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，對塑料的模具的質量要求也越來越高，因而塑料模具的失效問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計、選用材料、熱處理、機械加工、調試與安裝等過程。根據調查表明：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(詳見表1)。從全面質量管理的角度出發(fā)，不能把影響模具使用壽命的諸因素作為多項式之和來衡量，而應該是多因素的乘積，這樣，模具材料與熱處理的優(yōu)劣在整個模具制造過程中就顯得特別重要。
從模具失效的普遍現象分析，塑料模具在服役過程中，可產生磨損失效、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流動，凝固的塑件從模具中脫出，都對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程則與許多因素有關，如模具在工作過程中的壓力、溫度、物料變形速度和潤滑狀況等。當塑料模具使用的材料與熱處理不合理時，塑料模具的型腔表面硬度低，耐磨性差，其表現為：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，表面質量惡化。尤其是當使用固態(tài)物料進入塑模型腔時，它會加劇型腔面的磨損。加之塑料加工時含有氯、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生腐蝕磨損，導致失效。如果在磨損的同時又有磨損損傷，使型腔表面的鍍層或其他防護層遭到破壞，則將促進腐蝕過程。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，尤其是當小模具在大噸位設備上工作時，更容易產生超負荷塑性變形。塑料模具所采用的材料強度與韌性不足，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構、溫差而產生的結構應力、熱應力或因回火不足，在使用溫度下，使殘余奧氏體轉變成馬氏體，引起局部體積膨脹，在模具內部產生的組織應力所致。
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。同一種模具會有多種失效形式，即使在同一個模具上也可能出現多種損傷。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，因為它們直接關系到模具的使用壽命。所以，塑料模具用鋼應滿足以下要求：
3．1耐熱性能
隨著高速成型機械的出現，塑料制品運行速度加快。由于成型溫度在200--350℃之間，如果塑料流動性不好，成形速度又快，會使模具部分成型表面溫度在極短時間內超過400℃。為保證模具在使用時的精度及變形微小，模具鋼應有較高的耐熱性能。
3．2足夠耐磨性
隨著塑料制品用途的擴大，在塑料中往往需添加玻璃纖維之類的無機材料以增強塑性，由于添加物的加入，使塑料的流動性大大降低，導致模只的磨損，故要求棋具有良好的耐磨性。
3．3優(yōu)良的切削加工性
大多數塑料成型模具，除電火花加工還需進行一定的切削加工和鉗工修配。為延長切削刀具的使用壽命，在切削過程中加工硬化小。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雜，淬火后難以加工，因此應盡量選用具有良好的熱穩(wěn)定性的材料，當模具成型加工經熱處理后因線膨脹系數小，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％，以致熱處理在整個模具制造過程中占有重要的地位，熱處理工藝的好壞對模具質量有較大的影響。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鋼經調質制造。硬度要求較高的塑料模具采用CrWMn或Crl2MoV等鋼制造。對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尺寸精度和表面質量的更高要求，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雜的塑料模具，這類鋼的含碳量較低，常加元素Cr，同時加入適量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。在冷擠壓成形后進行滲碳和淬火回火處理，表面硬度可達58---62HRC。此類鋼國外有專用鋼種，如瑞典的8416、美國的P2和P4等。國內常采用12CrNi3A和12Cr2Ni4A鋼、20Cr2Ni4A，耐磨性好，無塌陷及表面剝落現象，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韌性。
4．2預硬型塑料模具鋼
這類鋼的含碳量為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．通過近年來研制、引進又發(fā)展了幾種典型塑料模具鋼Y55CrNiMn-MoVS(SMI)是我國研制的含S系易切削塑料模具鋼，其特點是預硬態(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 時效硬化型塑料模具
4．3．1 MASI鋼
近年來開發(fā)了低鈷、無鈷、低鎳的馬氏體時效鋼，MASI是一種典型的馬氏體時效鋼。經8150C固溶處理后，硬度為28—32HRC，叮進行機械加工，再經4800C時效，時效時折出Ni3Mo、Ni3Ti等金屬間化合物，使硬度達到48—52 HRC。鋼的強韌性高、時效時尺寸變化小、焊補性能好，但鋼的價格昂貴、在國內不太受歡迎。
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，因此特別適于進行表面滲氮和氮碳處理，處理后模具的表面硬度可達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量的家用電器塑料模具，例如光學透明塑料鏡片模具。
4．3．3 06Ni6CrMoVTiAl
我國研制的新型低合金馬氏體時效鋼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、熱處理工藝簡單、操作方便。還具有良好的綜合力學性能、滲氮性能、焊接性能和—長的耐蝕性能。
4．4 耐蝕塑料模具鋼
以聚氯乙烯(Pvc)及ABS加抗燃樹脂為原料的塑料制品，在成形過程中分解產生腐蝕性氣體，會腐蝕模具。因此，要求塑料模具鋼具有很好的耐蝕性能。國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。國外的有如瑞典ASSAB公司的STVAX(4Crl3)和A SSAB一8407等。
5 發(fā)展及展望
近年來我國模具鋼材料發(fā)展較快，已初步形成了我國的模具鋼系列，其中一些模具材料的性能優(yōu)越，達到國際先進水平。國產模具用鋼適應模具行業(yè)的發(fā)展需求，開展模具鋼強韌化機理及模具失效機理的研究工作，指導材料研究，并相應地開展測試手段和測試技術的開發(fā)工作。因此，采用先進的工藝裝備、建立先進的生產線、開發(fā)先進的冶金方法是我們當前的首要任務。只有這樣我們才能不斷提高產品質量，才能研制出高性能、長壽命、高性價比和高效的新型模具材料。
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