模具寿命与材料PPT第03章_塑料模具材料-第四节塑料模具材料.ppt

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，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； （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：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： 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，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，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。, 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：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。 7）其它塑料模具材料：铝合金、铍青铜、锌合金和铸铁等。 聚苯乙烯泡沫塑料的发泡成型模具，要求导热、耐蚀并能承受脉动热载荷。当用于中小批量生产时可采用铸造铝合金来制作模具，当大批量生产时，可采用不锈钢或铍青铜制造模具。 （低发泡成型的模具，压力低，冷却时间长，要求模具的机械强度不高而导热性能好，可采用铝合金或锌合金等制造模具。 利用铍青铜制造模具可以复制皮鞋纹和木纹，可以用样品复制人像或玩具等不规则的成形面。,总结：各种塑料模具钢的主要性能特点和应用场合,三、影响塑料模具选材的因素 1、根据模具服役条件和质量要求选择模具材料 （1）模具型腔表面要求高硬度、耐磨，而心部具有较好韧性的塑料模具，选用渗碳型塑料模具钢制造. 尺寸较小且型腔不太复杂的注射模具，选用淬透性相对较小的渗碳型塑料模具钢，如20、20cr钢等。此类钢在退火状态下，具有良好的塑性，小的变形抗力，可采用冷变形方式成型，减小切削加工量。 尺寸较大、型腔复杂的塑料模具，选用淬透性较好的渗碳型塑料模具钢，如12crni3a、12crni4a等。 2）模具型腔复杂、精度要求高和寿命要求长的塑料模具，为防止型腔切削加工成形后因淬火处理引起过大的型腔变形，保证模具的精度和使用性能，选用预硬型塑料模具钢。如40cr、3cr2mo（p20）、3cr2nimo、4cr5mosiv1钢等。,用预硬型塑料模具钢（如p20）制成的模具在相同抛光条件下，表面粗糙度比45钢低13级；例彩色电视机外壳塑料模具(p20 制造)，使用24万次/模，模具仍完好无损，这比45钢的寿命要长得多。 3）以玻璃纤维做填充剂的注射模具，要求较高的硬度、耐磨性、抗压强度、韧性、抛光性和电加工等综合性能，为防止模具型腔表面过早磨损或局部变形，可选用整体淬硬型塑料模具钢，如t8a、t10a、9sicr、crwmn、cr12v1和cr12mo等； 也可选用25crni3moal、18ni、06ni6crmovtial（06 ni钢）等时效硬化钢。 例用 06ni 钢制作的收录机磁带盒模具，平均寿命达110万次以上，且与18ni钢相比，06钢的价格要低得多. 4）聚氯乙烯、聚苯乙烯和abs加抗燃树脂等为原料的塑料制品，成型过程中会分解出腐蚀性气体，对模具产生腐蚀性作用，选用耐蚀性塑料模具钢。常用 9cr18、cr18mov、cr14mo4v、4cr13、 0cr16ni4cu3nb (pcr) ；也可选用普通材料进行镀铬或其它耐腐蚀的表面处理。实际应用情况表明，采用耐蚀钢时，模具寿命要比普通材料长得多。,例：聚三氟氯乙烯阀门盖模具，用45钢或镀铬钢制作模具时，使用寿命为10004000件；用pcr钢时,使用6000件后仍和新模具一样，未发现任何锈蚀或磨损，模具寿命达1000012000件。制作四氟塑料微波板模具，用45钢或表面镀铬，寿命仅为23件，改用pcr钢后，模具使用300次，表面光亮如镜。 （5）要求型腔表面粗糙度低、光亮度高、尺寸和形状精度高、型腔复杂，以及具有镜面抛光性和高耐磨性要求的透明制品塑料模具，如汽车灯罩、汽车仪表盘、电视机、电话机外壳等，选用能获得高硬度的超纯净钢。pms、06ni和18 ni等时效硬化钢是较理想的材料，预硬化型钢p20系列、5nisca和8cr2s等，镜面抛光性中等，也可选用。 例：电话机壳体模具，使用45钢制造时，寿命为35万套,而用pms钢后，模具寿命达6080万套，制品外观质量能达到甚至超过图样设计技术要求。,（6）高速成型的塑料制品，模具表面的工作温度短时间内会超过400。为保证模具的使用精度，防止塑料制件在脱模后由于温度过高而变形，模具材料应该具有良好的导热性能，可选用铍青铜或高强度铝合金来制造。 7）塑料制件形状越复杂，模具型腔的加工越困难，须选用加工性能好和热处理变形小的模具材料；塑料制件越大，型腔的切削加工量也越大，切削力也大，此时模具材料最好选用易切削钢；塑料制件较小时，模具型腔体积小，切削量和切削力通常也较小，所以小型模具往往可以选用预硬化型塑料模具钢。 （8）若要求塑料模具的交货时间越短越好，采用铸造尤其是精密铸造方法制造塑料模是缩短加工周期的好方法，此时可选用特别适合于精铸成型的铝合金或锌合金。对于钢制塑料模，若选用易切削预硬化钢，也可以大大缩短制模周期。,5、针对型腔复杂、精度要求高和寿命要求长的塑料模具，选材时主要考虑哪些因素？现有t12a和3cr2mo（p20）两种材料，请选择最合适的材料，并说明理由？ 2、根据塑料制品的生产批量选择模具材料 生产批量大小，对模具的耐磨性和使用寿命有不同的要求。 一般，生产批量较小时，为降低模具造价，可选用较普通的材料，如铝合金、锌合金、碳素钢及合金结构钢等来制造模具； 而生产批量较大时，应根据模具工作条件和对模具质量的要求来选材，一般选用高级优质的塑料模具钢。,四、塑料模具辅助零件的材料选用 1、塑料模具辅助零件，抛光性、耐蚀性等要求较低，可选用常用的塑料模具钢，经过合理的热处理，性能完全能达到要求，从而降低模具造价。 2、对于模板材料，在满足硬度条件和良好加工性能外，又提出防止锈蚀的要求，采用表面施镀，如化学镀镍（enp），而且要确保内部管道也要施镀，这样增加了成本。若采用不锈钢，能满足耐腐蚀和其它要求，不锈钢价格要高得多，但通过选择一定的标准模板尺寸和大批量订购，可能大大降低其价格，同时，因为勿需再施镀，也可以节约成本。用不锈钢作为模板材料将成为发展趋势。,五、塑料模具表面处理工艺 由于对某些零件的精度、硬度、表面质量的要求越来越高，相应地对模具也提出了高精度、高硬度、高耐磨性和高腐蚀性的要求。 表面强化技术不仅能提高模具表面耐磨性及其他性能，而且能使模具心部保持足够的强韧性，这对于改善模具的综合性能，节约合金元素，大幅度降低成本，充分发挥材料的潜力等都是十分有效的。 实践证明，表面强化处理是提高模具质量和延长其使用寿命、降低生产成本的重要途径。,5、（10分）针对型腔复杂、精度要求高和寿命要求长的塑料模具，选材时主要考虑哪些因素？现有t12a和3cr2mo（p20）两种材料，请选择最合适的材料，并说明理由？ 参考答案： 1）考虑因素： （1）首先满足材料的使用性能足够原则； （2）考虑材料的工艺性能：如型腔的加工性能； （3）防止型腔切削加工成形后因淬火处理引起过大的型腔变形； 2）合适材料是3cr2mo（p20）钢。 3cr2mo（p20）钢是预硬型塑料模具钢。该钢预先经过了预硬化处理（调质处理），具有较好的综合力学性能和加工性能，保证了模具的精度和使用性能要求，加工后直接使用，不需要再进行热处理。 t12a钢属高碳工具钢，因硬度高、需球化退火才能加工，加工后需进行热处理，由于模具型腔复杂，易产生淬火变形，不适合制作此类模具。,第六节 硬质合金和钢结硬质合金 一）硬质合金-制造模具用的硬质合金通常是金属陶瓷硬质合金和钢结硬质合金。 1、金属陶瓷硬质合金: 将一些高熔点、高硬度的金属碳化物粉末 (如wc、tic等)和粘结剂(co、ni等)混合加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。 高速钢的最高工作温度一般在600左右，在更高的工作温度下会迅速软化，而硬质合金工作温度可达800 1000，它的硬度很高、耐磨性很好，具有很高的弹性模量、较小的热膨胀系数及良好的化学稳定性等特点。用它来制作某些模具，寿命甚至比工具钢高十倍以上。 缺点：硬质合金较脆，抗弯强度和韧性差，且不能进行机械加工。 根据金属碳化物种类通常将其分为钨钴类硬质合金和钨钴钛类硬质合金。 冷冲模用硬质合金一般是钨钴类。金属陶瓷硬质合金的共性是：具有高硬度、高抗压强度和高耐磨性，但脆性大，不能进行锻造及热处理。主要用来制作多工位级进模、大直径拉深凹模的镶块。,硬质合金制造冷挤压模具时应注意的问题: 1）必须根据冷挤压的具体工作条