《新型塑料模具钢及其热处理_刘波》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新型塑料模具钢及其热处理_刘波（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、新型塑料模具钢及其热处理 刘 波 * 黄晓艳 (镇江高等专科学校 ) (镇江船艇学院 ) 摘 要 随着塑料工业和模具工业的突飞猛进,对塑料模具提出了越来越高的要求, 从而促 进了塑料模具钢的不断发展。分析了塑料模具钢的工作条件,提出能满足塑料模具钢工作条 件的性能要求。介绍了渗碳型、预硬型、时效硬化型和耐蚀型等新型塑料模具钢的性能特 点、应用及热处理工艺, 分析了我国塑料模具钢的现状与发展。 关键词 塑料 模具钢 热处理 近年来, 塑料制品在工业及日常生活中的使用 极为广泛,塑料制品的 80 % 90 % 都要用模具来 生产制造。为了适应新型塑料制品的发展和应用范 围的扩大,塑料模具的需用量迅
2、速增加,同时对塑 料模具钢提出了特定性能要求, 致使国内、外科技 工作者研究开发出更多、更好的性能优良的专用塑 料模具钢。 1 塑料模具钢的工作条件和基本性能要求 111 塑料模具钢的工作条件 ( 1) 工作温度。不论是热固性塑料还是热塑性 塑料,其压制成形温度通常是在 200 250e 。 ( 2) 受力情况。对于普通热塑性注射模具, 其 型腔承受的成形压力约为 25 45MPa ; 对某些热 塑性工程塑料的精密注射模,成形压力有时可达 100MPa ; 对热固性注射模, 型腔承受的成形压力 约为 30 70MPa 。 ( 3) 摩擦磨损。注射模和浇注系统会受到熔融 塑料对其流动摩擦和冲击;
3、 脱模时还受到固化后的 塑料对其产生的刮磨作用。这些都导致模具型腔表 面发生一定程度的磨损,特别是在成形带有玻璃纤 维等硬度填料的塑料时,磨损现象更加严重。 ( 4) 腐蚀作用。 高温塑料分解后挥发出腐蚀性 气体, 如成形聚氯乙烯、阻燃型或难燃型塑料 (如难 燃型 ABS等 )以及氟塑料时, 高温分解出的 HCl 、 SO2和 HF等气体均对模具型腔产生腐蚀作用。 112 塑料模具钢的基本性能要求 根据塑料模具钢的工作条件, 要求塑料模具钢 应具备足够的强度、一定的韧性、良好的抗磨损性 能、热处理变形要小等 1。塑料模具钢还要求具 有镜面加工性能,塑料制品的表面粗糙度值要求很 低,因此模具的表
4、面必须加工成镜面,这就要求该 钢中的夹杂物要少, 偏析小, 组织致密, 且硬度高 (一般为 45HRC以上 ),才能使模具表面的粗糙度 长期保持不变。对于具有腐蚀性的塑料, 其模具用 钢还要求有抗腐蚀性能。 2 新型塑料模具钢及其热处理 我国过去无专用塑料模具用钢, 近年来在国家 有关部委的支持下, 科技工作者和许多单位针对不 同用途,在引进国外塑料模具用钢的同时,自行研 制和开发出一些性能优异的新型塑料模具钢。笔者 就目前的部分新型塑料模具钢的特点及热处理工艺 作一简要介绍。 塑料模具钢按其使用特性分为四种类型: 渗碳 型、预硬型、时效硬化型、耐蚀型。这些类型的塑 料模具钢中,有的已纳入有关
5、技术标准, 有的是借 用其他标准,有的则尚未纳入标准。 211 渗碳型 渗碳钢退火后硬度低 ( 100 105HBS) , 塑性 * 刘波, 男,1972年生, 讲师。镇江市,212003 。 48新型塑料模具钢及其热处理 好, 具有优异的冷挤压成形性能。这类钢在冷挤压 成形后进行渗碳、淬火、低温回火,具有生产效率 高、制造周期短、模具精度高等优点。典型的钢种 有美国 P系列低碳模具钢、德国 X6Cr Mo4钢 (W c 0107 % )、瑞典 的 8416 和国产的 08Cr4NM i oV ( LJ)钢等 2。LJ钢的化学成分如表 1所示 3。 表 1LJ钢的化学成分 (% ) 钢号CM
6、nSiCrN iM oV LJ钢0108 013 % 0123150150140112 LJ钢中由于加入了提高淬透性和渗碳能力的 合金元素 Cr 、Ni 、Mo 、V 等,增加了渗碳层的硬 度和耐磨性以及心部的强韧性。冷挤压成形后经渗 碳淬火和低温回火,表面可得到回火马氏体及少量 残余奥氏体上均匀分布着粒状碳化物。心部是针状 铁素体、M) A岛和多边形铁素体的混合组织 4, 从而保证模具表面具有高硬度、高耐磨性。心部具 有较强的韧性,可更好地用于制造形状复杂和受载 荷较高的塑件成形模具。 LJ钢的热处理工艺曲线如图 1所示。 图 1 LJ钢的热处理工艺曲线 212 预硬型 预硬钢是指将热加工的
7、模块,预先热处理 (通 常是调质处理 ),以获得所要求的性能, 再进行刻 模加工,待模具成形后, 不再进行最终热处理就可 以直接使用。有些预硬钢可以在模具加工成形后进 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。预硬钢避免了由 于热处理而引起的模具变形和裂纹问题, 最适宜制 作形状复杂的大、中型精密塑料模具。 21211 预硬钢的性能特点及应用 一些典型预硬钢的化学成分如表 2所示 5。 3Cr2 Mo ( ASTM - P20) 和 3Cr2MnNM i o( ASSAB - 718)钢是国内、外广泛使用的预硬钢,已列入合 金工具钢国家标准 GB/T 1299
8、) 2000 3。 3Cr2Mo 钢综合力学性能好, 淬透性高,可以使较大截面的 钢材获得较均匀的硬度,并具有很好的抛光性能。 模具表面光洁度高,适宜制造大、中型塑料模具, 如电视机、大型收录机的外壳及洗衣机面板盖等的 塑料模具。3Cr2MnNM i o钢是 3Cr2 M o钢的改进型, 在 3Cr2 M o钢中添加了质量分数为 018 % 112 % 的 Ni 。加入 Ni后进一步提高钢的淬透性、强韧性和 抗腐蚀性。调质后大模块的整个截面硬度更为均 匀,有很好的抛光性能和光洁度,适于制造特大 型、大型塑料模具 (模具厚度可大于 400 mm )和精 密塑料模具 6, 也可用于制造低熔点合金
9、(如锡、 锌、 铝合金 )用的压铸模。 为改善预硬钢的切削加工性能, 通常加入易切 削合金元素,得到易切削预硬化模具钢,如 P20S 、 P20SRe 、P20BSCa 、 5Cr NM i n MoVSCa(简称 5NiSCa)、 表 2部分预硬钢的化学成分 (% ) 钢号CM nSiCrN iM oVS其它 3Cr2 M o0128 014016 110012 018114 210)0 13 0155) 3Cr 2MnN M i o0132 014110 115012 018117 2 10185 1 1150 125 014) 0103) 8Cr2S0175 0 185113 1170
10、140213 216)0 15 0180011 01250108 01150 170 1110 W 5N i SCa0150 016018 112)018 1120180 1 1200 13 01600115 0130106 0115 01002 01008Ca Y55Cr NM i n MoVS ( S M1) 和8Cr2 Mn WMoVS ( 简 称 8Cr2S)等 7 。我国研制的 5N iSCa钢经调质处理后, 硬度在 35 45 HRC范围内,具有良好的切削加工 性能。该钢采用了 S) Ca复合易切削系和喷射冶 金技术, 改善了硫化物的形态、分布和钢的各向异 性, 在大 截面中硫化物
11、的 分布仍比 较均匀 3。 5N iSCa钢有高的淬透性,镜面抛光性能好,表面 粗糙度低 ( R a可达 012 011Lm ),使用过程中表 面粗糙度保持能力强,花纹蚀刻性能好 (清晰、 逼 真 ), 可用作型腔复杂、质量要求高的注射模、压 缩模、橡胶模、印制板冲孔模等。 P20BSCa钢的性 能与 5NiSCa钢相近,有较好的综合力学性能和材 料等向性, 淬透性高、工艺性好、价格低廉, 可用 于制作各种尺寸的注塑模,特别是大型和特大型塑 495化工装备技术 6 第 30卷 第 4期 2009年 料模具注塑模 4。 8Cr2S钢成分设计采用了高碳多 元少量的合金化原则, 提高了淬透性, 但耐
12、蚀性稍 差。该钢预硬化处理至 40 45 HRC,仍可采用高 速钢刀具进行车、铣、刨、镗等常规切削加工, 适 宜制造精密的塑料模具、胶木模具等。 S M1钢易切 削效果明显、性能稳定、低的粗糙度和高淬透性, 较好的耐蚀性和可渗氮等优点, 可用于大型镜面塑 料模或精密塑料模。 21212 预硬钢的热处理 ( 1) 预热处理 预硬钢的预先热处理通常采用等温退火,目的 是消除锻造应力; 改善组织,提高力学性能;调整 硬度,改善模坯的切削加工性能或冷挤压成形性 能。其退火温度如表 3所示。 表 3预硬钢的退火温度 ( e ) 钢号 加热温度 ( 2 4h) 等温温度 ( 2 4h) 硬度 HBW 3C
13、r 2M o850 ? 10720? 10207 241 HB W 3Cr2 M nN M i o850 ? 10700? 10 5N iSCa760 ? 10680? 10217 220HBS S M 1800680235HBS 8Cr2S800 ? 10)207 229HBS ( 2) 预硬化工艺 预硬钢的预硬处理工艺简单, 多数采用调质处 理, 调质后获得回火索氏体组织。由于合金元素的 加入,提高了钢的临界点和钢的淬透性,降低了过 热敏感性,提高了耐回火性。所以该类钢淬火时可 采用油冷、空冷或硝盐分级淬火。高温回火的温度 范围较宽,能够满足模具的各种工作硬度要求。表 4为部分预硬钢的预硬
14、处理工艺 5。 表 4预硬钢的预硬化处理工艺 钢号 加热温度 /e 冷却方式 回火温度 /e 预硬硬度 /HRC 3Cr 2M o850 880 油冷或 160 180e 硝盐分级 580 64028 36 3Cr2 M nN M i o830 860油冷或硝盐分级550 65035 41 5N iSCa860 920油冷600 65035 45 8Cr2S860 900油或空冷550 62042 48 S M 1830 850油冷620 66036 42 21213 时效硬化型 时效硬化钢一般含碳量较低, 模具坯料先经高 温淬火 (固溶处理 )后, 钢处于软化状态 (一般为 28 35HRC
15、),在低硬度下切削加工,成形后进行时 效处理, 可获得很高的综合力学性能。时效强化过 程引起的尺寸、形状变化极小,有效地保证了模具 最终尺寸和形状精度。该类钢往往采用真空冶炼或 电渣重熔, 钢的纯净度高,所以镜面抛光性能和光 蚀性能良好。时效硬化钢还可以通过镀铬、渗氮、 离子束增强沉积等表面处理方法来提高耐磨性和耐 蚀性, 适宜制作形状复杂、精度高、超镜面、大型 塑料模具。时效钢主要包括高镍马氏体时效钢和低 镍时效钢。 ( 1) 低镍时效钢 我国 研 制 的25Cr N i3MoAl 、 10N i3MnCuAM l o ( PMS)、 20CrNi3AM l n Mo( S M2)钢是低镍沉
16、淀硬化 型时效钢, 具有良好的冷热加工性能、综合力学性 能和镜面性能,用于制造使用温度在 300e 左右, 硬度为 30 45 HRC,要求高镜面,高精度图案蚀 刻性能好的热塑性塑料模具。表 5为某些低镍时效 硬化钢的化学成分 8。该类钢的热处理工艺一般 包括固溶处理 (淬火 )、高温回火 (亦称二次固溶处 理 )和时效处理三个步骤。 表 5 某些时效硬化钢的化学成分 (% ) 钢号CM nSiCr N3 M (日 )012601650 130114 NAK55(日 )01151155 013) 25Cr N i3 M oA l012501650 135116 PMS011011650 135)311 06钢 0106)1145 钢号N iM oA l其它 N3 M31501251 125) NAK553125013
