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1、第四节 塑料模具材料,引言 塑料的应用越来越广泛，产量按体积计算已经超过钢铁产量。 高性能塑料及制品的开发向精密化、大型化、复杂化发展，使塑料模具的工作条件愈加复杂和苛刻，对模具材料的性能要求也不断提高。 目前塑料模具设计和生产中普遍存在的问题：是选材不恰当，处理工艺不合理。许多设计人员在选择模具材料时，完全依据经验或手册选择材料，没有根据各种塑料模具的特殊性能要求来选材，使模具过早失效，或模具寿命大于预期计划，造成浪费。 塑料模按成型固化不同可分为热固性和热塑性成型塑料模。,热塑性塑料指具有加热软化、冷却硬化特性的塑料。我们日常生活中使用的大部分塑料属于这个范畴。加热时变软以至流动，冷却变硬
2、，这种过程是可逆的，可以反复进行。聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛，聚碳酸酪，聚酰胺、丙烯酸类塑料、其它聚烯侵及其共聚物、聚讽、聚苯醚，氯化聚醚等都是热塑性塑料。热塑性塑料中树脂分子链都是线型或带支链的结构，分子链之间无化学键产生，加热时软化流动冷却变硬的过程是物理变化。 热塑性塑料又可再区分为泛用塑料、泛用工程塑料、高性能工程塑料等三类。,热固性塑料 热固性塑料是指在受热或其他条件下能固化或具有不溶（熔）特性的塑料，如酚醛塑料、环氧塑料等。热固性塑料又分甲醛交联型和其他交联型两种类型。 热固性塑料第一次加热时可以软化流动，加热到一定温度，产生化学反应一交链固化而变硬，这种变化是不可
3、逆的，此后，再次加热时，已不能再变软流动了。热固性塑料的树脂固化前是线型或带支链的，固化后分子链之间形成化学键，成为三度的网状结构，不仅不能再熔触，在溶剂中也不能溶解。酚醛、服醛、三聚氰胺甲醛、环氧、不饱和聚酯、有 机硅等塑料，都是热固性塑料。 主要用于隔热、耐磨、绝缘、耐高压电等在恶劣环境中使用的塑料，大部分是热固性塑料，最常用的应该是炒锅锅把手和高低压电器。,热固性塑料模工作时塑料呈固态粉末料或预坯料，加入型腔并在一定温度下经热压成型。受力大，并有一定冲击，摩擦较大，热机械负荷及磨损较重。 热塑性塑料模是塑料呈拈流状态下通过注射、挤压等方法进入型腔加工成型的模具。塑变抗力小，受热受压受磨损
4、不严重。当加入固体填充料（例如玻璃纤维、石英粉等）时，磨损大大增加。塑料模具按成型方法分为：注射模具、压缩模具、挤出模具等，其中注射模具应用最广泛。 注塑成型过程：塑料（热塑性塑料或热固性塑料）在注射机料筒中加热到流动（可塑化）状态，以高压、高速将料筒内的粘稠塑料通过喷嘴等浇注系统注入模具，经保压、冷却，固化得到塑件。,一、塑料模具工作条件和主要失效方式 模具成型零件包括：凸模、凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等，它们直接和塑料接触。 1、工作条件 （1）注射压力40-150MPa,闭模压力80-300MPa或更高; （2）模具的工作温度为150250； （3）型腔表面承受摩擦和腐蚀作用； （
5、4）由敲击和碰撞作用。 2、失效形式：基本失效形式有表面磨损、变形及断裂。塑料制品的表面粗糙度及精度要求较高，表面磨损造成的模具失效比例较大，占到所有失效的70%以上。 1）磨损失效：主要表现为尺寸磨损超差，粗糙度因拉毛而变高，表面质量恶化或表面侵蚀。尤其是固态物料进入型腔时加剧磨损.,（2）塑性变形失效：表面皱纹凹陷、麻点、棱角堆塌等超过要求限度时，会造成失效。 （3）断裂失效：它的危害较大，主要发生在模具形状复杂、多棱角薄边、应力集中严重而韧性不足处。 3、模具零件的主要性能要求 （1）成型零件的主要性能要求成型零件要求具有一定的强度、表面耐磨性好、热处理性能好、淬火变形小，对带腐蚀性添加
6、剂成型的模具，应具有抗蚀能力。 （2）导向零件的主要性能要求：包括导向柱、导向套、限位导柱、顶板导柱及导等。使用起导向作用。开合模具时有相对运动，成型过程中要承受一定的压力，或偏载荷。要求表面耐磨性好，心部具有一定的韧性。 （3）浇注系统零件：包括浇口套、拉料杆、定位圈、分流锥等。工作条件与成型零件相近，要求具有良好的耐磨表面、耐蚀性和热硬性。,（4）顶出机构和抽芯机构零件：包括顶杆、复位杆、滑块型芯和斜导柱等。 这类零件要表面耐磨性好，并具有足够的机械强度。 （5）模体零件：包括各种模板、顶出板、固定板、模架垫板等。这些零件是成型制品中主要承力零件，因此要求具有较高的机械强度。 （6）紧固零
7、件：包括螺钉、螺母等标准件。 这类零件要求有足够的强度和刚度。,4、塑料模具材料的使用性能要求 （1）较高的硬度、耐磨性和耐蚀性； 硬度、耐磨性和耐蚀性要求，主要取决于塑料的性质和塑料制品的表面质量要求。,（2）较高的强度、韧性和疲劳强度； 塑料注塑成型的压力一般在39196MPa之间，闭模压力一般为注射压力的1.52倍，有时可达4倍左右。为使模具在使用过程中不发生变形，模具材料应具有较高的强度； 注塑模经常受到冲击或碰撞，尤其是尺寸较大、形状复杂的模具，应力集中状态复杂且应力集中较大，要求有较高的韧性；注塑模的工作频率较高，要求材料具有较高的疲劳强度. （3）尺寸稳定性 为保证塑料制品的成型
8、精度，具有较低的热膨胀系数和稳定的组织。 （4）热导性 由于高速注射成型塑料制品的需要，模具材料应具有良好的热导性，以使塑料制品尽快在模具中冷却成型。,4、注塑模材料的工艺性能要求 （1）切削加工性和表面抛光性模块退火后硬度一般以不超过227HBS为宜,且基体组织细密、均匀、夹杂物少，在硬化状态下易于抛光成镜面。 （2）塑性加工性 （3）电加工性 （4）热处理工艺及表面处理工艺性 （5）良好的镜面抛光性 二、塑料模具材料我国塑料模具材料主要是应用传统钢种，近年来研制了一些新型塑料模具钢，并引进一些国外通用的材料，逐渐完善塑料模具用材。 1、常用塑料模具材料 如表所列 注：近年，有资料报道用球墨
9、铸铁经正火后制造塑料模具型芯、型腔，可大大减少模具成型粗加工，且使用效果也较好。,2、塑料模具用钢的性能特点及热处理工艺 （一）渗碳钢 常用钢种： 1）碳素渗碳钢10、20钢，价格便宜，但淬透性差，热处理后心部强度低。适宜制造承载较小的、要求不高的塑料模。 2）合金渗碳钢20Cr，12CrNi2，2CrNi3，12CrNi4， 20Cr2Ni4等，他们的淬透性较高，可使用冷速缓和的淬火剂淬火，因此可减少热处理变形，适合于制造截面大、承载重的塑料模。 特点：有良好的切削加工性能，可采用冷挤压成型方法制造模具。经过渗碳、热处理后，模具型腔表面具有较高的硬度和耐磨性，而中心具有良好的强韧性。 应用：
10、用于冷压成型塑料模具或表面要求高硬度、高耐磨性的塑料模具。 热处理工艺注意要点 工艺路线：退火切削加工渗碳淬火回火精加工。,渗碳层厚度 ：含有粉末态物料、固体填充料的塑料模磨损较大，渗碳层较厚，1.31.5mm；对软性塑料模渗碳层较薄，为0.81.2mm；对有光齿或薄边塑料模，为防止渗透，渗碳层厚0.20.6mm。 渗碳层含碳量 ：%C ：0.71.0为佳，避免表层出现粗大碳化物、网状碳化物、过多的残余奥氏体、晶内氧化等缺陷，以防降低抛光性。 处理工艺：可进行渗碳或碳氮共渗处理，后者更耐磨、抗氧化、对耐蚀和抗粘料更优，尤其适宜氨基塑料模。 渗后淬火：不宜直接淬火，因为渗碳后晶粒较粗，一般渗后缓
11、冷后一次淬火，性能要求高的可二次淬火。对高合金渗碳钢可采用渗碳空冷高温回火淬火、回火处理，以减少残余奥氏体量、提高表层硬度、降低变形程度。 （二）调质钢1.特点(1) 成分上 含碳量中等,低、中等合金元素含量，具体由淬透性和,和强韧性要求决定。 （2）调质作为最终热处理，在调质前后进行粗、精加工，调质后一般不再进行其它热处理，既满足切削加工性能要求，又使变形开裂几率下降。 （3）调质后硬度不足，可再进行一次表面强化处理，如渗氮、离子渗氮、 碳氮共渗、镀铬等。低温处理，可使表面硬度大大提高，又可减少粘模现象。 常用钢种： 碳素调质钢 ： 45、50、55钢。价廉、加工性好、淬透性差，适合于小型塑
12、料制品、小批量生产塑料模。 合金调质钢：40Cr、4Cr3MoSiV、5CrNiMo、5CrMnMo等。强韧性好、耐磨性好。焊接、研磨、抛光、花纹刻蚀等加工性也较好。硬度可达4248HRC。适当增加硫、硒、钙时，可降低表面粗糙度值，提高切削加工性能（如5NiSCa）。 特点：由淬透性和强韧性要求选择材料。调质后一般不再进行其它热处理，既满足切削加工性能要求，又使变形开裂几率下降。,注：若调质后硬度不足 可再进行一次表面强化处理，如渗氮、离子渗氮、碳氮共渗等。 应用：多用于软质塑料成型模，如注塑模、挤压模等。 （3）冷作模具钢 1。包括冷作模具钢中的碳素工具钢、高碳低合金钢、高耐磨钢。 常用钢种
13、：碳素工具钢：T7A、T8A、T10A；低合金工具钢：9SiCr、CrWMn、GCr15等；高耐磨、高合金钢：Cr12型钢、高速钢、基体钢和某些热作模具钢， 特点 ：具有较高的硬度，较好的耐磨性、抛光性和电加工性能。但韧性较低，变形、扭曲和产生裂纹的倾向大。 应用：用于负荷较大的热固性塑料模具。 这类模具除要求型腔表面有高耐磨性外，还要求模具基体有较高强度、硬度和韧性，避免或减少模具在使用中产生塌陷、变形和开裂现象。碳素工具钢适合制造形状简单、尺寸不大、受力较小和变形要求不高的塑料模具；低合金工具钢适合制造形状复杂、尺寸较大和形状精度要求较高的模具。,工艺路线：球化退火预调质淬火低温回火。 淬
14、硬钢着重注意以下几个方面： 热处理后硬度通常在4550HRC以上； 淬火过程中要确保型腔表面不氧化、不脱碳、不侵蚀、不过热，冷却时应控制好冷却速度； 回火温度应高于模具的工作温度，回火时间应充分。 （4）预硬钢 常用钢种：3Cr2NiMo, 3Cr2Mo（P20）, 4Cr5MoSiV1、5CrNiMnMoSCa (5NiSCa)、8Cr2MnWMoVS(8Cr2S) %C：0.350.65之间，含有一定量的Cr、Mn、V等合金元素，保证较高的淬透性。属中碳低合金钢。 特点：在供应时已预先进行了热处理，切削加工后不再进行热处理而直接使用，避免由于热处理而引起的模具变形和裂纹问题。,应用：用于制
15、造型腔复杂、精密，使用寿命要求高的大、中型塑料模具。其中，4Cr5MoSiV1除具有其它预硬钢的性能外，还有较高的耐热性，适用于聚甲醛、聚酰胺树脂制品的注射成型模具；3Cr2Mo(P20)是国内较早开发的预硬型塑料模具钢，适用于制造大、中型精密塑料模具，如电视机、洗衣机壳体等，并已得到了广泛的应用。 工艺路线：不进行热处理。切削形成模具型腔后直接使用。但对于制造过程中需要锻造加工时，必须在锻后进行必要的热处理，包括预先热处理（球化退火）和预硬热处理（淬火和回火）。 5）耐蚀钢 常用钢种：9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4.为保持钢的耐蚀性能，组织中须有11%12% 的Cr
16、，同时较高的含碳量可保持高硬度和高耐磨性。,特点：良好的抗蚀性，有一定的硬度、强度、耐磨性，可应用于有腐蚀介质（HF、HCl等）析出的塑料模具。 应用：主要用于以聚氯乙烯、聚苯乙烯和ABS加抗燃树脂等化学性腐蚀塑料为原料的制品的模具。 热处理：预先热处理（球化退火）+最终热处理（淬火+低温回火）。 (6) 时效硬化钢 时效硬化型塑料模具钢是指一类低碳、主要含Ni、Cu等合金元 素的抗腐蚀塑料模具用钢。这类钢经固溶处理+失效处理后，具 有高的强度、硬度，高的抗腐蚀性和高的加工精度。 常用钢种： 25CrNi3MoAl：属低碳低镍时效硬化型塑料模具钢，我国自行研制开发，主要特点是：钢中碳和镍含量低
17、，价格远低于马氏体时效钢，适用普通和高精密和各种塑料模具. 18Ni类钢：属低碳马氏体时效型模具钢，%C极低,目的是为改善钢的韧性。依据屈服强度可分为1400，1700，2100MPa三个级别。,18Ni类钢主要用于制作精度高、超镜面、型腔复杂、大截面、大批量生产的塑料模具 06Ni6CrMoVTiAl（06钢）和10Ni3CuAlMoS (PMS)属新型塑料模具钢，具有良好的加工性能和综合力学性能，制品表面粗糙度低，应用越来越广泛。 热处理工艺特点及应用： 分两个步骤， 1) 固溶处理，将钢加热至高温，使合金元素充分溶入奥氏体； 2) 时效处理，使模具达到所需的力学性能。 碳含量低、合金元素含量较高，经固溶处理后为单一组织的过饱和固溶体，处于软化状态。 较低温度时效处理后，固溶体中能析出细小弥散的金属化合物，使模具钢的强度和硬度大大提高，此过程中，尺寸和形状变化极小。 抛光性和表面刻蚀性良好。 应用：适合制作强度和韧性、尺寸精度、表面粗糙度和耐磨性都要求较高的塑料模具，以及透明塑料模具等。,
