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模具設(shè)計(jì)與加工:塑料模具的熱處理工藝

 liuenk5gb 2019-06-01

4.塑料模具的熱處理

模具設(shè)計(jì)與加工:塑料模具的熱處理工藝

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(huì)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(fù)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(yán)重,部分成型材料含有氯及氟等腐蝕性氣體析出,會(huì)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(shí),會(huì)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(huì)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(huì)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(fù)雜,存在應(yīng)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(fù)雜,加工難度大價(jià)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(xué)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(qiáng)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(jié)構(gòu)復(fù)雜,型腔表面要求有較高甚至很高的光潔度,同時(shí)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

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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

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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

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4.2 淬火

塑料模具淬火時(shí),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(jìn)行滲碳或碳氮共滲處理。

▼表41 塑料模具鋼的淬火工藝

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4.3 回火

塑料模具鋼回火溫度與硬度的關(guān)系見表42 。

▼表42 塑料模具鋼的回火溫度與硬度的關(guān)系

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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(shí)間5~10h;或2段滲碳,第一階段900~920℃ ,時(shí)間5~8h,第二段溫度820~8540℃ 時(shí)間2~3h。12CrNi3A滲碳后可直接空冷淬火而達(dá)到滿意效果。其工藝為910℃滲碳后爐冷至800~850℃出爐風(fēng)冷淬火,200~250℃回火2~4h,硬度HRC53~56,變形輕微。

4.5 預(yù)硬型塑料模具鋼的熱處理工藝

參見表43 。

▼表43 預(yù)硬型塑料模具鋼的熱處理工藝規(guī)范

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4.6 時(shí)效性塑料模具鋼的熱處理工藝

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

▼表44 時(shí)效硬化模具鋼的熱處理工藝規(guī)范

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4.7 塑料模具的熱處理工藝實(shí)例

圖11~圖14 列出了幾種塑料模具的見圖和工藝曲線。


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▲圖11 20Cr鋼制膠木模具簡圖和熱處理工藝

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▲圖12 CWMn鋼制膠木模具簡圖和熱處理工藝

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▲圖13 T10A鋼制塑料模具簡圖和熱處理工藝

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▲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(qiáng)韌模具材料和強(qiáng)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(fù)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(shí),要充分注意模具的具體使用條件。

1 高強(qiáng)韌模具材料的應(yīng)用及效果

高強(qiáng)韌模具材料的應(yīng)用及使用壽命見表45 。

▼表45 高強(qiáng)韌模具材料的應(yīng)用及效果實(shí)例

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2 模具強(qiáng)韌化處理工藝

模具的強(qiáng)韌化處理及應(yīng)用實(shí)例見表46 。

▼表46 模具強(qiáng)韌化處理應(yīng)用實(shí)例

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對(duì)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)

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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(yīng)用實(shí)例結(jié)果比較。

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▲圖15 冷作模具鋼真空熱處理對(duì)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(qiáng)化技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

模具表面強(qiáng)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(xué)成分的方法

主要有表面感應(yīng)淬火、火焰表面淬火、電子束相變強(qiáng)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(fù)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(xué)氣相沉積(VCD)和物理氣相沉積(PVD)等

各種表面強(qiáng)化方法的主要特性比較見表48 。

▼表48 模具不同表面強(qiáng)化方法的主要特性比較

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3.3.1 模具表面強(qiáng)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(guān),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(qiáng)化的方法來提高模具表面耐磨性是行之有效的。有關(guān)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(qiáng)韌性的良好配合

對(duì)大多數(shù)模具材料來說,提高強(qiáng)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(jìn)行合適的熱處理使其獲得最佳強(qiáng)韌性基體,然后通過表面強(qiáng)化方法通過表面耐磨性。例如縫紉機(jī)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(dá)到2.68萬件,基體鋼的強(qiáng)韌性和表面的耐磨性達(dá)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(yīng)力狀態(tài)

模具經(jīng)過淬火回火后,表面處于拉應(yīng)力狀態(tài),這會(huì)促使裂紋早期形成。很多表面處理方法可以改變這種應(yīng)力狀態(tài),邊拉應(yīng)力為壓應(yīng)力。由于表面形成了殘留壓應(yīng)力,從而延遲了疲勞裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)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(qiáng)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(yīng)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(qiáng)化表面的抗氧化和抗腐蝕方法來彌補(bǔ)。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(qiáng)化技術(shù)在模具上的應(yīng)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

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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(jià)硫負(fù)離子,并被電場推向陽極,與二價(jià)鐵正離子結(jié)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(shí)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(yù)熱→電解滲硫→清洗→烘干→浸油→檢驗(yàn)。

3)滲硼

滲硼是模具制造中比較有效的化學(xué)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

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4)TD法

TD法是利用硼砂作為鹽浴,向金屬表面擴(kuò)散V、Nb、Ti、Cr等金屬元素。由于硼砂熔點(diǎn)為740℃,其分解溫度高達(dá)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

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5)LT工藝

武漢材料保護(hù)研究所研制的再生鹽J-1用于LT處理工藝,可實(shí)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(yīng)用上取得良好效果。

LT工藝處理溫度為500~580℃,工藝時(shí)間1~1.5h,深層可達(dá)8~12μm。設(shè)備僅需一個(gè)中溫外熱式鹽浴爐。

工藝流程為:脫脂→預(yù)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(xué)、和力學(xué)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

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7)模具表面強(qiáng)化應(yīng)用舉例

表53 列舉了一些模具表面強(qiáng)化工藝及應(yīng)用效果。

▼表53 模具的表面強(qiáng)化工藝及應(yīng)用效果舉例

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六、模具熱處理的缺陷分析及預(yù)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(duì)稱性、結(jié)構(gòu)剛性等對(duì)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(duì)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 。

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▲圖16 熱處理畸變基本特征

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▲圖17凹模壁厚對(duì)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

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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(yīng)力和組織應(yīng)力引起,這類應(yīng)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(duì)熱處理畸變的影響。

▼表55 模具鋼基本特性對(duì)熱處理畸變傾向的影響

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▼表56 工藝因素對(duì)來自模具型腔畸變傾向的影響

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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(yīng)的預(yù)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(shè)計(jì)

模具設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)壁厚不均勻的模具增開工藝孔,對(duì)復(fù)雜的模具。,要采用鑲拼塊結(jié)構(gòu);對(duì)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。

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▲圖18 模具增加工藝孔減少畸變示意圖

1.3.3去應(yīng)力退火

模具加工后淬火前采用去應(yīng)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(yīng)力退火對(duì)較少淬火畸變的作用。

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▲圖19 模具鋼冷加工后的去應(yīng)力退火對(duì)減少淬火畸變的作用

a)去應(yīng)力退火及淬火介質(zhì)對(duì)Cr12試樣畸變的影響

b)去應(yīng)力退火對(duì)殘留畸變的影響

c)去應(yīng)力退火工藝曲線

1.3.4做好淬火前原始組織的預(yù)處理

模具鋼采用六面鍛造、反復(fù)鐓拔、預(yù)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(xì)小、均勻分布的碳化物,在淬火時(shí)可獲得最小畸變。

1.3.5采用合理的熱處理工藝

1)采用預(yù)熱和預(yù)冷工藝以減少熱應(yīng)力。

2)采用下限淬火溫度。

3)采用馬氏體分級(jí)淬火或貝氏體等溫淬火。

4)在Ms點(diǎn)以下進(jìn)行緩冷并及時(shí)回火。

1.3.6采用機(jī)械加固以減少熱處理畸變

采用機(jī)械加固以減少畸變的方法見圖20 。

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▲圖20 模具機(jī)械加固以減少熱處理畸變措施示意圖

a)加工時(shí)預(yù)留工藝?yán)o b)成對(duì)加工后淬火

c)加工藝?yán)瓧U d)長凹槽預(yù)留工藝?yán)?/p>

1.3.7采用合理的進(jìn)入淬火槽的方向與冷方式

模具進(jìn)入淬火介質(zhì)的方向及冷卻介質(zhì)相對(duì)于模具的流動(dòng)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(yīng)用。

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▲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(yù)縮處理

低溫調(diào)質(zhì)預(yù)縮處理是在高于A1點(diǎn)的溫度預(yù)淬火并進(jìn)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(shí)馬氏體轉(zhuǎn)變的膨脹效應(yīng)。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(yù)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(yù)防措施

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