4.塑料模具的熱處理

1 塑料模具的工作條件和分類

按照塑料制品不同，塑料模具分為熱固性和熱塑性兩類模具。

熱固性塑料模具是指在加熱和一定條件下，能直接固化成不溶或不熔性塑料制品的模具。成型材料主要是酚醛樹脂、三聚氰胺樹脂等。其工作條件是在受熱200~250℃溫度下壓制各種膠木粉，一般含有大量固體填充劑，多以粉末直接加入壓模熱壓成型。工作受力較大、易磨損、易浸蝕，還會受到脫模的周期性沖擊和碰撞。

熱塑性模具是指在加熱溫度內(nèi)可反復軟化和冷凝成型制品的模具。成型材料主要是聚乙烯、尼龍等。其工作條件是受熱、受壓、受磨損但不嚴重，部分成型材料含有氯及氟等腐蝕性氣體析出，會腐蝕模具。成型材料一般不含固體填充填充料，以軟化形態(tài)注入模具型腔，含有玻璃纖維填料時，會加劇模腔的磨損。

2 塑料模具的主要失效形式

2.1 表面損傷失效

大多數(shù)塑料制品表面光亮，所以塑料模具型腔表面質(zhì)量很高。型腔表面粗糙度惡化，尺寸超差及表面侵蝕，模具就會因此失效。成型材料中的添加劑、材料中是Cl、F元素的腐蝕作用都會加劇表面損傷。

2.2 塑性變形失效

模具在持續(xù)加熱、受力作用下，局部發(fā)生塑性變形，提高模具表面硬度可以改善使用性能。

2.3 斷裂失效

有些塑料模具形狀復雜，存在應力集中區(qū)域，易發(fā)生斷裂。

3 塑料模具材料的選用

塑料模具形狀復雜，加工難度大價格比較昂貴。為提高模具使用壽命，防止早期損壞，合理地先擇材料十分重要。

3.1 塑料模具鋼的性能要求

與冷、熱作模具不同，塑料模具力學性能要求不高，表面質(zhì)量要求高。具體為：

3.1.1 較高的硬度、較好的耐磨性

型腔表面一般硬度要求為HRC30~60，淬硬性＞HRC55，并要有足夠的硬化深度，心部有足夠強韌性，以免發(fā)生脆斷、塑性變形。

3.1.2 一定的抗熱性和耐蝕性

3.1.3 優(yōu)良的根源性能

由于塑料模具一般結構復雜，型腔表面要求有較高甚至很高的光潔度，同時也需要有較好的尺寸精度及穩(wěn)定性。所以塑膠模具鋼熱處理 變形要小，淬透性要高；可加工性要好，要具有優(yōu)良的可拋光性、耐磨性；靠冷擠壓成型的塑料模具，材料需具有較好的冷擠壓成型特性，淬火后又有較高的變形抗力；另外還需要有良好的鍛造、焊接等工藝性能。表38為常用塑料模具鋼使用性能和工藝性能比較表。

▼表38 常用塑料模具鋼使用性能和工藝性能比較

3.2 塑料模具材料的選擇

塑料模具材料的選擇可參照表39 。

▼表39 塑料模具材料選用表

4 塑料模具的熱處理工藝

4.1 退火

表40 為塑料模具鋼的退火工藝。

▼表40 塑料模具鋼的退火工藝

4.2 淬火

塑料模具淬火時，要采取防氧化、脫碳、侵蝕和畸變措施。淬火工藝如表41所示。要求有高韌性的塑料模具可采用低碳鋼或低碳合金鋼進行滲碳或碳氮共滲處理。

▼表41 塑料模具鋼的淬火工藝

4.3 回火

塑料模具鋼回火溫度與硬度的關系見表42 。

▼表42 塑料模具鋼的回火溫度與硬度的關系

4.4 滲碳型塑料模具鋼的熱處理工藝

滲碳型塑料模具一般深層深度為0.8~1.5，深層含碳量為0.7%~1.0%，滲層內(nèi)不允許有粗大未溶碳化物、網(wǎng)狀碳化物、晶界內(nèi)氧化等缺陷。滲碳溫度為900℃~920℃，時間5~10h；或2段滲碳，第一階段900~920℃ ，時間5~8h，第二段溫度820~8540℃ 時間2~3h。12CrNi3A滲碳后可直接空冷淬火而達到滿意效果。其工藝為910℃滲碳后爐冷至800~850℃出爐風冷淬火，200~250℃回火2~4h，硬度HRC53~56，變形輕微。

4.5 預硬型塑料模具鋼的熱處理工藝

參見表43 。

▼表43 預硬型塑料模具鋼的熱處理工藝規(guī)范

4.6 時效性塑料模具鋼的熱處理工藝

馬氏體時效鋼18Ni（250）、18Ni（300）、18Ni（350）的熱處理可參照表44實施。

▼表44 時效硬化模具鋼的熱處理工藝規(guī)范

4.7 塑料模具的熱處理工藝實例

圖11~圖14 列出了幾種塑料模具的見圖和工藝曲線。

▲圖11 20Cr鋼制膠木模具簡圖和熱處理工藝

▲圖12 CWMn鋼制膠木模具簡圖和熱處理工藝

▲圖13 T10A鋼制塑料模具簡圖和熱處理工藝

▲圖14 5CrMnMo鋼制塑料模凹模簡圖和熱處理工藝

五、提高模具性能和壽命的途徑

采用高強韌模具材料和強韌化處理工藝，是提高模具使用性能和壽命的十分重要的措施。由于模具尺寸、形狀的復雜程度和鋼制條件及失效類型的差異非常懸殊，因此，在選材、確定熱處理工藝、選用硬度時，要充分注意模具的具體使用條件。

1 高強韌模具材料的應用及效果

高強韌模具材料的應用及使用壽命見表45 。

▼表45 高強韌模具材料的應用及效果實例

2 模具強韌化處理工藝

模具的強韌化處理及應用實例見表46 。

▼表46 模具強韌化處理應用實例

對于高精密、要求尺寸和性能穩(wěn)定的模具，常常采用真空熱處理。

工藝見表47。

▼表47 常用模具鋼真空熱處理工藝參數(shù)

真空熱處理的模具往往比常規(guī)熱處理的使用壽命有顯著提高。圖15為幾種冷作模具應用實例結果比較。

▲圖15 冷作模具鋼真空熱處理對模具壽命的影響

a）Cr12MoV搓絲板 b）W6Mo5Cr4V2十字螺釘成型沖頭

3 模具表面強化技術應用實例

模具表面強化處理是提高收益性能和壽命的重要措施。目前模具表面回去措施分為三類：

3.1 不改變表面化學成分的方法

主要有表面感應淬火、火焰表面淬火、電子束相變強化、激光相變硬化和加工硬化等。

3.2 改變表面活性成分的方法

有滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲金屬、復合滲TD法和離子注入等。

3.3 表面形成涂覆層的方法

有鍍金屬、堆焊、高能束（激光、電子束、等離子束等）合金化層、化學氣相沉積（VCD）和物理氣相沉積（PVD）等

各種表面強化方法的主要特性比較見表48 。

▼表48 模具不同表面強化方法的主要特性比較

3.3.1 模具表面強化方法的選擇原則

1）提高模具表面的耐磨性

模具鋼的耐磨性與鋼中碳化物的類型與數(shù)量有關，即便是高碳高鉻類模具鋼其耐磨性仍不能滿足要求。采用表面強化的方法來提高模具表面耐磨性是行之有效的。有關資料表明，氣體氮碳共滲可使高速鋼表明的耐磨性提高2~5倍。滲硼、滲釩以及碳化鈦層的耐磨性更高。

2）耐磨性與強韌性的良好配合

對大多數(shù)模具材料來說，提高強韌性往往要損失耐磨性。解決辦法是選擇合適的的模具材料，進行合適的熱處理使其獲得最佳強韌性基體，然后通過表面強化方法通過表面耐磨性。例如縫紉機梭子的冷擠壓凸模，采用高速鋼W18Cr4V制造，模具經(jīng)常碎裂，使用壽命極不穩(wěn)定；改用基體鋼6Cr4W3Mo2Nb后，韌性大大改善，但耐磨性不足，壽命僅1.6萬件；用該材料淬火后加氣體氮碳共滲處理，其壽命達到2.68萬件，基體鋼的強韌性和表面的耐磨性達到了良好的配合。

3）提高抗咬合能力

在拉深、擠壓等類模具中經(jīng)常發(fā)生冷焊現(xiàn)象，解決這類問題的方法通過表面處理降低模具表面的摩擦系數(shù)。有的表面處理方法是使其表面疏松、有微孔、塑性好，這不僅利于降低表面摩擦系數(shù)，還可以改變潤滑狀況，提高抗拉毛、燒傷和抗咬合能力。表面滲硫、滲氧就具有這類特性。

4）改變表面應力狀態(tài)

模具經(jīng)過淬火回火后，表面處于拉應力狀態(tài)，這會促使裂紋早期形成。很多表面處理方法可以改變這種應力狀態(tài)，邊拉應力為壓應力。由于表面形成了殘留壓應力，從而延遲了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴展，有利于提高模具的沖擊疲勞失效抗力，延長毛巾使用壽命。這是只采用新模具材料和改變熱處理工藝方法所不能起到的作用。例如，電子束相變強化表面和真空滲氮處理后均可使模具表面形成600~800MPa的殘留壓應力。

5）提高抗氧化性和抗腐蝕性

有些熱作模具和塑料模具都有被氧化和被腐蝕的問題，僅靠模具本身的性能往往不能滿足要求。常需要強化表面的抗氧化和抗腐蝕方法來彌補。例如塑料模具您們鍍鉻就具有很好的抗腐蝕性。

3.3.2 表面強化技術在模具上的應用

1）滲氮

滲氮是模具表面改性常用方法。部分模具滲氮的工藝和效果參見表49 。

▼表49 部分模具的滲氮工藝和效果

2）滲硫

低溫電解滲流法：以工件為陽極，坩堝或輔助工具為陰極，在硫氰酸鹽中，通過電場的作用，熔鹽發(fā)生電解電離產(chǎn)生二價硫負離子，并被電場推向陽極，與二價鐵正離子結合成硫化層。

熔鹽成分（wt）75%KCNS+25%NaCNS+1%~3%K4Fe（CN）6 。

處理溫度為180~200℃，時間10~25min，工作電壓0.8~4V，工作電流2~7A。

工藝流程：脫脂→酸洗→水洗→干燥→裝夾→預熱→電解滲硫→清洗→烘干→浸油→檢驗。

3）滲硼

滲硼是模具制造中比較有效的化學熱處理工藝。滲硼層硬度高（1500~2200HV）、耐磨性、耐熱性顯著提高。

常用滲硼工藝規(guī)范如表50 所示。

▼表50 常用滲硼工藝規(guī)范

4）TD法

TD法是利用硼砂作為鹽浴，向金屬表面擴散V、Nb、Ti、Cr等金屬元素。由于硼砂熔點為740℃，其分解溫度高達1573℃，在滲金屬溫度（850~1000℃）范圍內(nèi)極為穩(wěn)定，而且熔融態(tài)的硼砂又能使金屬表面潔凈，有利于金屬元素的吸附。

TD法的鹽浴配方見表51 。

▼表51 TD法的鹽浴配比

5）LT工藝

武漢材料保護研究所研制的再生鹽J-1用于LT處理工藝，可實現(xiàn)金屬表面的氮、硫、碳、氧共滲?？商岣吣＞弑砻娴目挂Ш闲?、耐磨性、抗疲勞性和耐腐蝕性等。在模具應用上取得良好效果。

LT工藝處理溫度為500~580℃，工藝時間1~1.5h，深層可達8~12μm。設備僅需一個中溫外熱式鹽浴爐。

工藝流程為：脫脂→預熱→LT處理（500~580℃，10~180min）→冷卻→沸水去鹽→沸水燙干→熱浸油。

6）離子注入

是將高能束的離子轟入基體材料表面，形成極薄的近表面合金化層，從而改變金屬表面的物理、化學、和力學性能。部分模具離子注入后的使用壽命見表52 。

▼表52 部分模具離子注入后的使用壽命

7）模具表面強化應用舉例

表53 列舉了一些模具表面強化工藝及應用效果。

▼表53 模具的表面強化工藝及應用效果舉例

六、模具熱處理的缺陷分析及預防措施

1 模具熱處理的畸變方式及控制

1.1 模具熱處理的畸變方式

模具壁厚的均勻性、形狀的對稱性、結構剛性等對畸變有顯著影響。圖16為熱處理畸變的基本特征。圖17為凹模壁厚對型腔淬火畸變的影響。幾種常用冷作模具的淬火畸變見表54 。

▲圖16 熱處理畸變基本特征

▲圖17凹模壁厚對型腔淬火畸變的影響

a）不同壁厚比T10A、CrWMn鋼試樣

b）T10A不同壁厚凹模

▼表54 幾種常用冷作模具鋼的淬火畸變

1.2模具熱處理畸變樣子因素

模具熱處理過程產(chǎn)生的長處和形狀經(jīng)畸變主要由熱應力和組織應力引起，這類應力受多種因素的影響。如含碳量、尺寸形狀、鋼的基本特性及熱處理工藝等。表55、表56分別為模具鋼的基本特性及工藝因素對熱處理畸變的影響。

▼表55 模具鋼基本特性對熱處理畸變傾向的影響

▼表56 工藝因素對來自模具型腔畸變傾向的影響

1.3控制和減少熱處理畸變的措施

常用正確的熱處理工藝和相應的預防畸變的措施，可使模具的熱處理控制在最小限度內(nèi)。已經(jīng)畸變的模具也可以采用熱矯正方法予以矯正。

生產(chǎn)中可采用如下的一些防熱處理畸變的措施：

1.3.1正確選用模具材料

碳素工具鋼淬透性低，淬火畸變大；合金工具鋼淬透性高，畸變小。此外，模具鋼纖維流向?qū)冇酗@著一些，平行于纖維流線方向的畸變要大于垂直方向的畸變。

1.3.2合理的模具設計

模具設計時，對壁厚不均勻的模具增開工藝孔，對復雜的模具。，要采用鑲拼塊結構；對有薄壁、尖角的模具，要改用圓角過度和增大圓角半徑。具體可參見圖18。

▲圖18 模具增加工藝孔減少畸變示意圖

1.3.3去應力退火

模具加工后淬火前采用去應力退火可以減少淬火畸變。圖19示出了模具鋼冷加工后的去應力退火對較少淬火畸變的作用。

▲圖19 模具鋼冷加工后的去應力退火對減少淬火畸變的作用

a）去應力退火及淬火介質(zhì)對Cr12試樣畸變的影響

b）去應力退火對殘留畸變的影響

c）去應力退火工藝曲線

1.3.4做好淬火前原始組織的預處理

模具鋼采用六面鍛造、反復鐓拔、預先正火、快速球化退火等工藝，可消除網(wǎng)狀碳化物、帶鏈、，并獲得細小、均勻分布的碳化物，在淬火時可獲得最小畸變。

1.3.5采用合理的熱處理工藝

1）采用預熱和預冷工藝以減少熱應力。

2）采用下限淬火溫度。

3）采用馬氏體分級淬火或貝氏體等溫淬火。

4）在Ms點以下進行緩冷并及時回火。

1.3.6采用機械加固以減少熱處理畸變

采用機械加固以減少畸變的方法見圖20 。

▲圖20 模具機械加固以減少熱處理畸變措施示意圖

a）加工時預留工藝拉緊 b）成對加工后淬火

c）加工藝拉桿 d）長凹槽預留工藝拉筋

1.3.7采用合理的進入淬火槽的方向與冷方式

模具進入淬火介質(zhì)的方向及冷卻介質(zhì)相對于模具的流動方向合理是減少模具熱處理畸變的有效措施。

1.3.8采用平衡輔具減少熱處理畸變

圖21為熱平衡輔具的應用。

▲圖21 減少熱處理畸變而采用的熱平衡輔具

a）安置在型腔中 b）安置在背面

c）安置在孔外面 d）安置在內(nèi)孔中

1.3.9低溫調(diào)質(zhì)預縮處理

低溫調(diào)質(zhì)預縮處理是在高于A1點的溫度預淬火并進行高溫回火（550~650℃）。其體積可小于退火狀態(tài)，以此抵消淬火時馬氏體轉(zhuǎn)變的膨脹效應。其效果可以削弱高速鋼的異?；儍A向，可使Cr12MoV鋼縱向、橫向畸變漲縮率差異降低50%，減小翹曲。

2 模具熱處理常見缺陷及預防措施

模具熱處理中常見的缺陷、產(chǎn)生原因及防止措施如表57所示。

▼表57 模具熱處理中常見缺陷、產(chǎn)生原因及預防措施