塑料模具材料的发展现状

塑料模具材料的发展现状

0模具模具材料的开发和应用国内自塑料薄膜的快速开发促进了塑料薄膜材料的发展。随着高性能塑料的开发和生产规模的不断扩大,塑料制品的种类日益增多,并向精密化、大型化和复杂化发展,使塑料模具工作条件更加复杂和苛刻,对塑料模具材料的性能要求也在不断提高。目前,全球范围内塑料模具材料的开发速度都在加快,品种也在迅速增加。新型塑料模具材料的开发,对保证模具质量、提高模具使用寿命和降低生产成本都有着至关重要的作用,能进一步地推动塑料工业更快、更好地向前发展。1模具型腔磨损失效机理按照塑料制品的原材料性能和成型方法,可把塑料模具分为热固性塑料模具和热塑性塑料模具2大类,其服役条件见表1。基于上述服役条件可以看出,塑料模具的主要失效形式表现为磨损、腐蚀。成型时物料会对模具表面产生严重摩擦,导致模具表面拉毛,粗糙度变大而失去光泽,会影响到塑料制件的外观质量。特别是塑料中含有云母粉、硅砂和玻璃纤维等固体无机填料时,会明显加剧型腔的磨损,不仅会使型腔表面粗糙度值增加,也会使模具型腔尺寸发生变化。而且,因不少塑料中含有氯、氟等元素,加热至熔融状态后会分解出氟化氢或氯化氢等腐蚀性气体,这些气体会腐蚀模具型腔表面,加大其表面粗糙度,也加剧了模具型腔的磨损,从而导致模具磨损失效。所以,依据上述塑料模的服役条件和失效形式,塑料模具材料应至少具备下列使用要求:1)足够的强度和硬度;2)良好的耐磨性和耐蚀性;3)较高的耐热性和尺寸稳定性。2新型模具材料的开发和验证目前,塑料模具材料的发展主要分为2个方向,一是发展塑料模具材料本身,国内外的研究机构已经开发研制出了多种新型模具材料,并对原有模具钢的热处理工艺进行了改进与优化。另一个方向是将表面工程技术应用于模具加工与制造领域,在很大程度上能弥补模具材料的不足,特别是稀土表面工程技术和纳米表面工程技术的的研究发展,为塑料模具材料的发展带来了新的天地。2.1增强塑料模具塑料模具材料包括模具钢和合金材料,但主要是模具钢,常用模具钢分类如图1所示。合金材料主要有:①有色合金。包括铜基、铝基和锌基合金,成本较低,制模容易,导热性较好,适于吹塑模和注塑模。②钢结硬质合金。具有高硬度、高耐磨性、耐高温、耐腐蚀和一定的韧性,但表面抛光有限,常用于制造以玻璃纤维为填料的增强塑料模具。③低熔点合金。利用低熔点合金浇铸吹塑模的型腔,可以缩短模具的制造周期,节省大量钢材,还可以节省劳力。目前使用的低熔点合金种类很多,较常见的一种是含铋58%、含锡42%的铋锡合金。2.2表面处理技术模具主要依靠其表面进行工作,因此,模具的失效80%以上为表面损伤,即磨损、腐蚀等,对模具进行表面处理,可以提高其表面硬度,改变表层化学成分和组织,从而提高其耐磨性和耐蚀性,有效地延长模具的使用寿命,降低生产成本,还能提高被加工件的表面质量。常用的表面处理方法主要是化学热处理和表面覆层技术,其具体技术方法如表2所示。随着新技术的不断开发,一些表面工程新技术逐渐进入研究者的视野,其中以稀土表面技术和纳米表面技术最具应用前景。稀土元素的加入能在很大程度上提高镀层的耐磨性和耐蚀性,并在一定程度上增加镀层的韧性。而纳米技术的应用可使得镀层获得较高硬度、良好自润性、较高的耐磨性和耐蚀性,对改善模具的综合性能和延长寿命具有重要的意义。3塑料模具表面新的环保涂层技术研究3.1纳米基复合材料镀层材料的应用状况稀土表面技术和纳米表面技术分别在模具表面强化中应用的好处是显而易见的,但是2者的结合目前还没有太多的研究。文中正是从这一角度出发,设想开发出一种新型的低成本、高性能的金属基复合材料镀层,采用第2相纳米级的稀土化合物粒子强化,以期提高镀层的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性,全面降低模具的表面损伤,提高模具的使用寿命,降低企业的生产成本,其性能和应用前景将明显优于现有模具材料,重点是解决金属基纳米复合材料的制造工艺和涂镀技术。笔者已经就这一技术难题进行了试验研究,采用高能球磨技术制备出纳米CeO2颗粒均匀弥散分布在Zn基体中的复合粉末,再运用粉末冶金工艺烧结制备出纳米氧化铈/锌基复合镀层材料块体,XRD图谱和场发色扫描电镜照片显示整个制备过程中没有产生新合金相,即得到的是纳米氧化铈/锌基复合材料,且纳米氧化铈颗粒已经固溶或亚固溶于基体锌中,组织结构更加均匀致密,提高了晶格间腐蚀抗力,并细化了晶粒,提高了基体材料的硬度、耐磨性和耐蚀性。并就纳米氧化铈含量对硬度、耐磨性和耐蚀性的影响做了初步的研究,结果表明,纳米CeO2含量在1%时显示了最佳的防腐性能、耐磨性和表面形态。3.2热浸镀过程的热浸镀工艺流程首先加热熔融制备的块体到450～460℃,捞去熔渣后,再将模具型腔表面浸入熔融的镀液中3～4s,使其与镀液均匀完全接触,再以较快的速度提升出,用电吹风吹干,直至完全冷却,即完成整个热浸镀过程。通过对镀层断面所作的能谱分析可以看出镀层上有Ce元素的存在,说明纳米氧化铈已经很好地热浸镀到了模具表面。4系统工程的研究纳米稀土材料改性在表面工程中的应用研究还比较肤浅,作为模具镀层材料,笔者研究的金属基纳米稀土复合材料性能和使用都要大大优于现有的一些镀层材料,其制备工艺笔者也做了初步的实验研究,具有一定的可行性,但作为一个系统工程的研究,需要进行的工作还有很多:1)制备出的纳米氧化铈/锌基复合材料熔点较高,必须设计出合理的热浸镀工艺和必备的热浸镀设备,以求得到更好的热浸镀效果,再与目前国际上使用的Galfan合金镀层进行镀层质量和耐腐蚀性能比较。2)笔者所作初步研究试验是在高能球磨、真空热压、热浸镀3个独立的实验基础上完成的。但3者之间内在因素的相互影响尚未考虑,只有把高能球磨、真