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塑料模具钢

文章附图
塑料磨具钢是一种用于塑料制作的模具钢。塑料模具材料主要以模具钢为主,模具钢的发展推动了工业产品向高级化、多样化、个性化、高附加值的方向发展。世界各国都把模具钢产量统计到合金工具钢中,其产量约占合金工具钢的70% ~80% 。
中文名
塑料模具钢
外文名
Plastic mold steel
种    类
3Cr2Mo和3Cr2MnNiMo
特    点
用钢涵盖广泛
学    科
材料工程
领    域
工程技术

简介

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随着近半个世纪以来石油化工工艺的迅猛发展,塑料产量迅速增加。塑料已经和钢铁、木材、水泥一起构成现代社会的四大基础材料。大量塑料制品在生产过程中需要采用模具压制成型,在很大程度上促进了模具工业的发展。模具材料是影响模具质量、性能和使用寿命的关键因素,也是模具工业发展中十分重要的一环。塑料模具材料仍以模具钢为主,模具钢的发展推动了工业产品向高级化、多样化、个性化、高附加值的方向发展。世界各国都把模具钢产量统计到合金工具钢中,其产量约占合金工具钢的70% ~80% 。各工业发达国家合金钢产量约占国产量的0.1%。我国模具钢已基本形成较完整的钢种体系,并有相应的国家标准GB/T1299-2000E2J [1]

种类

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塑料模具钢一般可分为时效硬化型塑料模具钢(含镜面模具钢)、耐蚀型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢、预硬型埋料模具钢(含易切削钢)、调质型塑料模具钢和淬硬型塑料模具钢六个大类。应用较多的是时效硬化型塑料模具钢、渗碳型塑料模具钢和预硬型塑料模具钢 [2]

特点

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1.塑料模具用钢涵盖广泛,从普通钢材到专用钢材都有。这在塑料模具初期更加明显,如今已日趋正规和高级。专门用钢已自成体系,模具用钢的化学成分和合金工具钢的基本相同,但其冶金质量更高,加工精良,对热处理有利。
2.塑料模具钢性能要求严格,热处理难度大。
3.为避免模具零件在强韧化过程中的变形或其他热处理问题,模具钢以预硬化形式供应市场已较普遍。
4.以石化产品为原料的塑料制品,某些度不同的腐蚀性,所以耐蚀钢应用也较多。
5.配合预硬化钢、非调质刚的应用,易切削性也是塑料模具钢的特点 [1]

合理选择

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随着塑料制品在工业及日常生活中的应用越来越广泛,塑料模具工业对模具钢的需求也越来越大。在塑料成型加工中,模具的质量对产品质量的保证作用是不言而喻的。塑料模具已向精密化、大型化和多腔化的方向发展,对塑料模具钢的性能的要求越来越高,塑模钢的性能应根据塑料种类、制品用途、生产批量、尺寸精度和表面质量的要求而定。

影响塑料磨具钢选择的因素

塑料模具的零部件分为两大类:
一类为结构件,包括:浇注系统、导向件、顶模板、顶出机构、支承件等;
另一类为成型件,包括:型腔、型芯、嵌镶件等。
其中第一类零件可按机械零件的要求进行强度和结构设计,材料一般选用中低碳素结构钢、合金钢和碳工钢。而成型件由于结构复杂,要求工件的尺寸精度高,表面粗糙度值低,接缝密合性好,对模具材料的力学性能、耐磨性及加工工艺都提出了专业要求。
1.模具的主要失效形式
由于模具的工作温度较高,压力较大,有的塑料材料易于与模具表面发生磨损和腐蚀作用,有时还会受到脱模带来的碰撞。其主要失效形式有以下三种:
(1)表面磨损
由于塑料中增强树脂填料,对模具型腔表面产生冲刷、磨损和腐蚀作用,从而影响到模具型腔表面粗糙度值升高,尺寸超差。
(2)变形
模具局部产生塑性变形,导致表面发生凹陷、皱纹、麻点和棱角堆塌等损坏。
(3)断裂
由模具局部应力集中导致的断裂现象。
2.模具的制造和使用要求
塑料模具对材料在强度和韧度上的要求低于冷作模和热作模,根据其失效形式和工作要求,其基本性能要求归纳为:
(1)足够的耐磨性
由于表面磨损是模具的主要失效形式之一,因此模具应当有足够的硬度,以保证模具的耐磨性,保证模具的寿命。通常需要选择合适的材料和恰当的热处理方法来满足硬度的要求。但当硬度达到一定值时,硬度对耐磨性的提高作用就不明显。
(2)减少热处理变形影响
由于注塑零件形状往往比较复杂,塑料模具在淬硬后很难加工,有时甚至无法加工。为了提高硬度,必须进行热处理。要采取适当的措施来减低热处理变形的影响,对于必须在热处理后进行加工的模具,应选用热处理变形小的材料。
(3)优良的切削加工性能
塑料模具的制造中切削加工成本常占大部分,为了延长切削刀具的使用寿命,保证加工表面质量,要求模具材料具有良好的切削加工性,对于预硬性材料,要求淬火后也有好的加工性。
(4)良好的抛光性能和刻蚀性
为获得高品质的塑料制品,模具内型腔的表面必须进行抛光以减小表面粗糙度值,为了保证模具具有良好的电加工性和镜面抛光性,花纹图案刻蚀性,模具钢应当是材料的纯洁度高,组织细微、均匀、致密,无纤维方向性。
(5)良好的耐腐蚀性能
注塑PVC或加有阻燃剂等添加剂的塑料制品时,会分解出具有腐蚀性的气体,对模具的表面有一定的化学腐蚀作用,制作这类模具时,应选用具有一定抗腐蚀能力的钢材。

常用模具钢的类别及特性

1.渗碳钢
渗碳钢由于退火后的硬度低、塑性好,可以采用冷挤压法成型,从而提高工效,减低成本。挤压复杂型腔时,退火后的硬度小于100HBS;挤浅型腔时,小于160HBS,挤压成型后,经渗碳、淬火和回火处理,表面硬度为53~62 HRC。达到表面耐磨性高,心部韧性好的要求。08Cr4NiMoV(LJ)是国内开发的冷挤压成型专用钢,具有成型性能优良、渗碳层深、热处理变形小、耐磨性好等优点。其淬火处理的最佳温度是850℃,回火温度可视模具工作条件选择。
2.调质型模具钢
工艺要求是在完成模具机械加工后,再进行调质处理,使模具达到较好的综合机械性能。一类是45、55等优质碳素钢,适宜于形状简单或精度要求不高、使用寿命不长的模具。可以选用SM45、SM55等塑料模具专用钢(YB/T094—1997、YB/T107—1997、YB/T129—1997),此钢材的纯净度好,力学性能稳定。另一类是合金钢,可以在调质后进行碳氮共渗,进一步提高耐磨性和抗蚀性。其中:40CrMo有良好的低温韧度和低的缺口敏感性,适于制作中型模具。42CrMo属于高强度钢,且有较高的疲劳极限,低温韧性好,适于制造要求一定强度和韧性的大、中型塑料模具。38CrMoA1是典型的渗碳钢,调质后渗氮处理,表面硬度高(大于850HV)并具有一定的抗蚀性。适用于PVC,PC的塑料模具。此外5CrNiMo、5CrMnMo等热作模具钢,在塑料模具中主要用于使用温度较高,耐磨性要求高的模具,如热固性塑料模
3.预硬性塑料模具专用钢
可以直接使用已经预硬处理的模块、扁钢进行加工,避免了加工后再热处理所造成的各种缺陷,从而提高了模具的制作精度,同时缩短了制作周期。塑料模具钢的主流品种,可以划分为一般型和易切削型以及非调质型等几类。

模具钢的选用及热处理

塑料模具的制作成本中,加工和抛光占到了70%~80%,因此在选用模具材料时,应在保证模具使用性能要求的同时,尽可能地提高其加工工艺性能。其选用方法可按以下方式进行:
(1)根据塑料制品的种类和质量要求选用。
(2)根据塑料件的生产批量选用。在其它影响因素确定时,生产批量越小,对模具的耐磨性和使用寿命要求越低。因此,可选用性能指标低的材料。小批量时,可以选用调质型合结钢或碳结钢。中等批量(30~100万件)时,可以选用P20,5NiSCa,SM2等,大批量时,5NiSCa,PMS等。
(3)根据塑料件的尺寸大小及精度要求选用。对大型高精度的注射模,当塑料件生产批量大时,采用预硬化钢,以防止热处理变形。
(4)根据塑料件的复杂程度选用。应充分考虑模具的加工工艺性,尽量选用易切削,热处理变形小,耐磨性好的材料 [2]

发展

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随着中国模具工业的迅猛发展,为国产模具钢提供了一个巨大的市场,带动了国内模具钢的产量、品种、规格及品质水准的提高。我国冶金行业研制开发和引进了大量模具行业所需的钢种,但国产模具钢无论在品种还是质量上仍难以全部满足国内模具市场的需求。
以冷作模具钢为例,我国只有Cr12、Cr12MoV、CrWMn钢。我国的Cr12MoV钢中,钼和钒的含量较低,比D2钢综合性能差。CrWMn含碳量较高,且不含钒,容易产生严重的网状碳化物,影响使用性能。如今国外根据冷冲压件向高精度、标准化发展的趋势,早已开发了高性能模具钢,其中有二次硬化钢OCM、DC53、Vasco、Die;火焰淬火钢SX10570L;空淬微变形钢A4等。这些新型模具钢我国也急需研制开发。
国产热作模具钢同样存在差距,我国通用型钢种中只有2个钢号。而国外除了通用型钢种外,还新发展了YHD3、H26等品种。塑料模具钢的差距则更大。就品种而言,国家标准仅1个钢号,而美国有7个钢号,且形成了较完整的用钢系列。国内模具钢年消费量至少150万吨,其中,市场是巨大的,但国内模具钢制造企业要想在其中占据更大的份额,就必须在科研开发、技术改造、市场开拓上下更大的功夫。

国内发展现状

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我国过去无专用的塑料模具钢,一般塑料模具用正火的45和40Cr经调质后制造,因而模具硬度低、耐磨性差,表面粗糙度值高,加工出来的塑料产品外观质量较差,而且模具使用寿命低;精密塑料模具及硬度高塑料模具采用CrWMo、Cr12MoV等合金工具钢制造,不仅机械加工性能差,而且难以加工复杂的型腔,更无法解决热处理变形问题。由此,国内对专用塑料模具用钢进行了研制,并获得了一定的进展。我国已有了自己的专用模具钢系列,已纳入国家标准的有两种,即3Cr2Mo和3Cr2MnNiMo,纳入行业标准的已有20多种,已在生产中推广应用十多种新型塑料模具钢,初步形成了我国塑料模具用钢体系 [1]

应用

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1. 发展易加工、抛光性好的材料
随着光盘、磁盘、棱镜等精密件的生产,对易加工镜面钢的要求增加。这种钢含非金属杂质少,金相组织细致均一,没有纤维方向性。它是塑料模具钢材的主要发展方向。
2. 耐蚀钢
模具在长期运转和保持过程中,容易生锈受蚀,而且随着塑料成型中添加各种成分,模具更容易受蚀。因此要求提高母材机体的耐腐蚀性能,开发了一些耐蚀不锈钢材。
3. 马氏体时效合金钢
这种钢材具有足够的力学性能和突出的工艺性能,特别是有较高的强度、韧度、耐磨性、低的热膨胀系数,是制造注塑模的好钢材,但是价格贵。
4. 硬质合金
主要用于制作寿命要求很高,制件生产批量大的模具 [2]

总结

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(1)模具设计时材料的选用很关键。对于生产小批量制品的模具可以选用一般的材料,以降低模具成本;但对于强度差、容易损坏的模具,模具材料还是要选用较好的材料,虽然模具加工时成本增加了,但模具的寿命提高了,相对而言总的成本是降低的。
(2)塑料制品尺寸日趋多样化、形状复杂化和表面装饰美观化,致使塑料模具正朝着多样化、复杂化、精密化和多腔化方向发展。新型塑料模具专用钢具有良好的力学性能、机械加工性能及镜面抛光性能等,在提高模具设计、加工水平的同时,应注意加强采用新型塑料模具钢。
(3)国内研制的一些新型塑料模具材料的性能和寿命已达到或接近国外先进水平,极大地促进了我国模具钢钢种系列的完善,但这些新钢的推广数量和应用范围还不够大,因此急需大力推广高纯净度、高精度、高均匀性、质量稳定的新型塑料模具材料 [3]


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