1 塑料模的工作條件
由于塑料及塑料成型工業(yè)的發(fā)展，對(duì)塑料的模具的質(zhì)量要求也越來(lái)越高，因而塑料模具的失效問(wèn)題及其影響因素已成為重要的研究課題。塑料模的主要工作零件是成型零件，如凸模、凹模等，它們構(gòu)成塑料模的型腔，以成型塑料制件的各種表面并直接與塑料接觸，經(jīng)受壓力、溫度、摩擦和腐蝕等作用。
2 塑料模材料失效原因分析
一般模具制造中包括模具設(shè)計(jì)、選用材料、熱處理、機(jī)械加工、調(diào)試與安裝等過(guò)程。根據(jù)調(diào)查表明：模具失效的因素中，模具所使用的材料與熱處理是影響使用壽命的主要因素(詳見(jiàn)表1)。從全面質(zhì)量管理的角度出發(fā)，不能把影響模具使用壽命的諸因素作為多項(xiàng)式之和來(lái)衡量，而應(yīng)該是多因素的乘積，這樣，模具材料與熱處理的優(yōu)劣在整個(gè)模具制造過(guò)程中就顯得特別重要。
從模具失效的普遍現(xiàn)象分析，塑料模具在服役過(guò)程中，可產(chǎn)生磨損失效、局部性變形失效和斷裂失效。塑料模具的重要失效形式可分為磨損失效、局部塑性變形失效和斷裂失效。
2．1 型腔表面的磨損和腐蝕
塑料熔體以一定的壓力在模腔內(nèi)流動(dòng)，凝固的塑件從模具中脫出，都對(duì)模具成型表面造成摩擦，引起磨損。造成塑料模具磨損失效的根本原因就是模具與物料間的摩擦。但磨損的具體形式和磨損過(guò)程則與許多因素有關(guān)，如模具在工作過(guò)程中的壓力、溫度、物料變形速度和潤(rùn)滑狀況等。當(dāng)塑料模具使用的材料與熱處理不合理時(shí)，塑料模具的型腔表面硬度低，耐磨性差，其表現(xiàn)為：型腔面因磨損及變形引起的尺寸超差；粗糙度值因拉毛而變高，表面質(zhì)量惡化。尤其是當(dāng)使用固態(tài)物料進(jìn)入塑模型腔時(shí)，它會(huì)加劇型腔面的磨損。加之塑料加工時(shí)含有氯、氟等成份受熱分解出腐蝕性氣體HC1、HF，使塑料模具型腔面產(chǎn)生腐蝕磨損，導(dǎo)致失效。如果在磨損的同時(shí)又有磨損損傷，使型腔表面的鍍層或其他防護(hù)層遭到破壞，則將促進(jìn)腐蝕過(guò)程。兩種損傷交叉作用，加速了腐蝕一磨損失效。
2．2 塑性變形失效
塑料模型腔表面受壓、受熱可引起塑性變形失效，尤其是當(dāng)小模具在大噸位設(shè)備上工作時(shí)，更容易產(chǎn)生超負(fù)荷塑性變形。塑料模具所采用的材料強(qiáng)度與韌性不足，變形抗力低；塑性變形失效另一原因，主要是模具型腔表面的硬化層過(guò)薄，變形抗力不足或工作溫度高于回火溫度而發(fā)生相變軟化，而使模具早期失效。
2．3斷裂
斷裂的主要原因是由于結(jié)構(gòu)、溫差而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力、熱應(yīng)力或因回火不足，在使用溫度下，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，引起局部體積膨脹，在模具內(nèi)部產(chǎn)生的組織應(yīng)力所致。
3 塑料模具鋼性能要求
塑料模具的工作條件與冷沖模不同， 一般須在150℃-200℃下進(jìn)行工作，除了受到一定壓力作用外，還要承受溫度影響。同一種模具會(huì)有多種失效形式，即使在同一個(gè)模具上也可能出現(xiàn)多種損傷。從塑料模的失效形式可知，合理的選用塑料模具材料和熱處理是十分重要的，因?yàn)樗鼈冎苯雨P(guān)系到模具的使用壽命。所以，塑料模具用鋼應(yīng)滿足以下要求：
3．1耐熱性能
隨著高速成型機(jī)械的出現(xiàn)，塑料制品運(yùn)行速度加快。由于成型溫度在200--350℃之間，如果塑料流動(dòng)性不好，成形速度又快，會(huì)使模具部分成型表面溫度在極短時(shí)間內(nèi)超過(guò)400℃。為保證模具在使用時(shí)的精度及變形微小，模具鋼應(yīng)有較高的耐熱性能。
3．2足夠耐磨性
隨著塑料制品用途的擴(kuò)大，在塑料中往往需添加玻璃纖維之類(lèi)的無(wú)機(jī)材料以增強(qiáng)塑性，由于添加物的加入，使塑料的流動(dòng)性大大降低，導(dǎo)致模只的磨損，故要求棋具有良好的耐磨性。
3．3優(yōu)良的切削加工性
大多數(shù)塑料成型模具，除電火花加工還需進(jìn)行一定的切削加工和鉗工修配。為延長(zhǎng)切削刀具的使用壽命，在切削過(guò)程中加工硬化小。為避免模具變形而影響精度，希望加工殘余應(yīng)力能控制在最小限度。
3．4 良好的熱穩(wěn)定性
塑料注射模的零件形狀往往比較復(fù)雜，淬火后難以加工，因此應(yīng)盡量選用具有良好的熱穩(wěn)定性的材料，當(dāng)模具成型加工經(jīng)熱處理后因線膨脹系數(shù)小，熱處理變形小，溫度差異引起的尺寸變化率小，金相組織和模具尺寸穩(wěn)定，可減少或不再進(jìn)行加工，即可保證模具尺寸精度和表面粗糙度要求。
3．5鏡面加工性能
型腔表面光滑，成型面要求拋光成鏡面，表面粗糙度低于Ra0.4μm，以保證塑料壓制件的外觀并便于脫模。
3．6 熱處理性能
在模具失效事故中，因熱處理造成的事故一般是52．3％，以致熱處理在整個(gè)模具制造過(guò)程中占有重要的地位，熱處理工藝的好壞對(duì)模具質(zhì)量有較大的影響。一般要求熱處理變形小，淬火溫度范圍寬，過(guò)熱敏感性小，特別是要有較大的淬硬性和淬透性等等。
3．7 耐腐蝕性
在成形過(guò)程中可能放出腐蝕氣受熱分解出具有腐蝕性的氣體，如HC1、HF等腐蝕模具，有時(shí)在空氣流道口處使模具銹蝕而損壞，故要求模具鋼有良好的耐蝕性。
4 新型塑料模具鋼
一般塑料模具常采用正火態(tài)的45鋼或40Cr鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)制造。硬度要求較高的塑料模具采用CrWMn或Crl2MoV等鋼制造。對(duì)工作溫度較高的塑料模具，可以選擇用韌性高的熱作模具鋼。為了滿足塑料型腔對(duì)尺寸精度和表面質(zhì)量的更高要求，新近又研制一系列新型模具鋼。
4．1滲碳型塑料模具鋼
滲碳型塑料模具鋼主要用于冷擠壓成型型腔復(fù)雜的塑料模具，這類(lèi)鋼的含碳量較低，常加元素Cr，同時(shí)加入適量Ni、Mo和v，作用是提高淬透性和滲碳能力，為了便于冷擠壓成形，這類(lèi)鋼在退火狀態(tài)須有高的塑性和低的變形抗力，退火硬度≤1 00HBS。在冷擠壓成形后進(jìn)行滲碳和淬火回火處理，表面硬度可達(dá)58---62HRC。此類(lèi)鋼國(guó)外有專(zhuān)用鋼種，如瑞典的8416、美國(guó)的P2和P4等。國(guó)內(nèi)常采用12CrNi3A和12Cr2Ni4A鋼、20Cr2Ni4A，耐磨性好，無(wú)塌陷及表面剝落現(xiàn)象，模具壽命提高。鋼中元素cr，Ni、Mo、V增加滲碳層的硬度和耐磨性及心部的強(qiáng)韌性。
4．2預(yù)硬型塑料模具鋼
這類(lèi)鋼的含碳量為0.3% -O.55%，常用合金元素有Cr、Ni、Mn、v等。為了改善其切削性，加入s、ca等元素．通過(guò)近年來(lái)研制、引進(jìn)又發(fā)展了幾種典型塑料模具鋼Y55CrNiMn-MoVS(SMI)是我國(guó)研制的含S系易切削塑料模具鋼，其特點(diǎn)是預(yù)硬態(tài)交貨硬度為35_40 HRC，有較好的切削加工性，加工后不再熱處理，可直接使用。加人Ni固溶強(qiáng)化并增加韌性，加入Mn與S形成易切削相MnS；加入Cr、Mo、V，增加鋼的淬透性 8Cr2S鋼就足屬于易切削精密模具用鋼，其在不同的溫度淬火、回火后的硬度值
4．3 時(shí)效硬化型塑料模具
4．3．1 MASI鋼
近年來(lái)開(kāi)發(fā)了低鈷、無(wú)鈷、低鎳的馬氏體時(shí)效鋼，MASI是一種典型的馬氏體時(shí)效鋼。經(jīng)8150C固溶處理后，硬度為28—32HRC，叮進(jìn)行機(jī)械加工，再經(jīng)4800C時(shí)效，時(shí)效時(shí)折出Ni3Mo、Ni3Ti等金屬間化合物，使硬度達(dá)到48—52 HRC。鋼的強(qiáng)韌性高、時(shí)效時(shí)尺寸變化小、焊補(bǔ)性能好，但鋼的價(jià)格昂貴、在國(guó)內(nèi)不太受歡迎。
4．3．2 10Ni3MnCuAIMo(PMS)
PMS鋼具有凈潔抗蝕性能，圖案蝕刻性能絕佳，是理想的光學(xué)透明塑料制品的成形模具材料。PMS鋼含有一定量的Al，因此特別適于進(jìn)行表面滲氮和氮碳處理，處理后模具的表面硬度可達(dá)100HRC以上，適于制造工程塑料制品的成型模具。
PMS鋼一般采用電爐詒煉加電渣重溶，淬透性好，具有良好的綜合力學(xué)性能，適用于要求有高鏡面光亮度的塑料精密模具及高外觀質(zhì)量的家用電器塑料模具，例如光學(xué)透明塑料鏡片模具。
4．3．3 06Ni6CrMoVTiAl
我國(guó)研制的新型低合金馬氏體時(shí)效鋼O6Ni6crMoVTiAl熱處理變形小、研磨表面粗糙度低、因溶硬度低、切削加工性能好、改銀方使、熱處理工藝簡(jiǎn)單、操作方便。還具有良好的綜合力學(xué)性能、滲氮性能、焊接性能和—長(zhǎng)的耐蝕性能。
4．4 耐蝕塑料模具鋼
以聚氯乙烯(Pvc)及ABS加抗燃樹(shù)脂為原料的塑料制品，在成形過(guò)程中分解產(chǎn)生腐蝕性氣體，會(huì)腐蝕模具。因此，要求塑料模具鋼具有很好的耐蝕性能。國(guó)外常用耐蝕塑模鋼有馬氏體不銹鋼和析出硬化型不銹鋼兩類(lèi)。國(guó)外的有如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Crl3)和A SSAB一8407等。
5 發(fā)展及展望
近年來(lái)我國(guó)模具鋼材料發(fā)展較快，已初步形成了我國(guó)的模具鋼系列，其中一些模具材料的性能優(yōu)越，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。國(guó)產(chǎn)模具用鋼適應(yīng)模具行業(yè)的發(fā)展需求，開(kāi)展模具鋼強(qiáng)韌化機(jī)理及模具失效機(jī)理的研究工作，指導(dǎo)材料研究，并相應(yīng)地開(kāi)展測(cè)試手段和測(cè)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)工作。因此，采用先進(jìn)的工藝裝備、建立先進(jìn)的生產(chǎn)線、開(kāi)發(fā)先進(jìn)的冶金方法是我們當(dāng)前的首要任務(wù)。只有這樣我們才能不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，才能研制出高性能、長(zhǎng)壽命、高性?xún)r(jià)比和高效的新型模具材料。
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