是将渗氮的工件放在密闭的真空容器（离子渗氮炉，见图6-1）内加热到350~570℃，真空度为2.6Pa，达到这一真空度后，充人一定比例的氮、氢混合气体或氨气，气压在70Pa左右，以工件为阴极，在真空容器内相对一定的距离设置阳极，在两极上加以400－1000V的直流电压，使之产生辉光放电，根据渗氮温度的不同，电流密度一般为0.5－3mA／cm2。

在高压电场作用下气体介质发生电离，产生高能离子，并以极高的速度轰击工作表面，使氮离子转换为氮原子而渗人工件表面，然后经过扩散而形成渗氮层。

由于氮气电离发出浅紫色辉光，因此称为辉光离于渗氮。

与气体渗氮相比，离子渗氮层的韧牲和疲劳强度显著提高，井且渗氮速度快，获得同样厚度的渗层只需气体渗氮时间的1／2－l／4；工件变形小，对村料的适应性强，各种钢材、铸铁和有色合金都能进行离子渗氮。

（3）渗氮在模具中的应用渗氮常用于受冲击作用较小的压铸模、塑料模、热挤压模、冷冲压模等。

由于气体渗氮受到钢种的限制，现已逐渐由离子渗氮、氮碳共渗、真空渗氮取代所以离子渗氮在模具上的应用更广，使用效果也更好，部分模具钢的离子渗氮工艺与使用效果见表6－4。

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