{数控模具设计}第四章塑料模具用钢12)

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1、第四章 塑料模具用钢,随着社会的发展、科技的进步，塑料制品种类越来越多，其应用范围涵盖了工业、农业、国防航空航天等各个部门。塑料制品是用模具生产的。 由于塑料本身的性能差别很大，且加工时使用的方法也有差异，因此对模具的性能要求也不一致，这些要求在设计模具时应当考虑到。 合理的模具材料应能满足各种具体的性能要求，并可以通过表面处理的方式进一步提高和改进某些性能。,精致的塑料制品,4-1 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

2、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。,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。,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

3、较明显。 腐蚀 融溶的物料中有HCI、HF等腐蚀性气体。,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,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。,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

4、得粗糙，在使用的过程中就会加剧模具的磨损。,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,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。,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，

5、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。,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。,良好的热处理工艺性 淬透

6、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。,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。,4-2 塑料

7、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：,调质型塑料模具钢 渗碳钢 淬火钢 预硬型钢 时效型 耐腐蚀型 其他,塑料模具钢的种分类,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

8、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。,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。,2、渗碳钢（用于冷挤压成型的模具） 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

9、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。,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。,渗碳钢芯部的

10、强度取决于C含量和合金成分的含量。 目前在模具制造中使用的渗碳钢主要可以分为2类，即碳素渗碳钢和合金渗碳钢。 碳素渗碳钢主要有10#、20#； 合金渗碳钢主要有20Cr、12CrNi、SM1CrNi3(12CrNi3A) 、12CrNi4A、0Cr4NiMoV(LJ),1) 0Cr4NiMoV(LJ) 性能和成分 含C量很少（含碳量0,08%），因此塑性很好，变形抗力低。 合金元素主要以Cr为主，此外还有Ni、Mo、V等。这些合金元素的主要作用事提高材料的渗碳能力和淬透性，从而增加渗碳层的硬度和耐磨性以及芯部的强韧性。,工艺性能 良好的锻造工艺性 塑性好、变形抗力低、锻造温度范围宽（1200-

11、900） 良好的冷挤压成型能力 材料在退火状态时硬度低、塑性好、变形抗力低，挤压后尺寸和形状精度高，表面光洁。 渗碳速度快、深层厚度深 淬火后“内软外硬”，表层硬度可以达到58-60HRC，芯部硬度可以达到27-29HRC。 使用性能 渗碳层深度比较深，基体强度高，不会出现表面塌陷等现象，用来代替10#、20#钢,2）SM1CrNi3 成分及特点： 含C量比较少（比LJ多）；合金成分中含有Cr、Ni等，其主要作用是提高钢的淬透性和渗C层的强韧性 工艺性能： 锻造性能良好 塑性良好，变形抗力也不大，锻造温度范围宽（1150-850）。 渗C能力较强 渗C层厚度可达到0,9-1mm。 挤压工艺性能

12、一般，用来挤压型腔较浅的模具。 热处理后，模具的表面硬度可以达到56-62HRC，芯部可达到250-280HBS，且变形小，因此可以用来制造尺寸较大的塑料模具。,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、9

13、CrSi、9Mn2V、CrWMn、Cr12MoV等。,4、预硬钢 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。,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

14、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。,SM3Cr2Mo (P20) P20是一种应用很广泛的塑料模具材料，这种材料具有很好的综合性能，特别是抛光性能很好，预硬硬度可以达到30-36HRC。可以直接进行机械加工，加工后可对进行表面处理，比如镀铬、渗N等，以提高材料表面的耐磨性能。可以用在几乎各种塑料模具的制造中。 改良型的材料主要是为了提

15、高材料在某些方面的性能。,国内生产的B20、B20H、B30、B30H和B30G等也属于这类材料。 这类材料加入了一定量的合金元素，如Cu、Ni、Mo、V等，材料的抛光性能、焊接性能和耐腐蚀性能方面有较大改善，材料以预硬状态供货，具有良好的表面处理性能。主要用在尺寸稍微大、精度要求低塑料件的模具中。,5、时效硬化型钢 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，

16、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。,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。,18Ni类钢的化学成分和力学性能,6、耐腐蚀型 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