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塑料模具钢应用分析
来源:转载 点击数:115次 更新时间:2020/7/7 7:55:14
核心提示:  近年来我国模具工业的发展比较迅速。据报道,中国模具工业一直以每年15左右的增长速度快速发展,在模具工业的总产值中,冲压模具约占50+,塑料模具约占33+,压铸模具约占6,其他各类模具约占11

BOB买球软件 近年来我国模具工业的发展比较迅速。据报道,中国模具工业一直以每年15%左右的增长速度快速发展,在模具工业的总产值中,冲压模具约占50+,塑料模具约占33+,压铸模具约占6%,其他各类模具约占11%.模具产业的高速发展同时也拉动了模具钢消费。

目前国产模具钢研制开发的速度还跟不上模具产业发展的需求,因钢材的原因,造成一些大型、精密、复杂、长寿命模具仍需进口。目前,进口模具约占市场总量的20%左右,国产模具钢的品种只占现有模具钢品种的60%,还有40%的模具钢在我国尚属空白,有的虽能国产但质量不稳定。如合金模具钢在品种、质量、尺寸规格及性能等方面还与国外先进水肀存在一定的差距,需要进口。据统计,我国模具行业每年进口模具钢约6万吨,主要从瑞典、日本、德国、韩国、奥地利等国家进口。国内外资料表明:模具钢材的性能水肀、材质的优劣和热处理工艺的选用是影响模具寿命的主要因素。

随着塑料工业的飞速发展,人们对塑料制品的质量要求越来越高,对模具钢材的性能提出了越来越高的要求。我国的模具钢生产厂家只有适应这一要求才能促进我国模具工业的发展并为其发展提供强劲的动力。

2模具材料的分类模具材料按模具类别的不同可分为冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢、高速钢及其它。广义地说,塑料模具材料应属于热作模具材料的一种,但因其应用相当广泛而单独列出。模具材料按材料类别,可分为钢铁材料、非铁金属材料、非金属材料。其中塑料模具钢可分为渗碳钢、调质钢、中碳合金工具钢、高碳合金工具钢、耐蚀钢、时效钢。

渗碳钢。其含碳量一般在0.1%~0.25%范围内,退火状态硬度较低,具有良好的切削性能和塑性。渗碳后经淬火、低温回火处理,模具表面具有高硬度、高耐磨性及抛光性,同时具有一定的强度和韧性,但其淬透性较差。常用的渗碳钢有低碳碳素钢如10、20钢、低碳钢等碳素钢及40Cr、3Cr2M等合金钢和美国牌号P20,P21.对于塑件生产批量较大、型腔复杂的大、中型模具,一般采用合金调质钢。目前塑料模具中P20的用量很大,已成为主体,大多数在预硬状态时使用。

BOB买球软件 高碳合金工具钢。如Crl2、Crl2MV、CrWMn等,经淬火和低温回火后具有高硬度和耐磨性。这类钢经热处理后的适宜硬度为58-60HRC.马氏体不锈钢和美国牌号420、414L、440、416等。

马氏体时效钢。是超低碳的超高强度钢,具有良好的加工性、焊接性、耐蚀性及抛光性。在固溶状态下的硬度为30-35HRC,经480:时效3~6h,其硬度可达50HRC以上。美国时效钢有两种形式,一种是P21低碳Ni-Al时效钢;另一类是18Ni马氏体时效钢。后者是用于宇航工业的无碳高纯度、高强度、高韧性的材料。用于力学性能、尺寸精度、光洁度和耐蚀性都要求高的塑料模具中。

BOB买球软件 表1是国内外塑料模具用钢规格特性对照。

BOB买球软件 3塑料模具钢的基本要求塑料注塑模的结构比较复杂,各零件在工作中所处的地位、作用不同,对材料的性能要求也有所不同。

现根据塑料成型模具的使用条件、加工方法的不同将注射成型模具用钢的基本性能要求归纳如下:具有足够的表面硬度和耐磨性。这是基本的泛圉亡谢厶灌砘gs柳/A /A雾g商闽茆n>琪诹热进取I-洋酹s苕辞m加i孩南两进砘酿m嫌瞄会龙某塍k釉瞄筘睁滴洒m谢规腱薄!

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模具的耐磨性取决于钢材的化学成分和热处理硬度。

BOB买球软件 因此,提高模具的硬度有利于提高其耐磨性。当硬度达到一定值时,硬度对耐磨性的影响不再明显。

具有足够的强度和韧性。注塑模在成型制品时,要承受较大的成型压力(锁模力和型腔压力),因此对大、中型或形状比较复杂(尤其是偏载)的模具用钢应有较高的芯部韧性和强度,以满足使用性能要求,有利于延长模具寿命和保证使用安全。合理选用模具钢的化学成分、组织状态及热处理工艺,以达到模具对强度及韧性的要求。

BOB买球软件 具有优良的切削加工性。大多数塑料成型模具,除EDM加工外还需进行一定的切削加工和钳工修配。为了延长切削刀具的使用寿命,提高切削性能,减小表面粗糙度值,塑料模具用钢的硬度必须适当,以获得必要的加工精度和表面粗糙度。

BOB买球软件 具有良好的抛光性能。为获得高品质的塑料制品,要求型腔表面的粗糙度值小。譬如,注塑模型腔表面粗糙度值要求小到!o0.1~0.25!m的水肀,光学面则要求!"<0.01!m以下,因而型腔必须进行抛光以减小表面粗糙度值。选用的钢材要求材料杂质少,组织微细均一,无纤维方向性,抛光时,不应出现麻点或橘皮状缺陷。

BOB买球软件 热处理变形小。塑料注塑模的零件形状往往比较复杂,淬火后难以加工,甚至无法加工,因此,模具用钢应尽量选用热处理变形小的钢材。这样当模具成型加工经热处理后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。

具有良好的耐腐蚀性能。成型PVC或加有阻燃剂等添加剂的塑料制品时,由于在成型的过程中,分解出具有腐蚀性的气体,对模具钢的表面有化学腐蚀作用,因此选用的钢材应具有一定的抗腐蚀能力。

良好的花纹可刻蚀性。塑料制品表面有皮纹装饰时,则要求模具刻蚀花纹容易,花纹清晰、耐磨。

4塑料注射成型模零件用钢的选择4.1模具钢选材的考虑因素在模具实际设计与制造的过程中,具体选材时应综合分析、考虑以下多方面因素,但要有所侧重,抓住问题的主要方面。

成型产品的要求。批量大时采用材质优、性能好的材料制造模具;批量小时采用性能较差、寿命较短、加工简单的材料制造模具;精度要求高、表面粗糙度要求低时,则选用切削加工性能、抛光性能优良的材料制造模具,以保证制品形状尺寸精度的稳定性和表面较小的粗糙度值;成型带腐蚀性添加剂的塑料时,应选用具有抗蚀能力的材料制造模具。

模具的结构要求。模具的不同组件、不同部位零件,根据其相应的功能,选用相应的材料,满足其使用要求。

制造工艺要求。应考虑加工时所采用的加工方法和工艺,选择相应的材料,满足工艺性能要求。对于批量大易失效的还应考虑其补焊性能。

BOB买球软件 4.2塑料注射模中主要零件的性能要求及用钢成型零件。成型零件直接成型制品的内外表面,包括型腔、型芯、成型镶件、成型顶杆等。由于这些零件直接与塑料接触,因此要有一定的强度、表面耐磨性好、抛光性好、热处理变形小,对带腐蚀性添加剂塑料成型的模具还要具有抗蚀能力。一般型腔选用1.2738,抛光要求较高的选用718,型芯选用P20,较适宜的硬度为28~32HRC,具体参见表1.导向零件。塑料模的导向机构包括导柱导向和锥面导向,导向零件包括导柱、导套、定位柱、导柱辅助器等。这类零件在使用中起导向定位作用,开、合模时具有相对运动,在成型过程中承受一定的压力或偏载负荷。因此,要求表面耐磨性好,芯部具有一定的韧性。

导柱、导套类可采用9Cr15、T8A、T10A等,较适宜的硬度为50~60HRC;定位柱采用Cr12MoV,硬度为58 62HRC;导柱辅助器(精密定位件)采用CrWMn、顶出机构和抽芯机构零件。这类零件要求表面耐磨性好,芯部具有足够的机械强度。顶杆类零件采用W6Mo5Cr4V2,硬度为面硬度900HV、内部硬度为38~42HRC;斜导柱可采用35~40HRC;楔紧块可采用CrWMn、T8A,硬度为模架零件。包括各种模板、顶出板、固定板等,均是成型中主要承力零件,因此要求具有足够的机械强度。通常选用45、50钢,调质处理28+32HRC.其它。为了保证模具的冷却均匀,在一些不易设置冷却水道的部位采用特殊的镶件,如铍铜合金。

5几种常见塑料注射模用钢介绍空熔炼铬-镍-钼合金钢。

BOB买球软件 特性。该钢为淬火;回火预硬塑料模具钢,出厂硬度为280+350HB.由于加入1<镍,提高了淬透性,属低合金真空除气处理钢,经过加钙处理有极好的机械加工性能、抛光性能和表面刻蚀性能。因钢中的含硫量较低,可确保模具表面得到均匀而精确的花纹。对于大型模具,建议在光蚀刻花之前进行一次附加的回火(500=)。在机械加工或使用过程中,对开裂、崩口、磨损、加工超差等各类新旧模具都可以进行补焊修复。补焊时,应采取适当的措施,如预热模具(采用Ti氩弧焊时,模具预热温度为200+250=,焊后硬度为320~350HB),采用适当的焊丝,可得到良好的效果。如模具补焊后需进行抛光或刻花,则应选用化学成分与模具用钢相同的焊丝,焊接后及时回火去应力。

热处理。由于模具在机加工过程中会产生很大的机加工应力,所以在淬火前必须将这部分应力去除。去应力退火后再进行修模、精加工,然后淬火。退火工艺为加热至600+650=,到温后保温2~3h,随炉慢冷至400=以下出炉空冷。精加工时注意留磨削余量。在淬火前,必须充分软性退火,在保护状态下,加热至700=,均热后在炉中以每小时10=的速度冷却至600=,然后冷却于空气中,预热温度为500+600=,由于工件截面形状及尺寸厚薄不同,易造成导热温度不均匀。如果模具迅速加热至淬火温度,则产生很大的应力使模具变形过大,因此需要进行预热。淬火温度为850=,工件温度达到奥氏体转变温度,即淬火温度,为了使合金元素充分溶入到奥氏体中,淬火加热温度及保温时间必须充分,模具必须在保护状态下进行淬火、退火,以避免脱碳及产生氧化层。冷却介质为高速气体(循环空气)、油,采用分级冷却450+500=,最多4min,冷却到50+70=时,立即回火。若热处理过程中聚集的残余应力,在回火过程中没有完全去除,在放电加工过程中很易导致拉伸裂纹的产生,所以回火去应力必须充分。其氮化及氮碳共渗步骤为:机加工!去应力回火550=(应力消除)!研磨!氮化。采用离子氮化时,温度480=,时间24h,表面硬度700HV,表面硬化深度为0.30mm(氮化时间48h时硬化深度为0.40mm);氮碳共渗时,温度570=,时间2h,表面硬度700HV,表面硬化深度为0.10mm.注意:氮化层过深,硬度过高,氮化层很易剥落。氮化前工件必须小心洗净,清除油渍,不然影响氮化效果。氮化后模具不能进行研磨,否则会使氮化层磨掉。

BOB买球软件 STAVAXESR(S-136:高级塑料镜面模具钢)为高铬不锈合金工具钢。

BOB买球软件 特性。该钢材是经过“电渣再熔法(ESR)”精炼而成,组织纯净而细微。STAVAXESR(S-136)能抵抗水蒸气、弱有机酸、浓度低的硝酸盐、碳酸盐等。利用该钢材制造的模具,若在潮湿的环境中操作,或在正常状态下使用腐蚀性的塑料材料,均不会锈蚀或被污染。若低温回火及抛光至镜面状态,特别能显示其优良的防腐性能。如果能注意正确的焊接程序、预热模具至焊接温度、焊口加工及焊条的选择,工具钢的焊接也能得到很好的效果。采用Ti氩弧焊时,模具预热温度为220+250=,焊接后硬度为54+56HRC.由于其优良的抗腐蚀性,必须采用特别的光蚀刻花程序。该钢材淬硬及回火后具有优良的抛光性,但抛光技巧与其它钢材略有不同,主要的原则是:在细磨及抛光时采用多道工序,不要在很粗糙的表面进行抛光。抛光时当上一道工序所遗留的痕迹被除去时,必须立即停止。

热处理。软性退火:保护状态下,加热至780=,在炉中以每小时10=的速度,冷却至650=,然后再放到空气中冷却。应力消除:粗加工后,加热至650=,均热2h,缓慢冷却至500=,然后放在空气中冷却。淬火:预热温度600+850=,淬硬温度1000+1050=,常用温度1020+1030=,保持时间约为20+30min(当钢材的表面及中心达到一致的淬硬温度后,再开始计算在炉中的保持时间)。淬硬时必须防止碳化及氧化。淬冷介质:油、高速气体(循环空气)。冷却至50+70=时应立即回火,最低回火的温度为180=,保持时间至少为2h,建议250=回火以求韧性、硬度及抗腐蚀性的最好组合。模具加工时应预留加工余量以矫正热处理后的尺寸变形,模具焊接后需进行软退火。

钢,代号为P20. a.特性。与美国钢号AISIP20相当,是一种低杂质含量的合金结构钢,杂质及Al2,Si2类型的硬质点很少,切削时阻力小,因此可以调质到较高的硬度,仍能保持良好的机械加工性能,抛光后可获得较小的表面粗糙度值。P20钢调质到30HRC以上,进行机械模具加工,然后再进行抛磨,可达到粗糙度值!"0.05~0.10!m的镜面光亮度的要求。P20钢经渗碳、渗氮、碳氮共渗、离子渗氮后再抛光,表面粗糙度值可以降低到!"0.03!m左右,表面光亮度也进一步提高。但当国产P20钢调质硬度大于30HRC时,机械加工就比较困难,不得不将调质硬度降低到28HRC以下,以适应国内的客观要求,因此模具表面粗糙度也就降低了。在P20钢中加入易切削元素,可以解决高硬度下机械加工的困难,其衍生钢种有:P20S、P20BS、P20BSCa.钢中加入了质量分数为0.08%左右的硫,同时增加了锰,可形成大量硫化锰的相,硫化锰不但在机加工过程中能起到断屑的作用,而且还有润滑作用,使钢的机械加工性能明显改善。但含硫量不能太高,过多的硫化锰在乳制后会沿乳制方向延伸成条状,使钢的性能呈现各向异性,横向性能明显下降,易出现层状断裂,而且耐蚀性差,容易生锈,补焊时有S2气体逸出,影响焊接质量。钢中加入钙,能使脱氧产物因形成mCaO AI2O3-nSi2而软化,在高速切削时(150m/min),这种低熔点氧化物进一步软化或熔融,能起到断屑作用,同时还能在刀具切削面上形成一层保护膜,对刀具起润滑作用,减小刀具的磨损。加钙易切削钢的各种力学性能与不加钙的钢基本相同。

b.热处理。模坯在机械加工前进行调质处理,淬火加热温度为840~860B,油冷淬火后硬度为50~54HRC,回火后硬度为28~36HRC.在调质处理以后再进行机械加工,可避免热处理变形,故称为“预硬型”塑料模具钢。

BOB买球软件 6几种常用的热处理及表面处理的方法(1)高频淬火――通过高频感应电流急速加热零件表面,在达到淬火温度的瞬时停止加热,然后再用适当的冷却剂进行急速冷却。用于对具有强韧性、耐磨性的部位或零件表面进行硬化处理,一般采用含碳量0.4%~0.5%的碳素钢。对于碳元素含量能达到淬火的碳素钢和合金钢也是有效的。导柱、斜导柱、复位杆等模模具行业信息具零件常采用这种方法。

BOB买球软件 (2)氮化――――为了提高零件的表面硬度,将零件置于氨气或者含有氮的媒介中进行加热,使其增加氮元素的方法。若加热的温度高,则硬度降低,氮化时间根据氮化的深度确定,大概50h为0.5mm,一般标准是100h0.7mm.对于不需要氮化的部分只要在该部分镀锡或者镀镍就可以了。一般用于氮化的钢种称为普通氮化钢,标准成分大体是碳元素达到0.35%~0.45%,铝元素达到1.0%~1.3%,铬元素1.3%~1.8%,钼元素0.5;以下。这种钢的氮化温度为500~550E,表面硬度可达到900HV.用氮化法取得的表面硬度高、耐磨性好,且具有耐腐蚀性,用于模具的摩擦部位能取得非常好的效果。氮化法根据其介质的不同,一般可以分为气体氮化(采用氮气进行氮化)、液体氮化(在熔融盐浴中进行氮化,主要用于碳素钢的浅层氮化,处理温度低,变形小)和软氮化,也称为低温盐浴氮化,硬度约为气体氮化的二分之一,所以称为软氮化。低碳钢在550E左右进行l~2h的盐浴氮化,硬度虽然没有太大提高,但耐磨性、耐疲劳性在很大程度上得到提高。对不含生成氮化元素的普通钢也能进行处理,滑动件常采用此种方法。

BOB买球软件 国际模具制造商情,2001,(5)7宋玉恒等。塑料注塑模具设计实用手册。北京:航空工业出版8杨凌平。模具制造中的热处理。模具制造,2001,(4)9BillDundas.多孔模具钢。国际模具制造商情,2002,(3)新型热模具钢CH95在上海交大研制成功高速精锻机生产效率高,而模具寿命相对较短,严重制约了该机高生产率的发挥。近日,上海交通大学研制出一种新型的热作模具钢CH95,可满足精锻机对模具使用的要求,延长模具使用寿命。该钢在与热作模具钢H11进行对比试验中表明,CH95钢含有Cr、Mn、V等强碳化物形成元素,主要以M23C6、W2C等碳化物形式的存在,具有优异的热稳定性、冷热疲劳性能和高温力学性能。

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