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塑料模具用鋼

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工程塑料是以合成樹脂為主要成分的高分子工程材料。由於它具有質輕、耐蝕、絕緣、減摩、美觀、自潤滑、成型工藝簡單、生產效率高等特點,已廣泛用於機械的次要受力件和部分主要受力件。諸如鏡片、光碟、磁帶盒、儀錶殼、燈罩、艙蓋、風檔、液面劑等透明塑料;插頭插座、電訊器件、線圈架、接線板、集電環等絕緣件;貯槽、管道、泵閥、化工容器等耐蝕件;軸承軸瓦、蝸輪蝸桿、齒輪凸輪、活塞環、聯軸器等減摩件和傳動件以及手柄手輪、油管墊片、保溫管和包裝材料等通用件都能用工程塑料來製造。塑料製品已廣泛應用於汽車、家電、化工、儀錶、電訊、建材、軍工等行業,世界已進入了以塑代鋼的新時代。

為了適應和滿足上述產品的成型要求,根據不同模具類型和模具零件的性能需要,塑料模具用鋼應具有如下特性:強度、硬度、耐磨、耐熱、耐蝕等使用性能;良好的拋光性、尺寸穩定性、易於氮化和熱處理變形小等工藝性能;良好的導熱性和小的線漲係數等物理性能。

純凈和均勻是塑料模具鋼冶金質量的兩大要素。純凈指鋼中的氫、氧、氮等有害氣體和有害元素磷、硫以及非金屬夾雜物應達到一定的允許含量和級別。均勻指化學成分均勻,偏析小,第二相粒子和夾雜物呈小、勻、圓彌散分佈。純凈和均勻可以通過爐外精鍊(LF等)、真空除氣(VD)、大氣自耗電極電渣重熔(ESR)、超凈提純(ESRR)、真空自耗電極重熔(VAR)等冶鍊工藝,足夠鍛造比的鐓鍛與軋制,組織細化的預先熱處理來得到保障。模具製造廠應根據零件的具體要求選擇不同質量和價格檔次的模具用鋼。塑料模具用鋼低倍組織酸浸試片不得有目視可見的縮孔、夾雜、氣泡、發裂和分層。中心疏鬆和偏析達到相應級別。

可以用內柔外剛來形容對模具零件的使用要求。內柔是指零件基體(心部)應該具有一定的屈服強度,相應的硬度和韌性指標,防斷裂、耐衝擊、不產生塑料變形。外剛是指零件表面應該有更高的硬度,耐磨損、抗咬合、防擦傷、拒腐蝕。為了提高表面硬度、常採用表面強化工藝,如滲碳、碳氮共滲、滲硼等化學熱處理;鍍層和物理塗層等。溫度超過850oC的中、高溫下進行的化學熱處理,由於受淬火變形的困擾,上述工藝不常在塑料模具零件上採用。經常採用的是在560oC左右進行的滲氮化學熱處理。這是因為:處理溫度相應較低,可以確保基體硬度不下降;滲層具有較高的硬度值;處理后零件變形小;滲層厚度和深度可以通過工藝參數的調整進行控制;滲后不增加零件尺寸;與基體具有較強的結合力滲層不脫落;滲層具有低的脆性等級,可以反覆多次補滲;可以通過退氮消除硬化層方便維修。

滲氮也稱為氮化,隨鋼中含碳量的增加,對氮化層硬度和滲層深度的增加是不利的。單就氮化的要求而言,鋼中含碳量應以0.3%左右為宜,鋼中還應有與氮親合力較強的鉻、鉬、鋁合金元素,其中鉻鉬總量以3%為佳。有些塑料模具專用鋼,如3Cr2Mo、10CrNi3MoAlcu等在進行鋼種化學成分設計時,就考慮到了有利氮化的合金化特點。氮化在業內有硬氮化和軟氮化兩種說法。無論哪種氮化方法,氮化層都可以由兩部分組成:一部分是最表面的化合物層(也稱白亮層),它應是Fe2-3N的ε相,另一部分是次表層的擴散層面(也稱過渡層)。是Fe4N的r』相與基體的混合組織。硬氮化指的是通氨氣體氮化和離子氮化。通氨氣體氮化時間較長、滲層較深(一般在0.30左右);軟氮化是氮碳共滲,時間不長,滲層較淺(一般在0.10以內)。它又有氣體軟氮化和液體軟氮化之別。38CrMoAl鋼氣體氮化金相照片如圖1所示。有些零件不希望存在化合物層只需獲得擴散層,這樣更有利於降低滲層的脆性等級。只有擴散層的合金鋼金相照片如圖2所示。



塑料模具用鋼的基體,按其使用硬度的高低可以分成如下幾個檔次:HB200左右的低硬度、HRC28-32的較低硬度、HRC38-42的中等硬度、HRC48-52較高硬度以及超過Hnc56的高硬度。下面就按此分類法歸納塑料模具用鋼。

1低硬度滲碳鋼

10鋼、1010、1.0301、S10C;20號鋼、1020、1.1151、S2OC等優質碳素滲碳鋼。20Cr、5120、P2、1.7027、SCr420;12CrNi3、3310、1.5752、SNC815;20CrNiMo、8620、1.6523、SNCM220等合金滲碳鋼可用於製造塑料模具零件。它們除了相對便宜、規格齊全、便於加工、拋光性能好以外都可以通過冷擠加工成型。如帶有樅筋、特殊花紋瓶蓋、牙膏管、電插頭等模具型腔冷擠成型后經滲碳淬火回火后使用,滲層深度為0.8-1.0mm,滲碳層硬度HRC56-60。因缺乏足夠的基體強度支撐,容易產生塌陷,只適用於載荷低、形狀簡單的小型模具,在傳統的書刊中常看到介紹這類滲碳型塑料模具用鋼。當今,電火花加工(EDM)已普遍用於模具加工生產中,零件高硬度下也能順利加工且加工后無影響精度的變形同時也容易拋光,因而採用冷擠成型的工藝方法逐漸減少了。

2較低硬度(HRC28-32)予硬鋼

這是一類較常用的塑料模具鋼,包括調質與非調的碳素結構鋼、合金結構鋼、合金工具鋼以及不鏽鋼。

碳素結構鋼與合金結構鋼

優質碳素結構鋼45鋼以及S45C、S50C、S55C、s58c;合金結構鋼40Cr、5140、1.7035、SCr440;42CrMo、4140、1.7225、SCM440;40CrNiMo、4340、1.6511、SNCM439;38CrMoAl、1.8505。這些鋼經調質處理可達HRC28-32;非調質的予硬鋼B20、B30、B40也有類似的出廠硬度。它們除了用做模板、模座、模架外,也可用於載荷不大、壽命要求不高的小型模具的型腔和型芯。碳素鋼可以進行軟氮化,合金鋼可以進行氣體氮化和離子氮化以提高零件表面硬度。若可以使淬火變形控制在允許範圍內,如進行鹼浴分級淬火,這類鋼也可以採用滲碳、碳氮共滲淬火回火后使用,基體達到HRC45左右,表面硬度Hnc56以上。這也是一種經濟實用的選擇方案。

合金工具鋼

3Cr2Mo和3Cr2NiMo是兩個具有代表性的塑料模具專用鋼,市場上可以購買到予硬至Hnc28-32的成品料,用戶也可以選用非予硬退火態調質至上述硬度。P20、618、718、M202、M238、1.2738、HPM2、HPM7、KPM30、Px5等也與上述兩個國產鋼號具有類似的化學成分和使用硬度。這類鋼除了做高強度模板、模座外,也可用於大型模具的型腔、型芯和釷塊。它們有適應氮化的含碳量和鉻、鉬合金含量,可獲得理想的氮化層硬度和滲層深度,實現零件內柔外剛的使用要求。

予硬不鏽鋼

有些塑料如PVC(聚氯乙烯)、PET(聚對苯二甲酸乙二醇脂)加熱后注射成型時,會產生腐蝕氣體;零件鍍鉻酸洗時酸蒸汽的侵入;水冷套中水及其添加劑的腐蝕作用以及過大的環境濕度都會對模具材料產生腐蝕作用。在這種場合下需要選用不鏽鋼製造塑料模零件。

Cr13型馬氏體不鏽鋼如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13以及3Cr17Mo等都可以調質到Hnc28-32,或在市場上直接選購予硬品或自行進行調質處理,其中4Cr13和3Cr17Mo是兩個常用牌號,與上述鋼種類似的還有420、1.2083、GS083、SUS420J2、M310、HPM38、S-STAR;1.2316、GS316、M300、M34O、HPM77和168。

3中等硬度(Hnc38-42)予硬鋼

要解決在HRC38-42硬度下順利完成車、銑、刨、鋸、鑽攻絲等難題,從改變鋼的性能角度有兩種方案:一種是向鋼中加入易切削的元素S、Ca、Sn、Cu等,使鋼的切削加工性能得到很大的改善;另一種是通過時效實現析出硬化。5CrNiMnMoVSCa和8Cr2MnWMoVS是國內研製的中碳與高碳型易切削模具鋼。FDAC、QD6F、DH2F也是加了易切削元素的塑料模具鋼。它們在HRC38-42硬度下能順利切削加工,也能通過氮化處理強化表面。時效硬化模具鋼本應先通過固溶處理來降低材料硬度,完成粗精加工成型后再進行500oC左右的保溫時效處理。由於實效時從鋼中析出鎳、鋁等金屬鍵化合物,使材料的硬度上升到HRc38-42。這就是所謂的時效硬化或析出硬化。若再向這類時效鋼中加入銅之類的易切削元素,便成了易切削時效硬化型塑料模具鋼且以HRc38-42的予硬態供應市場。也都有良好的氮化性能。10CrNi3MoALCu、NAK55、NAK80、M261、P21、HPM1、HPM50、PCM40、CENA1屬於這類鋼種類。

G-STAR、E-STAR、PLS則是予硬至HRc38-42的不鏽鋼類予硬態塑料模具鋼。

4較高硬度(HRc48-52)整體淬硬型塑料模具鋼

整體淬硬達到HRc48-52硬度的塑料模零件常選用兩類鋼:一類是非耐蝕適合氮化處理的熱作模具鋼4Cr5MoSiV1(H13、1.2344、W302、DHA1、KDA1S、QD61、SKD61、DAC)。另一類是4Cr13、3Cr17Mo等馬氏體不鏽鋼,相應鋼中在前節中已經列出。它們都可以通過淬火回火處理達到Hnc48-52的硬度值。這兩類鋼可採用真空高壓氣冷淬火,淬火后充分回火使組織轉變充分,應力消除徹底。4Cr5MoSiV1類應採用600oC左右的三次高溫回火。4Cr13不鏽鋼常採用260oC左右的低溫二次回火。圖3所示的是寧波寧興特鋼實業有限公司代理經銷的德國喬志瑪林葛利茲鋼廠生產的1.234ESR大型鍛扁鋼;還有一些中、高碳類的碳素鋼與合金鋼通過淬火回火達到Hnc48-52的硬度值,應用與塑料模具零件上。比如,彈簧鋼:65Mn、1.1066;碳素工具鋼:T10、T72301、1.1645、SK3;熱作模具鋼:5CrNiMo、L6、1.2713、SKT4;耐衝擊鋼:5CrW2Si、S1、1.2542、SKS41;冷作工具鋼:9CrWMn、O1、1.2510、SKS3;Cr5Mo1V、A2、1.2363、SKD12;Cr12MoV、D2、1.2601、SkD11以及鉻軸承鋼GCr15、E52100、1.3505、SVJ2。

5高硬度(HRC56以上)整體淬硬塑料模具鋼

壓制環氧膠、聚脂及加入硬質添加料尼龍、玻璃纖維、金屬粉的熱固、熱塑性塑料成型模需要有很高的耐磨性。鎖圈、脫模圈、凸輪等零件也需要更高的硬度來提高模具壽命。這需要高硬度整體淬硬並適合高壓氣淬真空處理的高碳高合金工具鋼,如DC53、D2、Cr12MoV、1.2379、PD613、A2、Cr5Mo1V等。9Cr18、9Cr18MoV、SUS440C等則是淬硬至Hnc56以上的不鏽鋼類塑料模用鋼。這些鋼種都有比較高的淬透性,有些還存在碳化物偏析,使用中易產生拆斷與開裂。這應在鋼種選用和熱處理工藝上引起注意。
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