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1、武汉软件工程职业学院,机械制造工程系 模具材料,第五章 塑料模具材料,塑料模具材料,51 塑料模具的工作条件、失效形式与性能要求 52 塑料模具材料的选用 5.2.1 渗碳型塑料模具钢 5.2.2 调质型塑料模具钢 5.2.3 淬硬型塑料模具钢 5.2.4 预硬型塑料模具钢 5.2.5 时效硬化型塑料模具钢 5.2.6 耐蚀塑料模具钢 5.2.7 其它塑料模具材料 53 塑料模具钢的选用及热处理,塑料模具材料,随着塑料制品在工业及日常生活中的应用越来越广泛,塑料模具工业对模具钢的需求也越来越大。在塑料成型加工中,模具的质量对产品质量的保证作用是不言而喻的。 塑料模具目前已向精密化、大型化和多腔
2、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。,塑料模具材料,5.1.1 塑料模具的分类与工作条件,（1）塑料模具的分类,按照塑料制品的原材料的性能和成型方法，可以把塑料模具分为两大类： 热固性塑料模 热塑性塑料模：,5.1 塑料模具的工作条件、失效形式与性能要求,按照成型方式的不同，可以把塑料模分为： 注射成型模；压缩成型模； 挤压成型模；气动成型模。,塑料模具材料,（2）塑料模的工作条件,热固性塑料压缩模：热固性塑料压缩模的工作温度一般为160-250,工作时型腔承受的压力大，一般为160-200MPa,个别要
3、达到600MPa。工作时型腔面易磨损，并承受一定的冲击负荷和腐蚀作用。用这类模具压制各种胶木粉制作时，在原材料中加入一定量的粉末填充剂，并在热压状态下成型，所以热负荷和机械负荷都较大，而填充剂致使型腔磨损也较严重。,塑料模具材料,热塑性塑料注射模：热塑性塑料注射模的工作温度在180以下，承受的工作压力和磨损不像在压缩模那么严重，有些塑料在加热以后的熔融状态能分解出HCl和HF气体，对模具型腔面有较大的腐蚀性。塑料在加热成型时一般不含固体填充料或含固体填充料的很少，所以，注入型腔时对型腔磨损小。如果含有玻璃纤维填料，则大大加剧对流道和型腔的磨损。,塑料模具材料,5.1.2 塑料模具的失效形式,塑
4、料模具的失效形式主要有磨损，腐蚀，变形和断裂等。,磨损：热固性塑料对模具表面产生严重摩擦，结果导致模具表面拉毛，粗糙度变大而失去光泽，这会影响塑料制品的外观质量。在此情况下，模具应定期卸下抛光，经过多次抛光后，型腔尺寸将会超差而失效。特别是塑料中含有云母粉，硅砂，玻璃纤维等固体有机填料时，会明显加剧型腔的磨损，不仅会使型腔表面粗糙度值增加，也会使模具型腔尺寸变化。,塑料模具材料,腐蚀：塑料模受腐蚀后将会导致模具表面的腐蚀磨损，从而加剧其磨损效应。,变形：模具在持续受热，受压条件下工作后，会发生局部塑性变形而实效，例如：生产中常用的渗碳钢或碳素工具钢制胶木模，在菱角处受负荷最大而产生塑性变形，出
5、现表面起皱，凹陷，麻点甚至棱角塌歪等；或者分型面变形间隙扩大导致飞边增大而使塑件报废。如果是小型模具在大吨位压力机上超载使用，更容易出现这种失效形式。,塑料模具材料,断裂：塑料模多数形状复杂。存在许多凹角，薄边等。这些部位易造成应力集中，当韧性不足时，就会导致开裂。断裂的主要原因是由于结构，温差而产生的结构应力，热应力，或因回火不足，在使用温度下，残余奥氏体转变为马氏体，引起的局部体积膨胀，在模具内部产生的组合应力所致。,塑料模具材料,5.1.3 对塑料模具材料的性能要求,较高的耐热性： 足够的强度和硬度 良好的耐磨性 良好的耐蚀性,良好的切削加工性 良好的镜面抛光率 良好的电加工性 良好的花
6、纹图案光蚀性,塑料模具材料,5.2 塑料模具用钢,5.2.1塑料模具用钢的分类,表1 塑料模具用钢分类,塑料模具材料,5.2.2 渗碳型塑料模具用钢,渗碳型塑料模具用钢主要用于冷挤压成型的塑料模。,为了便于冷挤压成型，这类钢在退火态需有高的塑性和低的变形抗力，成型复杂型腔时，退火硬度要低于100HBS，成型浅型腔时，其退火硬度要低于160HBS。,因此，对这类钢要求有低的或超低的含碳量，同时钢中加入能提高淬透性而固溶强化铁素体效果又小的合金元素，如Cr，Ni。为了提高耐磨性，这类钢在冷加压成型后一般都进行渗碳和淬火处理，表面硬度可达5862HRC。,塑料模具材料,10钢，20钢是最简单，最便宜
7、的渗碳钢，经渗碳后虽然表面有高强度，高耐磨性，但因为淬透性差，心部强度低，故只适宜于承受载荷较小，要求不高的塑料模具。对于截面大，承受重载荷的用渗碳钢制造的塑料模具，必须根据实际使用，采用不同级别的合金渗碳钢。,常用的渗碳型塑料模具钢主要有20,20Cr， 12CrNi3A 和12Cr2Ni4A钢，以及国内最新研制的冷成型专用钢0Cr4NiMoV（LJ），LJ钢用于冷挤压塑料模具的专用钢种。,塑料模具材料,（1）20Cr,该钢使用于制造中、小型塑料模具。为了提高模具型腔的耐磨性，模具成型后一般需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回火，从而保证模具表面具有很高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性
8、。对于使用寿命要求不很高的模具，也可以直接进行调质处理,表2 20Cr钢的化学成分/%,塑料模具材料,20Cr钢比相同含碳量的碳素钢的强度和淬透性都明显地高，油淬到半马氏体硬度的淬透性为2023mm。这种钢淬火低温回火后具有良好的综合力学性能，低温冲击韧性良好，回火脆性不明显。该钢渗碳淬火表面强化处理后，模具表面获得细针状的马氏体，硬度为5862HRC；心部获得低碳马氏体组织，硬度在3540HRC。渗碳时钢的晶粒有长大倾向，所以要求二次淬火以提高心部韧性，不宜降温淬火。,塑料模具材料,（2）12CrNi3A,12CrNi3A钢属于合金渗碳钢，含C量较低，且含Ni较多，有利的提高了该钢的韧性和淬
9、透性，12CrNi3A比12CrNi2A钢有更高的淬透性，因此，可以用于制造比12CrNi2A钢截面稍大的零件，适宜冷挤压成型。主要用于冷挤压成型的形状复杂的浅型腔塑料模具和大，中型切削加工成型的塑料模具。,表3 12CrNi3A钢的化学成分/%,塑料模具材料,该钢淬火低温回火或高温回火后都具有良好的综合力学性能，钢的低温韧性好，缺口敏感性小，切削加工性能良好，当硬度为HB260320时，相对切削加工性为60%70%。另外，钢退火后硬度低、塑性好，因此，既可以采用切削加工方法制造模具，也可以采用冷挤压成型方法制造模具。,为提高模具型腔的耐磨性，模具成型后需要进行渗碳处理，然后再进行淬火和低温回
10、火，从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性而心部具有很好的韧性，该钢适宜制造大、中型塑料模具。但该钢有回火脆性倾向和形成白点的倾向。,塑料模具材料,（3） 0Cr4NiMoV（LJ）,（3） 0Cr4NiMoV（LJ）,LJ钢是华中理工大学与大冶钢厂合作研制的一种冷挤压成型塑料模具钢。此钢有优良的退火软化能力，经常规退火后，硬度能降至HB100左右，具有很好的冷挤压成型能力。,表4 LJ钢的化学成分/%,塑料模具材料,LJ钢冷成型性与工业纯铁相近，用冷挤压的方式成型的模具型腔轮廓清晰，光洁，精度高。LJ钢具有良好的锻造性能和热处理工艺性。退火硬度为100-105HBS，可顺利的进行冷挤压成型，L
11、J钢渗碳速度快，渗层深度比20钢多高一倍。通过固体渗碳工艺，表面硬度达5860HRC，心部硬度为2729HRC，热处理变形微小。,LJ钢主要用来替代10钢，20钢及工业纯铁等冷挤压成型的精密塑料模。由于渗碳淬硬层较深，不会出现型腔表面塌陷和内壁咬伤的现象，使用效果良好。,塑料模具材料,6.2.3 预硬型塑料模具钢,6.2.3 预硬型塑料模具钢,5.2.3 预硬型塑料模具钢,所谓预硬型塑料模具钢就是供应时已预先进行了热处理，并使之达到模具使用态硬度，该硬度变化范围较大，较低硬度为2535HRC，较高硬度为4050HRC，在这些硬度条件下把模具加工成型后，不再进行热处理而直接使用，避免由于热处理而
12、引起的模具变形和开裂，从而保证了模具的制造精度。,塑料模具材料,我国近年研究的预硬型塑料模具钢，大多数是以中碳钢为基础，加入适量的Cr，Mn，Ni，Mo，V等合金元素制成。为了解决在较高硬度下切削加工难度大的问题，通过向钢种加入S，Ca，Pb，Se等元素，以改善切削加工性能，从而制得易切削预硬钢，它们可使模具在较高硬度下顺利完成车，钻，铣，镗，磨等加工过程。有些预硬钢可以在模具成型后进行渗氮处理，在不降低基体使用硬度的前提下使模具的表面硬度和耐磨性显著提高。,塑料模具材料,常用的预硬型的塑料模具钢可以分为两类：一类是结合塑料模具要求单独开发的钢种，如3Cr2Mo(美国)，3Cr2MnNiMo（
13、瑞典）钢等；另一类是借用合金结构钢和一些热作模具钢的成熟钢号，如40Cr，42CrMo，3CrMnSiNi2A，5CrNiMo，5CrMnMo，4Cr5MoSiV1,4Cr5MoSiV等。,塑料模具材料,（1）3Cr2Mo(P20)系列钢,3Cr2Mo(P20)系列钢中的主要钢种及化学成分见表5，由表可见，该系列钢属于中碳合金钢。,表5 部分3Cr2Mo系列钢的成分,塑料模具材料,3Cr2Mo钢 该钢与美国通用型塑料模具钢P20是同一类型钢。生产中多采用电炉熔炼，真空除气和特殊脱氧处理，因此，钢的纯净度较高。不仅镜面抛光性比较好，而且力学性能均匀。该钢含Cr，Mo量较高，故淬透性好，通常采用调
14、质预硬处理，预硬硬度为3036HRC。为了增加表面耐磨性，可以在成型加工后进行表面处理，如镀Cr，渗碳处理等。,该钢主要用于中，小型或大型复杂，精密塑料模。,塑料模具材料,3Cr2NiMo(P4410) 该钢是P20的改进型，即在3Cr2Mo钢的基础上添加质量分数为1.8%1.2%的Ni，由于Ni的作用，该钢具有更高的淬透性，强韧性和抗蚀性。该钢采用真空脱气，钢包喷粉精炼。钢锭经水压机 后进行粗加工，再经超声波探伤后进行调质热处理。因此，该钢纯净度高，组织致密，镜面抛光性好，表面粗糙度Ra值达0.010.005um。该钢调质预硬化处理硬度为3236HRC，具有良好的车，铣，磨等加工性能。,塑料
15、模具材料,可采用局部淬火的方法：采用火焰对局部表面加热至800825，然后空冷或用压缩空气冷却，使局部表面淬硬至5662HRC，以增加模具的使用寿命。该钢的焊接性良好，模具局部损坏可用补焊法修补。,PP4410镀Cr后。镀层与基体金属结合良好，表面硬度可达1000HV，可显著提高模具的耐磨性和耐蚀性。 该钢主要用于优质预硬型截面厚度250mm的塑料制品，如电视机外壳，洗衣机面板等。,塑料模具材料,（2）5CrNiMnMoVSCa（5NiSCa）,5CrMnNiMoVSCa钢的化学成分w/%,该钢属于S，Ca复合系易切削预硬化模具钢，其Wc为0.57，合金元素总质量分数小于4%。该钢采用喷射冶金
16、技术，从而消除了硫化物分布不均导致的有害影响，有效地提高了该钢的韧性，均匀性和等方向性。研究表明，硫化物夹杂不影响钢的镜面抛光性，因此该钢不仅具有良好的切削加工性，而且镜面抛光性也好，蚀刻花纹图案清晰逼真，并在使用中又较强的保持模具镜面的能力。,表7 6CrMnNiMoVSCa钢的化学成分w/%,塑料模具材料,5NiSCa钢预硬化处理后的硬度为3545HRC，在次预硬状态下可顺利进行各种机械加工，镜面抛光后表面粗糙度Ra值可达到0.050.025um。抛光后的模具，置于大气中容易锈蚀氧化，应及时镀Cr或渗氮处理，既保护型腔表面，又增加表面硬度和耐磨性。,5NiSCa钢可用于制作型腔复杂，精密的大，中，小型注射模，橡胶模和胶木模。模具质量和寿命超过P20系列钢，接近进口模具的先进水平，如5NiSCa钢制的透明窗模具，预硬硬度为40HRC，表面粗糙度与进口P20相同，寿命50万件，进口P20同类模具寿命仅为20万件。又如：5NiSCa制的磁带内盒模具，预硬硬度为4045HRC
