塑料模具的表面強化技術研究

謝全

【摘 要】本文從表面熱處理，化學熱處理，化學鍍等幾個方面，來介紹和闡述國內(nèi)外在塑料模具表面強化技術方面的應用和發(fā)展，并提出了我國在塑料模具表面強化技術方面的發(fā)展方向。

【關鍵詞】塑料模具；表面強化技術；應用；發(fā)展

一、引言

隨著材料技術的不斷發(fā)展，塑料制品在日常生活中和工業(yè)制造中的應用越來越廣泛，許許多多的工業(yè)產(chǎn)品和日常用品都大量使用到塑料制品，因此，對于塑料模具的性能提出了越來越高的要求，也為塑料模具的技術水平提出了更加嚴格的要求。目前，我國的塑料模具工業(yè)和技術在過去的幾十年工業(yè)化進程中取得了巨大的進步和發(fā)展，但是，與國外發(fā)達國家的技術和應用水平相比，仍然存在著巨大的差距，需要進一步提升和改進的空間非常大，在一些高精尖的工業(yè)技術領域，國內(nèi)的塑料模具很難滿足其需要。塑料模具的制造和設計，工序復雜，價格昂貴，是一項具有很高技術難度的工業(yè)技術。隨著工業(yè)化的不斷推進，以及塑料制品在各個領域的廣泛應用，對于塑料模具的使用壽命的要求越來越高。根據(jù)調(diào)查，我國的塑料模具的使用壽命僅為歐美發(fā)達國家平均壽命的五分之一，并且在塑料模具表面強化技術方面的投入更是遠遠的落后于發(fā)達國家。塑料模具的表面強化技術是提高塑料模具使用壽命，提升模具的使用性能的一項重要的技術和途徑，是國內(nèi)外模具工業(yè)和技術的主要發(fā)展和研究方向。通過表面強化技術，對于塑料模具的表面的硬度，耐磨性，耐蝕性等進行提高，可以有效的提高模具的使用性能和使用壽命。這種表面強化技術在發(fā)達國家的模具制造中已經(jīng)得到了廣泛的應用，取得了非常顯著的成果。本文從塑料模具的工作條件和失效方式等進行分析，介紹了一些塑料模具表面強化技術的方法，手段和效果以及其優(yōu)缺點。

二、塑料模具的簡介及其分類

1.塑料模具的簡介。塑料模具，是塑料加工工業(yè)中和塑料成型機配套，賦予塑料制品以完整構型和精確尺寸的工具。由于塑料品種和加工方法繁多，塑料成型機和塑料制品的結(jié)構又繁簡不一，所以，塑料模具的種類和結(jié)構也是多種多樣的。一種用于壓塑、擠塑、注射、吹塑和低發(fā)泡成型的組合式塑料模具，它主要包括由凹模組合基板、凹模組件和凹模組合卡板組成的具有可變型腔的凹模，由凸模組合基板、凸模組件、凸模組合卡板、型腔截斷組件和側(cè)截組合板組成的具有可變型芯的凸模。模具凸、凹模及輔助成型系統(tǒng)的協(xié)調(diào)變化?？杉庸げ煌螤睢⒉煌叽绲南盗兴芗?。塑料加工工業(yè)中和塑料成型機配套，賦予塑料制品以完整構型和精確尺寸的工具。由于塑料品種和加工方法繁多，塑料成型機和塑料制品的結(jié)構又繁簡不一，所以，塑料模具的種類和結(jié)構也是多種多樣的。

2.塑料模具的分類。按照成型方法的不同，可以劃分出對應不同工藝要求的塑料加工模塑料模具具類型，主要有注射成型模具、擠出成型模具、吸塑成型模具、高發(fā)泡聚苯乙烯成型模具等。

三、塑料模具的性能要求及其失效形式

1.塑料模具的材料性能要求。塑料模具的工作條件與冷沖模不同，一般須在150°C～200°C下進行工作，除了受到一定壓力作用外，還要承受溫度影響。現(xiàn)根據(jù)塑料成型模具使用條件、加工方法的不同將塑料模具用鋼的基本性能要求大致歸納如下：（1）足夠的表面硬度和耐磨性。塑料模的硬度通常在

50-60HRC以下，經(jīng)過熱處理的模具應有足夠的表面硬度，以保證模具有足夠的剛度。模具在工作中由于塑料的填充和流動要承受較大的壓應力和摩擦力，要求模具保持形狀的精度和尺寸精度的穩(wěn)定性，保證模具有足夠的使用壽命。模具的耐磨性取決于鋼材的化學成分和熱處理硬度，因此提高模具的硬度有利于提高其耐磨性。（2）優(yōu)良的切削加工性。大多數(shù)塑料成型模具，除EMD加工外還需進行一定的切削加工和鉗工修配。為延長切削刀具的使用壽命，提高切削性能，減少表面粗糙度，塑料模具用鋼的硬度必須適當。（3）良好的拋光性能。高品質(zhì)的塑料制品，要求型腔表面的粗糙度值小。例如，注塑模型腔表面粗糙度值要求小于Ra0.1～0.25的水平，光學面則要求Ra<0.01nm，型腔須進行拋光，減小表面粗糙度值。為此選用的鋼材要求材料雜質(zhì)少、組織微細均一、無纖維方向性、拋光時不應出現(xiàn)麻點或桔皮狀缺陷。（4）良好的熱穩(wěn)定性。塑料注射模的零件形狀往往比較復雜，淬火后難以加工，因此應盡量選用具有良好的熱穩(wěn)定性的，當模具成型加工經(jīng)熱處理后因線膨脹系數(shù)小，熱處理變形小，溫度差異引起的尺寸變化率小，金相組織和模具尺寸穩(wěn)定，可減少或不再進行加工，即可保證模具尺寸精度和表面粗糙度要求。

2.塑料模具的失效形式。（1）型腔表面的磨損和腐蝕。塑料熔體以一定的壓力在模腔內(nèi)流動，凝固的塑件從模具中脫出，都對模具成型表面造成摩擦，引起磨損。造成塑料模具磨損失效的根本原因就是模具與物料間的摩擦。但磨損的具體形式和磨損過程則與許多因素有關，如模具在工作過程中的壓力、溫度、物料變形速度和潤滑狀況等。當塑料模具使用的材料與熱處理不合理時，塑料模具的型腔表面硬度低，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。尤其是當使用固態(tài)物料進入塑模型腔時，它會加劇型腔面的磨損。加之塑料加工時含有氯、氟等成分受熱分解出腐蝕性氣體HC1、HF，使塑料模具型腔面產(chǎn)生腐蝕磨損，導致失效。如果在磨損的同時又有磨損損傷，使型腔表面的鍍層或其他防護層遭到破壞，則將促進腐蝕過程。兩種損傷交叉作用，加速了腐蝕一磨損失效。（2）塑性變形失效。塑料模型腔表面受壓、受熱可引起塑性變形失效，尤其是當小模具在大噸位設備上工作時，更容易產(chǎn)生超負荷塑性變形。塑料模具所采用的材料強度與韌性不足，變形抗力低；塑性變形失效另一原因，主要是模具型腔表面的硬化層過薄，變形抗力不足或工作溫度高于回火溫度而發(fā)生相變軟化，而使模具早期失效。（3）斷裂。斷裂的主要原因是由于結(jié)構、溫差而產(chǎn)生的結(jié)構應力、熱應力或因回火不足，在使用溫度下，使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，引起局部體積膨脹，在模具內(nèi)部產(chǎn)生的組織應力所致。

四、塑料模具的表面強化技術

1.表面熱處理。表面熱處理根據(jù)其方法不同可以分為表面淬火，化學熱處理兩種形式。（1）表面淬火技術是指對于塑料的表面進行熱處理，從而改變其表面組織和性能的技術方式，包括感應加熱淬火，火焰加熱表面淬火，接觸電阻加熱淬火，激光表面加熱淬火等幾種不同的淬火方式。通過模具表面的急速加熱和急速冷卻的方式，可以使模具表面在一定的厚度內(nèi)變的硬化從而使其的韌性增加，這樣的話模具就不容易發(fā)生變形，模具的表面也不會再使用中變得粗糙。另外，模具表面的分型面很容易出現(xiàn)溢料等現(xiàn)象，通過對于模具型腔口處的模具局部淬火，可以解決因分型面和型腔周圍塌陷而產(chǎn)生的溢料現(xiàn)象。（2）塑料模具的化學熱處理是指將模具放在一定溫度的活性介質(zhì)中進行保溫，從而使幾種元素滲入模具的表面，從而使模具表面的化學成分，組織形式和性能發(fā)生改變。塑料模具的化學熱處理形式一般包括滲碳，滲氮，滲硼，滲硫，滲硌，滲釩以及共滲稀土等幾種處理方式。（3）滲碳處理一般應用于電工鐵，低碳鋼以及碳合金鋼經(jīng)擠壓加工型腔的塑料模具的處理中。通過固體，液體，氣體，等離子體等滲透方法，可以在塑料模具的表面形成含碳量為0.8%～1.5%的滲碳層，進而輔以淬火，回火等處理可以使炭層的硬度得以強化。但是，由于滲碳處理的溫度比較高，模具會產(chǎn)生較大的變形情況，因此不適用于對精度要求比較高的塑料模具。（4）滲氮處理相比于滲碳處理的優(yōu)點在于，模具滲氮處理一般是在相對較低的溫度下進行的。其處理的方式和滲碳處理一樣，也包括固體，氣體，液體，等離子體等幾種處理方式。塑料模具經(jīng)過滲氮處理，其表面的硬度會得到顯著的提高，并且其耐磨性和抗腐蝕性也能得到顯著的提升，并且會獲得一定的熱硬性。由于滲氮處理的處理溫度相對比較低，因此可以用于對精度要求比較高的塑料模具。（5）碳氮共滲是在溫度為820～860度的溫度下將碳和氮同時滲入塑料模具的處理方式，滲入元素主要以碳為主。碳氮共滲集合了滲碳和滲氮的共同優(yōu)點，比滲氮處理具有更高的抗壓強度和更低的表面脆性，比滲碳處理具有更高的抗磨性，抗疲勞性和抗腐蝕性。（6）氮碳共滲是指在塑料模具的表層同時滲入氮和碳，滲入元素以氮為主的化學熱處理方式。氮碳共滲處理后的塑料模具具有優(yōu)良的耐腐蝕性，耐磨性，以及抗疲勞性等特點。（7）滲硼技術是指在塑料模具的表面滲入硼或者以硼為主的復合基德化學熱處理形式。滲硼處理后的塑料模具的耐磨性能非常優(yōu)異，明顯由于滲碳和滲氮處理的模具，并且具有良好的抗腐蝕性能。一些性能良好的滲硼技術處理過的塑料模具甚至可以取代昂貴的合金鋼材料。但是，由于滲硼處理的溫度一般比較高，需要注意塑料模具變形的情況發(fā)生。（8）滲硫技術處理的原理是通過在塑料模具表面形成低摩擦系數(shù)的硫化物層，從而憑借其優(yōu)良的減摩作用來避免一些關鍵摩擦部位的過早磨損。常用的滲硫工藝具有液體，氣體，等離子體等方法。（9）共滲稀土技術實在熱處理過程中加入適量的稀土元素，從而使塑料模具表面的組織結(jié)構，物理化學機能等獲得顯著的改善。經(jīng)過共滲稀土技術處理過的塑料模具的強度，抗腐蝕性，抗磨性等都為得到明顯的提升。

2.電鍍和化學鍍處理。電鍍就是利用電解原理在某些金屬表面上鍍上一薄層其它金屬或合金的過程，是利用電解作用使金屬或其它材料制件的表面附著一層金屬膜的工藝從而起到防止腐蝕，提高耐磨性、導電性、反光性及增進美觀等作用。電鍍的目的是在基材上鍍上金屬鍍層，改變基材表面性質(zhì)或尺寸。電鍍能增強金屬的抗腐蝕性（鍍層金屬多采用耐腐蝕的金屬）、增加硬度、防止磨耗、提高導電性、潤滑性、耐熱性和表面美觀。電鍍一般分為金屬電鍍和復合電鍍兩種處理方式，其具有處理溫度低，塑料模具不易發(fā)生變形等優(yōu)點。工業(yè)上常用的有鍍鉻等形式?；瘜W鍍也稱無電解鍍，是在無外加電流的情況下借助合適的還原劑，使鍍液中金屬離子還原成金屬，并沉積到零件表面的鍍覆方法?；瘜W鍍技術是在金屬的催化作用下，通過可控制的氧化還原反應產(chǎn)生金屬的沉積過程。與電鍍相比，化學鍍技術具有鍍層均勻、針孔小、不需直流電源設備、能在非導體上沉積和具有某些特殊性能等特點?；瘜W鍍是一種新型的金屬表面處理技術，該技術以其工藝簡便、節(jié)能、環(huán)保日益受到人們的關注?；瘜W鍍使用范圍很廣，鍍金層均勻、裝飾性好。在防護性能方面，能提高產(chǎn)品的耐蝕性和使用壽命；在功能性方面，能提高加工件的耐磨導電性、潤滑性能等特殊功能。

3.氣相沉積。氣相沉積技術是利用氣相中發(fā)生的物理、化學過程，在工件表面形成功能性或裝飾性的金屬、非金屬或化合物涂層。氣相沉積技術按照成膜機理，可分為化學氣相沉積、物理氣相沉積和等離子體氣相沉積。經(jīng)過氣相沉積技術處理過的塑料模具具有很高的抗磨性，抗氧化性和耐腐蝕性，模具的使用壽命會得到顯著提高。

隨著塑料材料在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應用，對于塑料模具的性能提出了越來越高的要求。塑料模具的表面強化技術可以顯著的改善塑料模具的性能，提高其使用壽命，需要得到重點的關注和研究。

參 考 文 獻

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