金屬材料與熱處理畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金與建筑工程系 2013屆畢業(yè)生畢業(yè)論文 論文題目 對(duì) 塑料水杯模具的設(shè)計(jì)與熱處理 專 業(yè) 金屬材料與熱處理 年 級(jí) 10 級(jí)金屬材料 班 學(xué) 號(hào) 201003210115 學(xué) 生 姓 名 徐英強(qiáng) 聯(lián) 系 方 式指 導(dǎo) 教 師 解傳娣 職 稱： 講師 完 成 日 期： 2013 年 5 月 10 日 高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁液壓法的施工 目錄 0 引言 .5 1 塑料模具的工作條件及失效形式 .5 1.1 塑料模具的工作條件 .5 1.2 影響塑料模具鋼選擇的因素 .5 1.3 塑料模具失效分析 .6 1.3.1 一般模具失效因素分析 .6 1.3.2 塑料模具鋼的性能要求 .7 2 塑料模具合理選材與熱處理的基準(zhǔn) .8 2.1 塑料模具的選材 .8 2.1.1 選用模具鋼的原則 .8 2.1.2 合理選用塑料模具鋼 .9 2.1.3 塑料模選用材料的發(fā)展方向 .9 2.2 塑料模具鋼的熱處理 .10 3 典型塑料模具的失效分析及處理辦法 .10 3.1 塑料模具表面高溫 沖蝕現(xiàn)象 .10 3.1.1 原因分析 .11 3.1.2 提高塑料模具表面抗高溫沖蝕方法 .11 3.2 塑料模表面桔皮和麻坑現(xiàn)象 .12 3.2.1 原因分析 .13 3.2.2 表面缺陷的處理方法 .13 4 塑料模具的表面處理技術(shù) .14 4.1 塑料模具的表面性能要求及其失效形式 .14 4.2 塑料模具的表面處理 .14 4.2.1 表面熱處理 .15 4.2.2 電鍍和化學(xué)鍍 .16 4.2.3 氣相沉積 .17 4.2.4 三束改性 .18 4.2.5 熱噴涂和熱噴焊技術(shù) .18 4.3 常用的塑料摸具表面處理技術(shù)編合比較 .19 4.3.1 塑料模具表面改性技術(shù) 的選用原則 .19 5 塑料模具技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) .20 結(jié)束語 .21 參考文獻(xiàn) .21 致謝 .22 引言 新型材料如塑料永久地占領(lǐng)了新的市場(chǎng)，近年來其產(chǎn)量和消費(fèi)量都相對(duì)穩(wěn)定增長這一增長的主要原因是由于塑料成了傳統(tǒng)金屬的替代品。塑料的多樣性開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域，如汽車零件、瓶子、計(jì)算機(jī)機(jī)箱、家具和許多家用器具 等都是塑料制造，塑料制品通常由聚合物或聚合物與其他組分的混合物，于受熱后在一定條件下塑制成一定形狀，并經(jīng)冷卻定型，修整而成。這個(gè)過程就是塑料的成型與加工，塑料的成型加工方法已有數(shù)十種，同時(shí)塑料模具是塑料成型加工中不可缺少的工具，在總的模具產(chǎn)量中所占的比例逐年增加，在當(dāng)前已處于重要位置。在我國塑料模具的應(yīng)用在國民經(jīng)濟(jì)中的地位愈來愈重要。它的鋼材耗用量大，品種規(guī)格多，形狀復(fù)雜，表面粗糙度值要求低，制造難度大。因此，探討塑料模具的制造中的選用材料與熱處理問題，綜合分析其工作條件、失效、性能，合理選用材料與熱處理以 及提高它的使用壽命，保證制件質(zhì)量，降低制造成本顯得非常重要。 1 塑料模具的工作條件及失效形式 1.1 塑料模具的作條件 表 1 塑料水杯模具的工作條件 條件 分類 工作壓力 (MPa) 工作溫度 ( ) 摩擦狀態(tài) 進(jìn)型腔時(shí)物料狀態(tài) 腐蝕狀態(tài) 小結(jié) 熱固性塑料模 2000-8000 150-250 摩擦磨損大 固體粉末狀態(tài)或預(yù)制坯料 有時(shí)有腐蝕 受熱 ,受力 ,受磨損較大 熱塑性塑料模 3000-6000 150-250 摩擦磨損小 ,當(dāng)加入某些固態(tài)填料時(shí) (玻璃纖維 ,石英粉 )磨損較大 粘流狀態(tài) 有時(shí)有腐蝕 受熱 ,受力 ,磨損較小 1.2 影響塑料模具鋼選擇的因素 (1) 切削加工性。對(duì)于大型、復(fù)雜和精密的擠壓或注塑模具，通常預(yù)硬化到 2835HRC 之間 , 再進(jìn)行切削和磨削加工，到達(dá)所要求的形狀精度與尺寸精度后，直接投人使用，從而可以排除熱處理變形、氧化和脫碳的缺陷。由于塑料模具的型腔的幾何形狀通常比較復(fù)雜，往往有深孔、深溝槽、窄縫等難加工部位，因此鋼材必須具有易切削的性能。通常加人 S、 Ca 和稀土元素，來改善預(yù)硬鋼的切削加工性，如我國研制的 5NiCaS。但是，由于易切削鋼中含硫量較高，且存在大量的雜物，所以模具 鋼的力學(xué)性能特別是橫向性能相對(duì)較低。 （ 2)鏡面加工性能。光盤或塑料透鏡等塑料制品的表面粗糙度要求很高，一般要求 Ra 值 0.01 一 0.02m，主要由模具型腔的表面粗糙度來保證，一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一級(jí)。模具鋼的鏡面加工性能與鋼的純潔度、組織、硬度和鏡面加工技術(shù)有關(guān)。高的硬度、細(xì)小而均勻的顯微組織，非金屬雜質(zhì)少，均有利于鏡面的拋光性的提高。鏡面拋光性要求高的塑料模具鋼均采用真空熔煉或真空除氣2。 （ 3)耐蝕性能。有些塑料含有氟和氯，比如聚氯乙烯、氟塑料以及添加阻燃劑的阻燃塑料 (如 ABS)。 由于在擠出或注塑過程中，模具接觸腐蝕介質(zhì)，應(yīng)選用耐蝕性好的塑料模具鋼，如 Cr14Mo，或鍍鉻，或采用鎳磷非晶涂層。 （ 4)非磁性。在注射成型塑料粘性磁體時(shí)，磁場(chǎng)注射模具主要有高強(qiáng)度、耐磨性較好的非磁性模具鋼制造，如 18 一 8 型不銹鋼經(jīng)氮化處理，或用 70Mn、 15Cr4V2WMo等 , 也有設(shè)計(jì)者采用釵銅合金材料，但是價(jià)格比非磁性模具鋼高，而且切削加工性較差。 （ 5)圖案光刻性能。有些塑料制品表面要求呈現(xiàn)清晰而豐滿的圖案紋，它對(duì)模具鋼材質(zhì)的要求與精密拋光性能相似，鋼純凈度、組織致密度、硬度都要求較高。 （ 6)耐磨 損性。塑料在模具型腔中塑性變性時(shí)，沿型腔表面既流動(dòng)又滑動(dòng)，使型腔表面與塑料間產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而導(dǎo)致模具因磨損而失效，所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影響耐磨性的主要因素，一般情況下 , 模具零件的硬度越高，磨損量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性還與材料中碳化物的種類、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布有關(guān)。 1.3 塑料模具失效因素分析 1.3.1 一般模具失效因素分析 一般模具制造中包括模具設(shè)計(jì)、選用材料、熱處理機(jī)械加工、調(diào)試與安裝等過程。根據(jù)調(diào)查表明：模具失效的因素中，模具所使用的材料與熱處理是 影響使用壽命的主要因素 (詳見表 2)，其比例約占 70 %，國內(nèi)外的有關(guān)資料也表明了相同的結(jié)果。從全面質(zhì)量管理的角度出發(fā)，不能把影響模具使用壽命的諸因素作為多項(xiàng)式之和來衡量，而應(yīng)該是多因素的乘積，這樣模具材料與熱處理的優(yōu)劣在整個(gè)模具制造過程中就顯得特別重要。 表 2 塑料水杯模具失效因素 失效因 熱處理 原材料 使用 機(jī)械加工 鍛造 設(shè)計(jì) 素 所占百分比 (%) 52.2 17.8 10 8.9 7.8 3.3 塑料模具的重要失效形式為磨損失效，局部塑性變形失效和斷裂失效。 （ 1）當(dāng)塑料模具使用的材料 與熱處理不合理，塑料模具的型腔表面硬度低， 而耐磨性差，其表現(xiàn)為，型腔面因磨損及變形引起的尺寸超差；粗糙度值因拉毛而變高，表面質(zhì)量惡化。尤其是當(dāng)使用固態(tài)物料進(jìn)入塑模型腔，它會(huì)加劇型腔面的磨損，故塑料模產(chǎn)生了磨損失效。加之，塑料加工時(shí)含有氯、氟等成份受熱分解出腐蝕性氣體 HCl、 HF，使塑料模具型腔面產(chǎn)生腐蝕磨損，形成侵蝕失效。 （ 2）局部塑性變形失效。塑料模具所采用的材料強(qiáng)度與韌性不足，變形抗力低；當(dāng)填充的物料進(jìn)入塑模型腔內(nèi)，有超載，持續(xù)受熱，周期受壓，而應(yīng)力分布不均勻，以及塑模型腔面硬化層過薄，從而使塑模 產(chǎn)生局部的塑性變形而引起的表面皺紋、凹陷、麻點(diǎn)棱角堆塌，超過要求限度而造成失效以及回火不充分等因素使塑料模具壽命縮短，過早的失效。 （ 3）斷裂失效。塑料模具形狀復(fù)雜，多棱角薄邊，應(yīng)力嚴(yán)重集中在韌性不足之外。同時(shí)，塑料模采用合金工具鋼回火不充分，而發(fā)生斷裂失效。 1.3.2 塑料模具鋼的性能要求 從塑料模三種失效形式可知 : 選用合理的塑料模具材料與熱處理 , 對(duì)它的使用壽命至關(guān)重要。故此，塑料模具材料的選用與熱處理應(yīng)滿足下列要求 : (1) 滿足工作條件要求 耐磨性。塑料在模具型腔中塑性變性時(shí)，沿型腔表面既流 動(dòng)又滑動(dòng)，使型腔表面與塑料間產(chǎn)生劇烈的摩擦，從而導(dǎo)致模具因磨損而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影響耐磨性的主要因素。一般情況下， 模具零件的硬度越高，磨損量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性還與材料中碳化物的種類、數(shù)量、形態(tài)、大小及分布有關(guān)。 強(qiáng)韌性。模具的工作條件大多十分惡劣，有些常承受較大的沖擊負(fù)荷，從而導(dǎo)致脆性斷裂。為防止模具零件在工作時(shí)突然脆斷，模具要具有較高的強(qiáng)度和韌性。模具的韌性主要取決于材料的含碳量、晶粒度及組織狀態(tài)。 疲勞斷裂性能。模具工作過程中，在循環(huán)應(yīng)力的 長期作用下，往往導(dǎo)致疲勞斷裂。其形式有小能量多次沖擊疲勞斷裂、拉伸疲勞斷裂、接觸疲勞斷裂及彎曲疲勞斷裂。模具的疲勞斷裂性能主要取決于其強(qiáng)度、韌性、硬度、以及材料中夾雜物的含量。 高溫性能。當(dāng)模具的工作溫度較高時(shí)，會(huì)使硬度和強(qiáng)度下降，導(dǎo)致模具早期磨損或產(chǎn)生塑性變形而失效。因此，模具材料應(yīng)具有較高的抗回火穩(wěn)定性，以保證模具 在工作溫度下，具有較高的硬度和強(qiáng)度。 耐冷熱疲勞性能。有些模具在工作過程中處于反復(fù)加熱和冷卻的狀態(tài)，使型腔表面受拉、壓力變應(yīng)力的作用，引起表面龜裂和剝落，增大摩擦力，阻礙塑性變形，降低了尺 寸精度，從而導(dǎo)致模具失效。冷熱疲勞是熱作模具失效的主要形式之一，這類模具應(yīng)具有較高的耐冷熱疲勞性能。 耐蝕性。塑料模在工作時(shí)，由于塑料中存在氯、氟等元素，受熱后分解析出 HCI、HF 等強(qiáng)侵蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，增加其表面粗糙度值，加劇磨損失效。 (2)滿足工藝性能要求 模具的制造一般都要經(jīng)過鍛造、切削加工、熱處理等幾道工序。為保證模具的制造質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，其材料應(yīng)具有良好的可鍛性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；還應(yīng)具有小的氧化、脫碳敏感性和淬火變形開裂傾向。 可鍛性。具有較低的熱鍛變 形抗力，塑性好，鍛造溫度范圍寬，鍛裂冷裂及析出網(wǎng)狀碳化物傾向低。 退火工藝性。球化退火溫度范圍寬，退火硬度低且波動(dòng)范圍小，球化率高。 切削加工性。切削用量大 , 刀具損耗低，加工表面粗糙度值低。 氧化、脫碳敏感性。高溫加熱時(shí)抗氧化性能好，脫碳速度慢，對(duì)加熱介質(zhì)不敏感，產(chǎn)生麻點(diǎn)傾向小。 淬硬性。淬火后具有均勻而高的表面硬度。 淬透性。淬火后能獲得較深的淬硬層，采用緩和的淬火介質(zhì)就能淬硬。 淬火變形開裂傾向。常規(guī)淬火體積變化小，形狀翹曲、畸變輕微，異常變形傾向低。常規(guī)淬火開裂敏感性低，對(duì)淬火溫度及工 件形狀不敏感。 可磨削性。砂輪相對(duì)損耗小，無燒傷極限磨削用量大，對(duì)砂輪質(zhì)量及冷卻條件不敏感，不易發(fā)生磨傷及磨削裂紋。 (3)滿足經(jīng)濟(jì)性要求 在給模具選材時(shí)，必須考慮經(jīng)濟(jì)性這一原則，盡可能地降低制造成本。因此，在滿足使用性能的前提下，首先選用價(jià)格較低的，能用碳鋼就不用合金鋼，能用國產(chǎn)材料就不用進(jìn)口材料。另外，在選材時(shí)還應(yīng)考慮市場(chǎng)的生產(chǎn)和供應(yīng)情況，所選鋼種應(yīng)盡量少而集中，易購買。 2 塑料模具合理選材與熱處理的基準(zhǔn) 隨著對(duì)塑料模具的要求的提高 ,對(duì)模具鋼材也提出了更多的要求。即希望提供更、更好的具有高硬度鏡面加工 性能好 ,耐磨性能強(qiáng)的淬火 ,回火類新鋼材。 但是 ,還要根據(jù)塑料的類型以及對(duì)被成型的塑料制品的尺寸、精度、質(zhì)量、數(shù)量不同的要求 ,并考慮已有制造模具的條件來選用不同類型的塑料模具鋼及其熱處理。 2.1 塑料模具的選材 2.1.1 選用模具鋼的原則 (1) 適應(yīng)模具的工作條件 ； (2) 適應(yīng)模具的尺寸大小、復(fù)雜程度和精度要求 ； (3) 適應(yīng)塑件的生產(chǎn)批量要求 ； (4) 選用的模具鋼應(yīng)具有良好的成形加工性能和拋光性能 ； (5) 優(yōu)先選用我國自產(chǎn)、冶金質(zhì)量穩(wěn)定可靠的模具鋼。 2.1.2 合理選用塑料模具鋼 表 3 塑料水 杯模具的選用 工作條件 推薦鋼號(hào) 生產(chǎn)塑料產(chǎn)品批量較小 , 精度要求不高 , 尺寸不大的模具 45、 55 鋼或 10、 20 鋼滲碳 在使用過程中有較大的動(dòng)載荷 , 生產(chǎn)批量較大 , 磨損嚴(yán)重 12CrNi3A、 20Cr、 20CrMnMo、 20Cr2Ni4A 鋼滲碳 大型、復(fù)雜、批量較大、注射成型或擠壓成型模具 3Cr2Mo、 4Cr3Mo3SiV、 5CrNiMo、 5CrMnMo、 4Cr5MoSiV、4Cr5M0SiV1、 熱固性成型及要求高耐磨、高強(qiáng)度、塑料模具 9Mn2V、 7CrMn2WMo、 CrWMn、 MnCrWV、 GCr15、 5Cr2MnWMoVs、Cr2 Mn2SiWMoV、 Cr6WV、 Cr12MoV、 Cr12 耐腐蝕和高精度塑料模具 2Cr13、 4Cr13、 9Cr18、 Cr18MoV、 Cr14Mo、 Cr14Mo4V 復(fù)雜、精密、高耐磨塑料模具 25CrNi3MoAL 18Ni ( 250） 、 18Ni （ 300） 、 18Ni （ 350） 2.1.3 塑料模選用材料的發(fā)展方向 塑料模具對(duì)鋼材的質(zhì)量和性能有一些特殊要求。例如 :熱處理變形小，研磨與拋光性能好，光潔度高，有較強(qiáng)的花紋刻蝕性，尺寸穩(wěn)定 ，有別于其他模具材料， 尤其是型腔復(fù)雜，高精度的塑料模具對(duì)模具的選材有更高的要求，但模具鋼直接影響模具的壽命。現(xiàn)有的國產(chǎn)傳統(tǒng)的模具鋼從品種質(zhì)量、性能等方面都不能滿足現(xiàn)代化的生產(chǎn)需求，于是國內(nèi)又開發(fā)與研制了一些新型的塑料模具鋼，以供選用。 （ 1） 5CrMnMoVSCo 5NiSCo 高韌性易切削料、模具鋼，這種鋼材在國內(nèi)是首創(chuàng)，其切削加工性、等向性、韌性和可鍛性均好。 5NiMoSCo 預(yù)處理采用調(diào)質(zhì)工藝，其淬火溫度為 890 900 ，油淬之后， 硬度在 HRC60 以上。 650回火后，予處理硬度為 HRC35，其切削加工性同退火狀態(tài)的 45 鋼 ,可順利 地進(jìn)行多種切削加工。 (2)SM1 和 SM2 塑料模具鋼它屬于硫系易切削模具鋼，用于要求高的注射模、壓鑄模，效果良好。兩種模具鋼中的元素， S 以 MnS 型微粒夾雜存在，可以起到減少切削力和易于斷屑的作用。 SM1 鍛軋之后 ,迅速退火 ,而 SM2 則不用退火，直接經(jīng)時(shí)效和預(yù)硬化處理可使用。二種鋼經(jīng) 570氮化后，心部基體強(qiáng)度不變，表面硬度可達(dá)HV1100。 SM2 可氮化與時(shí)效同時(shí)進(jìn)行。 2.2 塑料模具鋼的熱處理 塑料模具如果采用常規(guī)的熱處理質(zhì)量無法保證，模具使用壽命短 ,材料的利用率僅為 60%,為此，對(duì)塑料模具中所使用的鋼材，應(yīng)采用特別的熱處理，以延長塑模使用壽命。 對(duì)于要求心部具有高的強(qiáng)韌性和表面層的耐磨性的塑料模具，可通過表面強(qiáng)化處理技術(shù)，提高耐磨性和使用壽命。然而表面強(qiáng)化技術(shù)，它不僅能提高塑模型腔表面的耐磨性，而且能使塑模內(nèi)部保持足夠的強(qiáng)韌性，這對(duì)于改善塑料模的綜合性能，節(jié)約合金元素，大幅度降低成本，充分發(fā)揮材料的潛力，以及更好地利用新材料，都是十分有效的，實(shí)踐證明：表面強(qiáng)化技術(shù)是提高塑模質(zhì)量和延長其使用壽命的主要途徑。 采用電火花表面強(qiáng)化技術(shù)，它是通過火花放電作用 ，把一種導(dǎo)電材料（ YT15、YT30）涂敷及滲透到另一種導(dǎo)電鋼制模 45 鋼的表面上，構(gòu)成合金化的表面層，從而改變模具工作面的物理和化學(xué)性能的一種工藝方法。為了使被強(qiáng)化的 45 鋼制模具的基體表面光潔，事先必須將模具基體 45 鋼的工作面和電極表面清洗干凈，然后手握 D9110 強(qiáng)化機(jī)將電極 YT15、 YT30 沿模具 45 鋼制作工作面移動(dòng)，并保持一定的壓力，使火花放電均勻連續(xù)。經(jīng)電火化強(qiáng)化之后，被強(qiáng)化表層顯微硬度可達(dá) HV1100 1400，甚至更高。其強(qiáng)化層與結(jié)合牢固，耐沖擊、不剝落。強(qiáng)化處理時(shí)，工件處于冷態(tài)，且放電 點(diǎn)極小，時(shí)間短，沒有退火變形等現(xiàn)象，這大大提高模具型腔面的耐熱性、耐磨性、熱硬性和耐蝕性，生產(chǎn)實(shí)踐證明，經(jīng)電火花表面強(qiáng)化后，擠出塑料模具工業(yè)對(duì)模具鋼的需求也越來越大塑料模 使用壽命可提高 1 倍以上，強(qiáng)化層在使用過程中磨損后，還可以重新進(jìn)行強(qiáng) 化 5。 3 典型塑料模具的失效分析及處理辦法 3.1 塑料模具表面高溫 沖蝕現(xiàn)象 塑料模 ( 如塑料注射成型模、壓塑模、擠塑模、塑料擠出模、吹塑模等 )等塑料模具在使用過程中，往往使用不了多長時(shí)間就出現(xiàn)尺寸精度和表面粗糙度的破壞，造成生產(chǎn)的塑料制品質(zhì)量達(dá)不到要求的現(xiàn)象，甚至導(dǎo) 致塑料模具早期失效 , 既影響生產(chǎn)也造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。到底是什么原因造成塑料模具尺寸精度和表面粗糙度的破壞呢？通過深入調(diào)查和大量的資料統(tǒng)計(jì)，得出塑料模具尺寸精度和表面粗糙度下降的主要原因是塑料模具在使用過程中的高溫沖蝕 氧化現(xiàn)象造成的，即處于高 溫作用下的塑料模具，其表面在腐蝕性固體顆粒沖刷下，以及塑料模具表面材料與工件產(chǎn)生的強(qiáng)烈摩擦，使得塑料模具表面產(chǎn)生了高溫沖蝕 氧化破壞現(xiàn)象，造成塑料模具尺寸精度和表面粗糙度的破壞，導(dǎo)致塑料模具早期失效，影響了塑料制品的質(zhì)量 1。 3.1.1 原因分析 造成塑料模具表面 高溫沖蝕 氧化現(xiàn)象的主要因素有溫度、固體粒子的沖擊速度、塑料模具材料性能等 溫度的影響 研究表明塑料模具表面材料沖蝕 -氧化破化程度隨環(huán)境溫度的上升而增大，但達(dá)到某一臨界值后，塑料模具表面材料沖蝕 -氧化破化程度又有一定的下降。如果塑料模具表面氧化膜的耐沖蝕能力不如塑料模具表面材料，它將在粒子沖擊下和塑料模具表面材料一起流失。而且，隨著溫度的升高，塑料模具表面的氧化率增加很快，流失率也隨著增加。也就是說，在一特征溫度下，沖蝕 腐蝕率中氧化皮造成的流失大于塑料模具表面金屬造成的流失量時(shí) , 沖蝕在塑料模具表面材 料流失機(jī)制中占主導(dǎo)地位。但達(dá)到臨界溫度值后，氧化皮在粒子沖擊間隔時(shí)間內(nèi)變得更厚，且與塑料模具表面材料的結(jié)合強(qiáng)度更高，足以抵抗隨后的磨粒沖擊，這時(shí)材料的沖蝕腐蝕率會(huì)逐漸下降，而使其流失機(jī)制轉(zhuǎn)入“腐蝕為主”的范圍 沖擊速度的影響 沖擊速度大表明磨粒對(duì)塑料模具表面沖擊的能量大、時(shí)間短，這對(duì)高溫環(huán)境中塑料模具表面的氧化皮生長和破壞產(chǎn)生明顯的影響。試驗(yàn)表明，相同的磨粒流量在不同的沖擊速度下沖蝕同種塑料模具表面，雖然沖蝕率隨環(huán)境溫度的變化仍顯示出最大沖蝕的臨界溫度規(guī)律，但最大沖蝕率及其對(duì)應(yīng)的溫度值將隨粒子速度的增大 而明顯增加。 塑料模具材料的影響 塑料模具材料的性能主要是指材料自身的抗氧化和耐腐蝕性能，研究結(jié)果表明，塑料模具表面材料流失與溫度關(guān)系曲線，將隨它們的抗氧化能力或鉻含量的增加而向高溫方向移動(dòng)，因?yàn)殂t鋼在含氧氣氛中會(huì)生成 Cr2O3，塑料模具在沖蝕條件下，塑料模具表層金屬流失后又會(huì)生成新的 Cr2O3 層，而且含鉻越高，越容易生成這種保護(hù)層，這種保護(hù)層對(duì)塑料模具表面起較好的保護(hù)作用。 此外塑料粒子的沖擊角、塑料粒子性能也是影響塑料模具表面高溫沖蝕 - - 氧化現(xiàn)象的重要因素。 3.1.2 提高塑料模具表面抗高溫 沖蝕方法 從上面的研究分析可以看出，造成塑料模具表面尺寸精度和表面粗糙度破壞的主要因素是塑料模具在使用中產(chǎn)生高溫沖蝕 氧化現(xiàn)象，而且這一現(xiàn)象又是不可避免的因此，如何降低高溫沖蝕 氧化對(duì)塑料模具的影響、降低其對(duì)塑料模具表面尺寸精度和表面粗糙度的破壞，是延長塑料模具使用壽命、提高生產(chǎn)產(chǎn)品質(zhì)量的重要課題，為此得出以下結(jié)論供參考。 (1)合理選擇制造塑料模具的材料。不同的塑料模具材料具有不同的使用環(huán)境 , 特別是溫度環(huán)境的不同 , 塑料模具表面產(chǎn)生沖蝕 氧化的情況也完全不同。以5CrMnMo、 4Cr5MoSiV 和 3Cr2W8V 三種塑料模具鋼為例，它們的抗沖蝕 氧化能力逐次提高，分別可作低耐熱性熱作塑料模具鋼、中耐熱性熱作塑料模具鋼和高耐熱性熱作塑料模具鋼。而 2Cr13 屬于馬氏體類型鋼，機(jī)械加工性能較好，經(jīng)熱處理后耐腐蝕性能較好，適宜制造承受高負(fù)荷并在腐蝕作用下的塑料模具和透明塑料制品塑料模具； 9Cr18Mo 則是一種高碳高鉻馬氏體不銹鋼，它具有更高的硬度、耐磨性、抗回火穩(wěn)定性和耐腐蝕性能以及較好的高溫尺寸溫度性，適宜制造承受在腐蝕環(huán)境條件下又要求高負(fù)荷、高耐磨的塑料模具。 (2)改變塑料模具材料的合金成分。從塑料模 具表面材料流失的情況可以看出，提高鉻含量，也能較好的提高塑料模具表面抗沖蝕 氧化的能力。在塑料模具材料中加入和氧親和力大的合金元素如 Cr，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先氧化，在塑料模具表面生成薄而致密的氧化膜。隨著鉻含量的增加，塑料模具表面材料流失向高溫方向移動(dòng)，塑料模具表面抗氧化和腐蝕性能性能提高。當(dāng)鋼中的 Cr 達(dá) 18%以上時(shí)，鉻鋼在含氧氣氛中會(huì)生成完整的 Cr2O3 膜，塑料模具表面發(fā)生沖蝕時(shí)，塑料模具表層金屬流失后又會(huì)生成新的 Cr2O3 層，而且含鉻越高，越容易生成這種保護(hù)層，這種保護(hù)層對(duì)塑料模具表面能起較好的保護(hù)作用。通過加入 Cr，塑料模具表面生成尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化膜，由于尖晶石具有復(fù)雜致密的結(jié)構(gòu)，粒子在這種膜中的移動(dòng)速度緩慢，移動(dòng)所需的激活能增大，因此顯示出優(yōu)異的抗氧化性能。在塑料模具材料中加入稀土元素，增強(qiáng)氧化膜與塑料模具表面材料的附著力，也能提高抗高溫氧化的能力。此外，還可以在塑料模具材料中加入不同的合金元素，控制氧化膜中的晶格缺陷，減少氧化膜的晶格缺陷濃度，降低離子的擴(kuò)散速度，達(dá)到提高塑料模具表面的抗高溫沖蝕 氧化的能力。 (3)對(duì)塑料模具表面進(jìn)行合理的處理。進(jìn)行表面熱處理、表面化學(xué)熱處理和高能量密度表面處理等技術(shù)，使塑料 模具材料既具有高硬度又使材料中的碳化物等硬化相的組成、形貌和分布合理，提高塑料模具表面的抗高溫沖蝕 氧化能力，也能較好的保證塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度。 （ 4）對(duì)塑料模具材料進(jìn)行表面處理。根據(jù)表面工程理論，對(duì)塑料模具表面進(jìn)行冶金、粘涂和表面薄膜層技術(shù)，改善塑料模具表面性能，提高塑料模具表面的抗高溫沖蝕 氧化能力，保證塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度，提高塑料模具的使用壽命和生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。 （ 5）采取合理的生產(chǎn)工藝和工藝參數(shù)。在使用塑料模具生產(chǎn)產(chǎn)品時(shí)，采取合理的生產(chǎn)工藝和工藝參數(shù)，特別是控制溫 度、塑料粒子的流動(dòng)速度等，也可以較好的減少和降低塑料模具使用時(shí)沖蝕 氧化現(xiàn)象對(duì)塑料模具表面的破壞。 3.2 塑料模表面桔皮和麻坑現(xiàn)象 塑料模表面常見的缺陷是桔皮和麻坑。這些缺陷一般發(fā)生在表面要求高度拋光的塑料模具上，特別是采用較大壓力的機(jī)械拋光時(shí)更是如此 7。 桔皮是塑料模具表面出現(xiàn)的一種微小塑性的變形，是塑料模具由于被拉伸到超過其屈服點(diǎn)時(shí)，產(chǎn)生了永久塑性變形。 但在遇到桔皮表面或麻坑時(shí)，一般都認(rèn)為是鋼材的材料不好，然而大多數(shù)情況并不是鋼材的情況造成的。如果是鋼材有問題，那可能是因?yàn)殇摬牡慕M織結(jié)構(gòu) 特殊或者因?yàn)楹袏A雜物，則桔皮和麻坑會(huì)出現(xiàn)在塑料模具的任意位置上，而不是整個(gè)模具的表面。但現(xiàn)桔皮和麻坑一般都是比較廣泛地分布在整個(gè)塑料模具的表面，而這就是過分拋光所造成的結(jié)果。 3.2.1 原因分析 （ 1）過度拋光引起的表面缺陷 要了解過分拋光的受力情況，必須先要弄清楚鋼材應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系。當(dāng)鋼材所受的應(yīng)力低于其屈服點(diǎn)位置時(shí)，鋼材處于彈性變形階段，當(dāng)應(yīng)力去除后，它將恢復(fù)到原來的形狀。如應(yīng)力在屈服點(diǎn)和極限強(qiáng)度之間位置時(shí)，就會(huì)發(fā)生永久的塑性變形階段。而鋼材的屈服點(diǎn)取決于鋼材的硬度，鋼材越硬，其屈服點(diǎn)越高。當(dāng)鋼材 所承受的應(yīng)力超過其極限強(qiáng)度值位置時(shí)，鋼材就會(huì)出現(xiàn)斷裂。在塑料模具的拋光過程中，當(dāng)模具表面所受的應(yīng)力低于其屈服點(diǎn)，模具處于彈性變形階段，不會(huì)發(fā)生永久的塑性變形，而是在模具表面由于拋光力的影響產(chǎn)生殘余應(yīng)力；當(dāng)施加在模具表面上拋光應(yīng)力強(qiáng)過了鋼材的屈服點(diǎn)，由于鋼材永久塑性變形的出現(xiàn)，會(huì)引起模具表面產(chǎn)生桔皮，出現(xiàn)桔皮后拋光機(jī)對(duì)模具自然需要施加更大的壓力，然而這樣做，則超過了鋼材表面的極限強(qiáng)度，小的顆?；蛘呶K雖然除掉了，但是留下了小點(diǎn)狀的凹坑即麻坑。 （ 2）過熱引起的表面缺陷 在熱處理過程中由于熱處理溫度過高而發(fā)生過 熱時(shí)，高合金鋼將處于混雜有馬氏體與奧氏體的混合結(jié)構(gòu)，這樣使模具表面的硬度不一致（奧氏體比馬氏體軟一些），因此較軟的奧氏體組成物比較硬的馬氏體組成物更快變形和被磨削掉。當(dāng)拋光時(shí)用了較大壓力時(shí)，塑料模具表面將很容易產(chǎn)生桔皮和麻坑。 （ 3）過分滲碳引起的表面缺陷 在塑料模具滲碳的過程中，鋼材表面吸附了碳化物，得到碳彌散的均勻組織結(jié)構(gòu)，因而提高了模具表面的硬度。但如果鋼材過熱，雖然能加速滲碳過程，但炭化物會(huì)在晶粒邊緣成團(tuán)出現(xiàn)，這樣在模具表面就形成了不均勻表面硬度。結(jié)果由于拋光時(shí)從模具表面不均勻地切掉金屬，產(chǎn)生了疙瘩 狀表面。如果拋光壓力太高，成團(tuán)的炭化物就會(huì)從模具表面脫落，從而出現(xiàn)麻坑。 3.2.2 表面缺陷的處理方法 （ 1）拋光時(shí)應(yīng)避免過大的壓力手工油石研磨和手工拋光需要花費(fèi)高的生產(chǎn)成本，加工時(shí)間也較長，因此現(xiàn)在越來越多地采用機(jī)械裝置研磨和拋光。采用手工拋光，加工應(yīng)力很少會(huì)超過鋼材表面的屈服強(qiáng)度，因此不會(huì)出現(xiàn)桔皮和麻坑。但采用機(jī)械拋光如果控制不當(dāng)，壓力就會(huì)超過屈服強(qiáng)度，從產(chǎn)生桔皮和麻坑。因此在采用機(jī)械拋光時(shí)應(yīng)非常小心，避免采用大的壓力。但在采用機(jī)械拋光時(shí)，總是希望較快完成，這樣就需要采用較大的壓力來清除以前的切削痕跡 ，而這樣就會(huì)造成更大的桔皮或麻坑。因此在拋光時(shí)一定要避免過大的壓力。 （ 2）修理模具表面的桔皮和麻坑 修理模具表面的桔皮和麻坑基本步驟： 用油石磨光的方法除掉有缺陷的表面。通常是在進(jìn)行金剛石拋光前用新的油石來磨光。 消除應(yīng)力，把模具的表面從高度受力的狀態(tài)下解除出來。消除應(yīng)力時(shí)的溫度應(yīng)該比模具的回火溫度低 100。這樣不至于使模具鋼軟化。 應(yīng)力消除之后，用金剛石拋光，這次用力要輕。 提高硬度有助于防止產(chǎn)生桔皮和麻坑 ,因?yàn)橹挥袑?duì)鋼材所施加的應(yīng)力大于屈服點(diǎn)，才出現(xiàn)桔皮 .因此可以通過提高模具硬度 ,使模具能承受 更大的壓力而不出現(xiàn)桔皮，麻坑也隨硬度的提高而減少。因此滲碳模具由于表面較硬可以得到很好的拋光性能；氮化得好的模具在拋光過程中也不會(huì)產(chǎn)生桔皮和麻坑 . 4 塑料模具的表面處理技術(shù) 4.1 塑料模具的表面性能要求及其失效形式 為保證成型后塑料制品的表面質(zhì)量，從而對(duì)塑料模具的表面狀態(tài)提出了以下要求 : 型腔表面光滑。成型面要求拋光成鏡面，表面粗糙度低于 014 m ,以使壓制件具有良好的外觀并便于脫模。 型腔表面耐磨抗蝕。一般要求成型面硬度達(dá) 30 60HRC，且表面粗糙度長期保持不變，長期受熱表面不軟化、不氧化。通常 ，塑料模具的主要失效形式為 :成型面磨損、塑性變形和斷裂。 表面磨損是指塑料對(duì)模具成型面的摩擦，使表面拉毛的現(xiàn)象。當(dāng)原料中含有無機(jī)填料時(shí)，將明顯加劇模具的磨損，除型腔表面粗糙度迅速惡化外，型腔尺寸也由于磨損而急劇變化。 塑性變形是指模具在持續(xù)受熱、受壓作用下，發(fā)生局部塑性變形而失效的方式。這種失效是由于模具型腔表面的硬化層過薄，變形抗力不足或是模具在熱處理時(shí)回火不足，在服役時(shí)發(fā)生組織轉(zhuǎn)變所致。 斷裂失效是危害最大的一種失效形式。塑料成形模具形狀復(fù)雜，存在許多角薄邊，在這些位置會(huì)造成應(yīng)力集中，產(chǎn)生斷裂。此外 ,回 火不足也可能發(fā)生斷裂。 4.2 塑料模具的表面處理 按照塑料模具的性能要求，可對(duì)其進(jìn)行多種方式的表面處理。通常，可根據(jù)所用工藝的特點(diǎn)將其分成 :表面淬火、化學(xué)熱處理、電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積和三束改性等幾類。 4.2.1 表面熱處理 表面熱處理包括表面淬火、化學(xué)熱處理兩大類。 表面淬火是指僅對(duì)工件表面進(jìn)行熱處理以改變其組織和性能的工藝方式，諸如感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱表面淬火、接觸電阻加熱淬火、電解液淬火等。通過工件表面的急熱急冷，可使表面一定厚度內(nèi)發(fā)生相變硬化而心部保持韌性，模具變形小且不會(huì)使表面變得粗糙。研究表 明，對(duì)塑料模具型腔口處采用局部淬火，可以解決因分型面和型腔周邊塌陷而產(chǎn)生的溢料現(xiàn)象。塑料模具的化學(xué)熱處理通常包括滲碳、滲氮、滲硼、滲硫、滲鉻、滲釩及共滲稀土等。 （ 1）滲 C、滲 N 和 C-N、 N-C 共滲。這是塑料模具表面最常用的一類化學(xué)熱處理方法。處理后的模具表面獲得馬氏體和彌散分布的氮化物，其耐磨性和疲勞強(qiáng)度明顯提高且拋光性好。通過固體、鹽浴、氣體、真空和離子滲碳，可在塑料模具鋼表層形成含碳量為 0.8 % 1.5 %的滲碳層 ,再輔以淬火、回火處理使高碳層發(fā)生相變強(qiáng)化，其硬度可達(dá) 56 63HRC。由于滲碳溫度 較高，要注意防止晶粒粗大和模具變形，以免造成型腔表面的粗糙化以及剝離缺陷。研究表明 ,低溫滲碳可實(shí)現(xiàn)塑料模具的無形變表面強(qiáng)化 。 塑料模具的滲氮溫度 (450 580 ) 要低于滲碳溫度 ,其處理方式亦包括 :氣體、液體、固體和離子滲氮。由于表面滲氮層硬度高 (含有 Al 、 V、 Ti 等元素的合金鋼，熱氮化處理后可獲得硬度 HV900 1100)，且處于壓應(yīng)力狀態(tài)，故而能顯著提高塑料模具型腔的耐磨性與疲勞強(qiáng)度，改善耐蝕性和抗擦傷性能，并有一定的熱硬性。滲氮適用于中、高溫回火的塑料模具鋼表面強(qiáng)化。由于時(shí)效硬化塑料模具鋼的時(shí) 效溫度范圍與氮化溫度范圍相當(dāng)，因此時(shí)效處理也可與氮化處理同時(shí)進(jìn)行，既提高了時(shí)效硬化型塑料模具鋼的使用壽命，又不致明顯增加生產(chǎn)成本。 碳氮共滲是指在 820 860 溫度下同時(shí)將 C-N 滲入滲碳型塑料模具并以滲碳為主的處理方式。碳氮共滲層具有比滲碳層更高的耐磨性、疲勞強(qiáng)度和耐蝕性，比滲氮層更高的抗壓強(qiáng)度和較低的表面脆性。若碳氮共滲后再進(jìn)行噴丸，可顯著提高低碳模具鋼的疲勞極限 5 。由于處理溫度低， C-N 共滲后的模具淬透性提高，因此塑料模具變形較滲碳的小，但在碳氮共滲中應(yīng)注意避免和消除 HCN 的危害。 氮碳共滲是 塑料模具表層滲入氮和碳，并以滲氮為主的化學(xué)熱處理工藝。氮碳共滲具有處理溫度低，時(shí)間短，不受鋼種限制及模具畸變小等優(yōu)點(diǎn)。處理后的模具能獲得優(yōu)良的耐磨性、耐蝕性且表面摩擦系數(shù)小、疲勞強(qiáng)度高。研究表明，鹽浴氮碳共滲能改善碳鋼的耐蝕性，其后的氧化、拋光能進(jìn)一步提高碳鋼的耐蝕性 9 。氮 碳共滲與其他強(qiáng)化工藝相結(jié)合可獲得更好的強(qiáng)化效果。研究表明 ,淬火 -氮碳共滲復(fù)合處理可獲得更高的次表層硬度及更好的滲層硬度分布，從而進(jìn)一步提高工件的耐磨性及疲勞強(qiáng)度 。 （ 2）滲硼。理想滲硼件表面由 Fe2B 相 (硬度 HV1400 左右 )組成其耐磨性能十分優(yōu)異 ,尤其是抗磨粒磨損性能優(yōu)于滲氮、滲碳件，并且具有良好的抗腐蝕能力。研究表明，含硼膏劑復(fù)合滲處理的 #45 鋼塑料模具可取代昂貴的合金鋼。但由于滲硼處理溫度高，必須注意控制塑料模具的變形。 （ 3）滲硫。大多數(shù)化學(xué)熱處理都借助模具表面的硬化來達(dá)到耐磨的目的，而滲硫是在基體表面形成低摩擦系數(shù)的 FeS 薄膜，憑其優(yōu)良的減摩作用以防止模具的一些摩擦部件如導(dǎo)向孔、頂桿等的過早磨損。目前工業(yè)上應(yīng)用較多的是低溫電解滲硫，由于其處理溫度 (150 250 )低，模具表面性能不會(huì)發(fā)生明顯變化，適合精度高的塑料模 具表面處理，但其存在的滲劑污染、滲層易腐蝕等問題。此外，采用硫氮碳共滲在較硬的滲氮層或氮碳層上形成硫化層，亦可使塑料模具獲得良好的減磨性及耐磨性，進(jìn)一步提高塑料模具的使用壽命。 （ 4）滲 Cr 、 V。研究表明，應(yīng)用于小型熱固性塑料模具的滲鉻高碳鋼，其耐磨性與滲硼后的耐磨性相近，比 GCr15 鋼還高幾倍。滲入的鉻一部分溶入鐵素體形成固溶體，另有相當(dāng)大一部分與碳形成化合物。它使塑料模具表面具有良好的耐腐蝕性能，并具有很高的硬度，因而耐磨性相當(dāng)好。資料顯示，滲釩層內(nèi)有 VC 生成，滲層硬度在 HM1100 2800 之 間 ；滲釩件的抗腐蝕磨損和磨粒磨損性能明顯高于滲硼及其他化學(xué)熱處理件；經(jīng)滲釩處理的模具可提高數(shù)倍壽命。 （ 5）稀土化學(xué)熱處理。熱處理過程中適量稀土元素的加入，可顯著改善塑料模具鋼的表面組織結(jié)構(gòu)、物理、化學(xué)及機(jī)械性能。如 :稀土可消除分布在晶界上微量雜質(zhì)有害作用，強(qiáng)化和穩(wěn)定塑料模具型腔的晶界；此外，稀土元素與鋼中的有害元素發(fā)生作用，生成高熔點(diǎn)化合物，又可以抑制這些有害元素在晶界上的偏聚，降低滲層的脆性。若稀土元素 Re 與氮形成 Re-N 氮化物 ,使氮化物以高度彌散的狀態(tài)分布在共滲層中，可增加共滲層的硬度、強(qiáng)度、耐磨性和 耐腐蝕性。我國是稀土大國，稀土資源占世界 90 %以上，將其引入塑料模具的表面強(qiáng)化處理，有望充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)以獲得最佳的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果，開發(fā)出具有我國獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)。 4.2.2 電鍍和化學(xué)鍍 （ 1）電鍍 :包括金屬電鍍和復(fù)合電鍍兩大類，其優(yōu)點(diǎn)在于 :處理溫度低，塑料模具不易變形。工業(yè)上最常見的有鍍鉻、鍍鎳等。復(fù)合電鍍是金屬與懸浮在電鍍液中的固體微粒同時(shí)沉積而形成鍍層的一種電鍍方法。加入鍍液中的固體微?？蔀闊o機(jī)物和有機(jī)物。復(fù)合電鍍可賦予塑料模具型腔表面特殊的耐蝕、耐磨、自潤滑和耐熱性能。如 :金屬鍍層具有良好 的韌性，其間嵌入陶瓷或其它硬質(zhì)微粒，不僅對(duì)金屬有彌散強(qiáng)化作用，而且本身的硬度高可承受較高的磨損力；若將固體潤滑劑顆粒和金 屬復(fù)合沉積于金屬表面，則可達(dá)到減摩、抗咬合等目的。資料顯示 :用電鍍法制取的耐磨耐蝕金屬陶瓷復(fù)合材料涂層經(jīng) 1h 、 400 熱處理后，硬度可達(dá) 1400 1700HV，耐磨性是硬鉻鍍層的 17 倍，耐蝕性除硝酸外均優(yōu)于 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼，這使普通塑料模具鋼取代優(yōu)質(zhì)模具鋼成為可能。復(fù)合電刷鍍不僅可強(qiáng)化模具型腔面，還能修復(fù)模具型腔面。由于塑料模具用量大，制造周期長，成本高，因此對(duì)模具的修復(fù)和延長壽命意義重大。如 :彩電殼體模具局部出現(xiàn)大面及麻坑深達(dá) 4mm，用電刷鍍修復(fù)填平麻坑、強(qiáng)化表面，其費(fèi)用約 3000 元，加工時(shí)間小于 7 天，而制作新模要 8 個(gè)月，加工費(fèi)用達(dá) 24 萬元，經(jīng)濟(jì)效益明顯 9。 （ 2）化學(xué)鍍。與電鍍相比，化學(xué)鍍均鍍能力和深鍍能力好，可在形狀復(fù)雜的表面上產(chǎn)生均勻厚度的鍍層，鍍層致密、空隙小，具有特殊的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，而且設(shè)備簡單 ,操作容易。目前 ,在塑料模具上應(yīng)用最多的為化學(xué)鍍 Ni 、 Ni2P。研究表明，化學(xué)鍍 Ni 可顯著降低制模材料費(fèi)，縮短制模周期，減少加工費(fèi)用，增加模具壽命 ；Ni2P 鍍層硬度 (約 300 500HV)比電鍍層高得多，經(jīng) 1h 、 400 處理后可達(dá)1000HV ，恰當(dāng)?shù)臒崽幚項(xiàng)l件可使鍍層既有一定硬度又有好的延展性；復(fù)合鍍 Ni2P是由金屬間化合物、氟塑料、氟化石墨、人造金剛石等小顆粒彌散分布在化學(xué)鍍 Ni2P點(diǎn)陣中組成復(fù)合彌散的金屬陶瓷鍍層，其具有高的表觀硬度和優(yōu)異的耐磨自潤滑性能。資料顯示， #45 鋼塑料模具表面化學(xué)鍍 Ni2P 或復(fù)合鍍 Ni2P 可代替 2Cr13 不銹鋼制造塑料模； Ni2P2SiC 復(fù)合化學(xué)鍍可使模具壽命提高 45 倍。 4.2.3 氣相沉積 氣相沉積可分為物理氣相沉積 (PVD)、化學(xué)氣相沉積 ( CVD)和等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 (PCVD)等。 （ 1）物理氣相沉積。物理氣相沉積是利用陰極濺射和離子鍍等 PVD 技術(shù)，可在塑料模具表面形成 TiC、 TiN 等化合物薄層以提高其耐磨性。其特點(diǎn)是處理溫度低，能量利用率高，所得鍍層結(jié)合力較強(qiáng)，可在模具鋼的高溫回火溫度以下進(jìn)行，故模具變形小，最適合于形狀、尺寸精密的塑料模。目前，在模具強(qiáng)化方面，陰極濺射法和多弧離子鍍方法應(yīng)用較多，其處理獲得的 TiN 層具有較高的硬度和耐磨性，較小的摩擦系數(shù)，較好的抗粘著性和抗咬合性，可保證塑料模的使用壽命提 高 3 9 倍1.2。但其涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度較低，沉積層有可能出現(xiàn)早期剝離而失效；另外，PVD 的繞鍍性也很差，難以適用于存在多孔、窄槽、尖角的復(fù)雜塑料模。 （ 2）化學(xué)氣相沉積?；瘜W(xué)氣相沉積是在真空條件下通過高溫化學(xué)反應(yīng)在基體表面上制得金屬或化合物薄膜的氣相沉積法。其特點(diǎn)是：涂層結(jié)合力強(qiáng) (由于反應(yīng)溫度高，基材和膜層之間易形成擴(kuò)散層 )；繞鍍能力強(qiáng)，易實(shí)現(xiàn)設(shè)備的大型化和大批量處理。 CVD 可在塑料模具表面沉積超硬物質(zhì) TiC、 TiN 等 ,使模具型腔獲得高硬度、高耐磨及高抗蝕性等一系列優(yōu)異性能。同時(shí) ,其處理的模具形狀 不受限制 , 對(duì)于深孔性及復(fù)雜型腔同樣適用。但是其沉積溫度較高 ,一般在 900 1 000 , 甚至更高的溫度 下才能進(jìn)行，模具畸變嚴(yán)重， 心部組織急劇粗化，硬度等性能降低較大，處理后還需淬火改善心部性能，因此該技術(shù)不適于高精度塑料模具， 特別是細(xì)長桿件、半導(dǎo)體用塑料模及其它精度達(dá)微米級(jí)公差的精密模具。 （ 3）等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積。等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積 ( PCVD)原理與直流輝光放電等離子體滲氮的原理相似，因此設(shè)備也容易從離子滲氮爐改造而獲得。利用 PCVD 對(duì)塑料模具進(jìn)行處理可很好地結(jié)合 PVD 低溫和 CVD 繞 鍍好的優(yōu)點(diǎn)。研究表明， PCVD 復(fù)合滲鍍強(qiáng)化可改善熱作模具和冷作模具的耐磨性、抗氧化性和耐蝕性，顯著提高模具壽命；而高淬透性的冷作模具鋼和熱作模具鋼是壓制熱固性塑料、復(fù)合強(qiáng)化塑料產(chǎn)品的模具，以及生產(chǎn)批量大、要求模具使用壽命長的塑料模具常用鋼種。 4.2.4 三束改性 采用激光束、離子束和電子束對(duì)材料表面進(jìn)行改性或合金化是近十幾年迅速發(fā)展起來的材料表面新技術(shù)，其在塑料模具型腔面的強(qiáng)化方面也有一定應(yīng)用。采用激光束對(duì)模具表面強(qiáng)化的主要方式為激光相變硬化和激光沖擊硬化。激光相變硬化指激光以 105 106 / s 加 熱速度作用在金屬表面上，使其溫度迅速上升至相變點(diǎn)以上，并通過基體的熱傳導(dǎo)以 105 / s 冷卻速度實(shí)現(xiàn)自冷淬火，從而獲得細(xì)化的淬硬層組織 (其硬度比常規(guī)高 15 % 20 % ，耐磨性提高 1 10 倍 )。激光沖擊硬化是利用脈沖激光作用在材料表面產(chǎn)生高強(qiáng)沖擊波，使金屬產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性變形，其組織結(jié)構(gòu)類似于經(jīng)爆炸沖擊及快速平面沖擊的材料中的亞結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)能明顯提高材料表面硬度、屈服強(qiáng)度以及疲勞強(qiáng)度。電子束作用與激光束相似，既可獲得高硬度表面合金層，又能防止模具變形。由于設(shè)備復(fù)雜以及影響因素很多，激光和電子束加工在 塑料模具的應(yīng)用有待發(fā)展。離子注入應(yīng)用較多的是 N + 注入，它可使模具的表面硬度、耐磨性、耐疲勞性等得到明顯提高 ,氧離子注入在模具表面強(qiáng)化上也有相當(dāng)進(jìn)展。此外已經(jīng)發(fā)現(xiàn)采用離子注入氧離子或?qū)⒔饘倥c硼離子一起多重注入可取得與 N + 注入一樣甚至更好的效果。 4.2.5 熱噴涂和熱噴焊技術(shù) 熱噴涂技術(shù)是將噴涂材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，用高速氣流將其霧化、加速，使其以高速噴射到工件表面，形成耐磨、耐蝕以及抗高溫氧化等特殊性能涂層的表面涂層方法。按照加熱噴涂材料的熱源分類 主要有燃?xì)夥?、電氣法和高能束加熱法三類。由?熱噴涂層不夠致密，與基材結(jié)合強(qiáng)度不高，在模具表面改性中難以發(fā)揮作用。應(yīng)運(yùn)而生的熱噴焊工藝特別是氧乙炔噴焊工藝簡便，設(shè)備投資少，因此在注塑模具表明強(qiáng)化中取得了廣泛應(yīng)用。比如，用 Ni60 “一步法” 熱噴焊 45 號(hào)鋼，就可以將模具使用壽命提高 6 倍。 4.3 常用的塑料模具表面處理技術(shù)編合比較 綜上所述，對(duì)塑料模具表面改性技術(shù)進(jìn)行綜合比較如表 4 所示。 表 4 塑料水杯模具表面處理技術(shù)比較 排列 指標(biāo) 高較高低 表面處理價(jià)格 抗變形和精度 抗壓能力 耐磨性 抗咬合性 抗氧化性 韌性 耐疲勞強(qiáng)度 耐熱沖擊性能 抗剝 落性能 表面粗糙度 PVD 法、 CVD 法、熱噴涂、氮化、各種低溫表面處理 PVD 法、離子氮化、各種低溫表面處理、 CVD 法 CVD 法、離子氮化、氣體氮化、軟氮化、 PVD 法 CVD 法、 PVD 法、氮化、軟氮化 CVD 法、 PVD 法、硫氮化、氧氮化、離子氮化 滲鉻、滲硼、氮化、 CVD 法、熱噴涂 CVD 法、 PVD 法、各種低溫表面處理 氮化、軟氮化、氧氮化、熱噴涂 CVD 法、 PVD 法、氮化、熱噴涂 CVD 法、氮化、 PVD 法、熱噴涂 PVD 法、 CVD 法、離子氮化、氮化和軟氮化 4.3.1 塑料模具表面改性技術(shù)的選用原則 , 為了提高塑料模的使用壽命，應(yīng)首先對(duì)已失效注塑模的失效形式進(jìn)行分析。很重要的是了解熱固性和熱塑性塑模的工作條件。熱塑性塑料模具的工作條件是受熱、受壓、受磨損，但不嚴(yán)重。故塑料模具表面應(yīng)有較高的耐熱性能 , 具有較高的強(qiáng)度，有良好的耐磨性。部分品種含有氯及氟，在加工過程中放出腐蝕性的氣體，侵蝕型腔表面。因此，塑料模具的基本的失效形式是表面磨損、變形及斷裂，但由于對(duì)塑料制品的表面粗糙度及精度要求較高，故因表面磨損造成的模具失效比例較大。由此，可以得出塑料模具表面改性技術(shù)的選用原則如下 （ 1）塑料模具表面應(yīng)考慮具有較 好的強(qiáng)度、耐熱性能、耐磨性和耐腐蝕性。 （ 2）根據(jù)設(shè)計(jì)的表面性能，選擇表面涂層材料或者表面層的成分或組織。 （ 3）根據(jù)被制品的性質(zhì)，確定合適的表面改性層厚度。 （ 4）對(duì)于以上選擇的表面工程技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)考查，最后確定或修改表面改性工藝 4 5 塑料模具技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 塑料模具在塑料成型加工中占有非常重要的地位。模具生產(chǎn)技術(shù)也是衡量一個(gè)國家制造工藝水平的重要標(biāo)志之一。為了發(fā)展模具工業(yè)，一些國家制訂了有關(guān)扶植 政策，如日本在至年代制訂了機(jī)械生產(chǎn)振興法，把模具列為特定產(chǎn)品加以發(fā)展。美國現(xiàn)擁有模具專業(yè)廠家一萬多個(gè)，年代后 期模具總產(chǎn)值達(dá)多億美元。 從總體看，塑料注射模具的基本發(fā)展趨勢(shì)是朝高效率、高精度、高壽命方向發(fā)展。為提高塑料制品生產(chǎn)效率，在模具結(jié)構(gòu)上將向多型腔、自動(dòng)裝卸料、節(jié)能省料方向發(fā)展。日本、德國已普遍采用熱固性注塑模和低壓傳遞模，一模多腔，型腔數(shù)可有幾個(gè)，幾十甚至上千個(gè)。為了充分發(fā)揮注塑機(jī)的潛力 , 發(fā)展了多層多腔模具，多工位多腔模具。 熱流道模具應(yīng)用范圍正在逐漸擴(kuò)大。已發(fā)展應(yīng)用于微型注射件，熱敏性材料的注射成型等等，以及多層多腔注射模，熱流道裝置已成為專門的商業(yè)產(chǎn)品。 測(cè)溫控制系統(tǒng)的發(fā)展改善了注射件的尺寸精度和成型 效率。冷卻系統(tǒng)不單對(duì)型腔進(jìn)行冷卻，對(duì)滑塊、型芯都進(jìn)行冷卻，從而構(gòu)成空間的立體冷卻系統(tǒng)。這些技術(shù)的應(yīng)用，解決了注射成型中模溫、模壓、溢料等問題，使產(chǎn)品的內(nèi)應(yīng)力分布趨于合理，減少了廢品率。 在設(shè)計(jì)方法上，用計(jì)算機(jī)模擬塑料成型時(shí)的料流速度，溫度控制，流動(dòng)方式以及應(yīng)力場(chǎng)的分布等，使模具達(dá)到最優(yōu)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)選擇，得到最佳的澆注系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，減少反復(fù)試模的工作量。 在加工技術(shù)上，機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)日益密切結(jié)合，更多地采用數(shù)控、數(shù)顯、計(jì)算機(jī)控制，如采用數(shù)控銑床、光學(xué)曲線磨床、高精度電火花加工機(jī)床和精密鏗床、數(shù)控雕刻機(jī)等 高精度、高效率的加工設(shè)備。這使模具精度越來越多地由設(shè)備來保證，減少了對(duì)人工技巧的依賴性。日本數(shù)控機(jī)床占整個(gè)機(jī)床的比例在年就達(dá)到了，美國有的模具制造廠擁有數(shù)控機(jī)床。一種連續(xù)軌道座標(biāo)磨床不僅能加工圓孔，還可磨削任意形狀的凸模和凹模，其定位精度很高，己使立式座標(biāo)鍵床退居次要地位。 新型電加工工藝已發(fā)展成為一種與其它工藝相結(jié)合的復(fù)合加工工藝。實(shí)現(xiàn)高層次的自動(dòng)化是目前電火化加工的一個(gè)發(fā)展方向。噴霧電火花加工也是新近發(fā)展起來的電火花加工技術(shù)。這種新加工方法，對(duì)改變電火花加工后材料表面的金相屬性有重要意義，在實(shí)際應(yīng)用中有 較大的價(jià)值。 數(shù)控仿形銑床是近年來工業(yè)發(fā)達(dá)國家較多采用的型腔加工設(shè)備，其使塑料模具的加工在質(zhì)量上拼效率上產(chǎn)生了一個(gè)飛躍。激光加工技術(shù)也廣泛用子塑料模具的制造。美國一公司開發(fā)了一