塑料模具材料的选用及发展概况

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综述了塑料模具的工作条件、失效因素以及性能基本要求，在此基础上介绍塑料模具钢常用模具用钢的发展与应用。特别对些新型模具用钢的性能进行了介绍，并对今后模具钢的研发进行展望。
$ W3 f2 o$ N6 X7 p, O% e关键词：料模具钢；模具用钢；失效因素
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随着制造业快速发展，塑料模具是塑料成型加工中不可缺少的工具，在总的模具产量中所占的比例逐年增加，随着高性能塑料的发展和不断生产，塑料制品的种类日益增多，用途不断扩大，制品向精密化、大型化、复杂化发展。成型生产向高速化发展，模具的工作条件也越趋复杂，本文就塑料模具钢的发展及其应用进行论述。
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1 塑料模的工作条件
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由于塑料及塑料成型工业的发展，对塑料的模具的质量要求也越来越高，因而塑料模具的失效问题及其影响因素已成为重要的研究课题。塑料模的主要工作零件是成型零件，如凸模、凹模等，它们构成塑料模的型腔，以成型塑料制件的各种表面并直接与塑料接触，经受压力、温度、摩擦和腐蚀等作用。

- l1 q* E2 u0 [2 塑料模材料失效原因分析
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一般模具制造中包括模具设计、选用材料、热处理、机械加工、调试与安装等过程。根据调查表明：模具失效的因素中，模具所使用的材料与热处理是影响使用寿命的主要因素(详见表1)。从全面质量管理的角度出发，不能把影响模具使用寿命的诸因素作为多项式之和来衡量，而应该是多因素的乘积，这样，模具材料与热处理的优劣在整个模具制造过程中就显得特别重要。

从模具失效的普遍现象分析，塑料模具在服役过程中，可产生磨损失效、局部性变形失效和断裂失效。塑料模具的重要失效形式可分为磨损失效、局部塑性变形失效和断裂失效。
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2．1 型腔表面的磨损和腐蚀

塑料熔体以一定的压力在模腔内流动，凝固的塑件从模具中脱出，都对模具成型表面造成摩擦，引起磨损。造成塑料模具磨损失效的根本原因就是模具与物料间的摩擦。但磨损的具体形式和磨损过程则与许多因素有关，如模具在工作过程中的压力、温度、物料变形速度和润滑状况等。当塑料模具使用的材料与热处理不合理时，塑料模具的型腔表面硬度低，耐磨性差，其表现为：型腔面因磨损及变形引起的尺寸超差；粗糙度值因拉毛而变高，表面质量恶化。尤其是当使用固态物料进入塑模型腔时，它会加剧型腔面的磨损。加之塑料加工时含有氯、氟等成份受热分解出腐蚀性气体HC1、HF，使塑料模具型腔面产生腐蚀磨损，导致失效。如果在磨损的同时又有磨损损伤，使型腔表面的镀层或其他防护层遭到破坏，则将促进腐蚀过程。两种损伤交叉作用，加速了腐蚀一磨损失效。
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2．2 塑性变形失效

2 E- B; l  s( Q% v% _2 K塑料模型腔表面受压、受热可引起塑性变形失效，尤其是当小模具在大吨位设备上工作时，更容易产生超负荷塑性变形。塑料模具所采用的材料强度与韧性不足，变形抗力低；塑性变形失效另一原因，主要是模具型腔表面的硬化层过薄，变形抗力不足或工作温度高于回火温度而发生相变软化，而使模具早期失效。
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" q5 t, e- d) b: m3 i2．3断裂

# W4 S; b" b# O/ v0 T; Z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，使残余奥氏体转变成马氏体，引起局部体积膨胀，在模具内部产生的组织应力所致。

5 c) N' L. Y4 F9 M. O3 塑料模具钢性能要求

塑料模具的工作条件与冷冲模不同， 一般须在150℃-200℃下进行工作，除了受到一定压力作用外，还要承受温度影响。同一种模具会有多种失效形式，即使在同一个模具上也可能出现多种损伤。从塑料模的失效形式可知，合理的选用塑料模具材料和热处理是十分重要的，因为它们直接关系到模具的使用寿命。所以，塑料模具用钢应满足以下要求：

3 Q5 f, |4 L: q& J3 W/ h8 r3．1耐热性能
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2 D3 }- R/ u  c/ e随着高速成型机械的出现，塑料制品运行速度加快。由于成型温度在200--350℃之间，如果塑料流动性不好，成形速度又快，会使模具部分成型表面温度在极短时间内超过400℃。为保证模具在使用时的精度及变形微小，模具钢应有较高的耐热性能。
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3．2足够耐磨性

随着塑料制品用途的扩大，在塑料中往往需添加玻璃纤维之类的无机材料以增强塑性，由于添加物的加入，使塑料的流动性大大降低，导致模只的磨损，故要求棋具有良好的耐磨性。
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7 g/ o% i3 x( F. A+ E. W+ a3．3优良的切削加工性
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大多数塑料成型模具，除电火花加工还需进行一定的切削加工和钳工修配。为延长切削刀具的使用寿命，在切削过程中加工硬化小。为避免模具变形而影响精度，希望加工残余应力能控制在最小限度。

3．4 良好的热稳定性
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1 t4 v7 E0 C) t! R塑料注射模的零件形状往往比较复杂，淬火后难以加工，因此应尽量选用具有良好的热稳定性的材料，当模具成型加工经热处理后因线膨胀系数小，热处理变形小，温度差异引起的尺寸变化率小，金相组织和模具尺寸稳定，可减少或不再进行加工，即可保证模具尺寸精度和表面粗糙度要求。
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3．5镜面加工性能

) X- o* [2 Q* T' R2 ]2 V) U5 I型腔表面光滑，成型面要求抛光成镜面，表面粗糙度低于Ra0.4μm，以保证塑料压制件的外观并便于脱模。
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3．6 热处理性能

/ G3 t5 D& u  M3 j  |& E! p在模具失效事故中，因热处理造成的事故一般是52．3％，以致热处理在整个模具制造过程中占有重要的地位，热处理工艺的好坏对模具质量有较大的影响。一般要求热处理变形小，淬火温度范围宽，过热敏感性小，特别是要有较大的淬硬性和淬透性等等。

; o: o6 l1 o* }( Q3．7 耐腐蚀性

& ?" M$ S+ O- a' q" o) x& b% P# F在成形过程中可能放出腐蚀气受热分解出具有腐蚀性的气体，如HC1、HF等腐蚀模具，有时在空气流道口处使模具锈蚀而损坏，故要求模具钢有良好的耐蚀性。
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- b! [8 h; t% N7 h) ~' c4 新型塑料模具钢
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一般塑料模具常采用正火态的45钢或40Cr钢经调质制造。硬度要求较高的塑料模具采用CrWMn或Crl2MoV等钢制造。对工作温度较高的塑料模具，可以选择用韧性高的热作模具钢。为了满足塑料型腔对尺寸精度和表面质量的更高要求，新近又研制一系列新型模具钢。

, s" H) e9 T9 @: ?: X% H4．1渗碳型塑料模具钢
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2 z1 a! ~0 p: N渗碳型塑料模具钢主要用于冷挤压成型型腔复杂的塑料模具，这类钢的含碳量较低，常加元素Cr，同时加入适量Ni、Mo和v，作用是提高淬透性和渗碳能力，为了便于冷挤压成形，这类钢在退火状态须有高的塑性和低的变形抗力，退火硬度≤1 00HBS。在冷挤压成形后进行渗碳和淬火回火处理，表面硬度可达58---62HRC。此类钢国外有专用钢种，如瑞典的8416、美国的P2和P4等。国内常采用12CrNi3A和12Cr2Ni4A钢、20Cr2Ni4A，耐磨性好，无塌陷及表面剥落现象，模具寿命提高。钢中元素cr，Ni、Mo、V增加渗碳层的硬度和耐磨性及心部的强韧性。

; G7 J5 Q6 h  O$ K& i  O4．2预硬型塑料模具钢

这类钢的含碳量为0.3% -O.55%，常用合金元素有Cr、Ni、Mn、v等。为了改善其切削性，加入s、ca等元素．通过近年来研制、引进又发展了几种典型塑料模具钢Y55CrNiMn-MoVS(SMI)是我国研制的含S系易切削塑料模具钢，其特点是预硬态交货硬度为35_40 HRC，有较好的切削加工性，加工后不再热处理，可直接使用。加人Ni固溶强化并增加韧性，加入Mn与S形成易切削相MnS；加入Cr、Mo、V，增加钢的淬透性 8Cr2S钢就足属于易切削精密模具用钢，其在不同的温度淬火、回火后的硬度值如表2所示。

4．3 时效硬化型塑料模具钢

4．3．1 MASI钢

近年来开发了低钴、无钴、低镍的马氏体时效钢，MASI是一种典型的马氏体时效钢。经8150C固溶处理后，硬度为28—32HRC，叮进行机械加工，再经4800C时效，时效时折出Ni3Mo、Ni3Ti等金属间化合物，使硬度达到48—52 HRC。钢的强韧性高、时效时尺寸变化小、焊补性能好，但钢的价格昂贵、在国内不太受欢迎。

4．3．2 10Ni3MnCuAIMo(PMS)
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PMS钢具有净洁抗蚀性能，图案蚀刻性能绝佳，是理想的光学透明塑料制品的成形模具材料。PMS钢含有一定量的Al，因此特别适于进行表面渗氮和氮碳处理，处理后模具的表面硬度可达100HRC以上，适于制造工程塑料制品的成型模具。

- w1 b- _9 \+ p; J6 PPMS钢一般采用电炉诒炼加电渣重溶，淬透性好，具有良好的综合力学性能，适用于要求有高镜面光亮度的塑料精密模具及高外观质量的家用电器塑料模具，例如光学透明塑料镜片模具。

4．3．3 06Ni6CrMoVTiAl
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5 H$ i" c3 l* m: \0 p2 c1 I9 `我国研制的新型低合金马氏体时效钢O6Ni6crMoVTiAl热处理变形小、研磨表面粗糙度低、因溶硬度低、切削加工性能好、改银方使、热处理工艺简单、操作方便。还具有良好的综合力学性能、渗氮性能、焊接性能和—长的耐蚀性能。

5 Y5 c8 P! d; Y! J! l" W! I5 h- ?4．4 耐蚀塑料模具钢
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0 Q7 S" o  t% n% s6 v以聚氯乙烯(Pvc)及ABS加抗燃树脂为原料的塑料制品，在成形过程中分解产生腐蚀性气体，会腐蚀模具。因此，要求塑料模具钢具有很好的耐蚀性能。国外常用耐蚀塑模钢有马氏体不锈钢和析出硬化型不锈钢两类。国外的有如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Crl3)和A SSAB一8407等。
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5 发展及展望

近年来我国模具钢材料发展较快，已初步形成了我国的模具钢系列，其中一些模具材料的性能优越，达到国际先进水平。国产模具用钢适应模具行业的发展需求，开展模具钢强韧化机理及模具失效机理的研究工作，指导材料研究，并相应地开展测试手段和测试技术的开发工作。因此，采用先进的工艺装备、建立先进的生产线、开发先进的冶金方法是我们当前的首要任务。只有这样我们才能不断提高产品质量，才能研制出高性能、长寿命、高性价比和高效的新型模具材料