關(guān)于塑料模具的磨損機(jī)制及其失效機(jī)理

郭善友

摘要：本文通過對塑料磨具的磨損機(jī)制及其失效機(jī)理的研究，總結(jié)塑料磨具尺寸精度和表面粗糙度下降的緣由，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以更好的消除塑料磨具磨損現(xiàn)象，提升塑料磨具的使用周期和商品質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：塑料磨具；磨損機(jī)制；失效機(jī)理

前言

成型模、擠塑模、吹塑模等塑料模具在日常生活中，經(jīng)常會在使用一段時間后出現(xiàn)表面粗糙和尺寸精度問題，嚴(yán)影響了塑料產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量。有些甚至?xí)缭缡?yīng)用效果，導(dǎo)致很大的經(jīng)濟(jì)損失。為了解決此類問題，筆者針對塑料磨具的使用做了大量的研究，得出高溫沖蝕一氧化碳是其中最主要的原因，摩擦使得表面材料產(chǎn)生破壞，影響了塑料制品的正常使用效果。

1.塑料模具的高溫沖蝕現(xiàn)象

1.1實(shí)驗設(shè)備

主要有布氏硬度測試儀，掃描儀，電子探針儀等檢測設(shè)備，離子噴涂等熱噴涂設(shè)備，數(shù)控電火花機(jī)等表面加工設(shè)備，金屬材料的熱處理設(shè)備等，本研究主要選用塑料模具鋼材制作的模具進(jìn)行對比實(shí)驗。

1.2實(shí)驗方案

（1）不同塑料磨具材料的氧化對比實(shí)驗；

（2）不同含珞量的塑料磨具材料對比實(shí)驗；

（3）塑料模具表面等離子噴涂的陶瓷覆層實(shí)驗；

（4）塑料模具對于表面熱處理的實(shí)驗；

（5）塑料模具在不同的工藝參數(shù)下所使用的對比實(shí)驗。

1.3氧化機(jī)理

經(jīng)過實(shí)驗和研究可以發(fā)現(xiàn)，塑料模具表面精度和尺寸發(fā)生變化的主要原因就是高溫沖蝕一氧化碳，本文從塑料模具表面高溫沖蝕一氧化碳的機(jī)制圖和物理模型進(jìn)行討論。

1.3.1氧化的物理模型

（1）表面氧化模型

通過實(shí)踐操作表明：當(dāng)粒子能量還不能夠?qū)λ芰夏＞弑砻娴难趸瘜釉斐赏{時，氧化動力學(xué)是塑料模具表面的材料質(zhì)量變化的決定性因素，這個時候的氧化層對模具表面起到一定的保護(hù)作用。但是，隨著能量的不斷提升，塑料模具表面就會逐漸出現(xiàn)斷裂或者碎屑現(xiàn)象，但因為皮層厚度的存在使得氧化層的保護(hù)作用仍在，所以，模具質(zhì)量隨時間出現(xiàn)了不平滑現(xiàn)象。當(dāng)粒子能量突破模具表面的承受值，粒子運(yùn)動速度加快，模具表面氧化物減少，逐漸發(fā)生變形和以塑料模具表面為主的沖蝕狀態(tài)。塑料模具表面的金屬開始流失，其速度約束于表面的抗沖蝕能力，氧化層所發(fā)揮的作用也隨之減小。倘若塑料磨具未曾發(fā)生斷裂現(xiàn)象，則沖蝕作用則會相對減少很多。

（2）塑脆流失模型

塑料模具表現(xiàn)的復(fù)合層氧化物涉及到?jīng)_擊速度，塑料粒子流通，溫度等多重因素，所以，塑料模具表面包含了脆性和塑性兩種模式，與氧化物的含量息息相關(guān)。倘若在沖蝕過程中的氧化皮是脆性且與塑料磨具表面相連性較小，則根據(jù)不同的流失情況則會產(chǎn)生不用類型的沖蝕效果，其中包括了連續(xù)式和剝落式?jīng)_蝕兩種。

1.4氧化機(jī)制圖

通過對塑料模具表面高溫沖蝕作用的實(shí)踐分析，得出塑料模具表面破壞可以分為四種類型的機(jī)制：沖蝕類型、腐蝕促進(jìn)沖蝕類型、腐蝕為主、腐蝕壓制沖蝕類型。塑料模具表面金屬高溫沖蝕中的沖蝕與環(huán)境溫度關(guān)系如下圖所示：

通過以上圖示可以得出：曲線上的第二階段主要特性是以腐蝕性為主，隨著環(huán)境溫度的上升，塑料模具出現(xiàn)了先退化后增加的現(xiàn)象。另外，塑料模具表面氧化在T2--T3區(qū)域出現(xiàn)抗腐蝕現(xiàn)象，該區(qū)劃為腐蝕抑制沖蝕區(qū)域。隨著環(huán)境溫度的上升，氧化作用越加明顯，沖蝕作用逐漸褪去，塑料表面物質(zhì)流失速度加快。

2.改善塑料模具表面抗高溫沖蝕的措施

高溫沖蝕一氧化碳的現(xiàn)象時塑料模具常見問題的主要“魔頭”，這一現(xiàn)象存在也有很強(qiáng)的不可抗拒性。如何降低外在破壞，提高產(chǎn)品質(zhì)量是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的重點(diǎn)，筆者通過深入研究，得出如下建議以供參考：

2.1合理選擇塑料模具的制造材料

不同的塑料模具會產(chǎn)生不用的使用效果，在不同的環(huán)境下產(chǎn)生一氧化的情況也不盡相同，例如5CRMNMO、4CR5MOSIV、3CR2W8V這三種模具類型的一氧化能力逐層增加，分別作為低中高三種耐熱性熱作塑料模型，而2CR13類型的鋼材加工性能較強(qiáng)，熱處理后抗腐蝕效果良好，適合在高負(fù)荷和透明塑料制品的模具中廣泛使用。而9CR18MO則屬于高碳性的不銹鋼性能，強(qiáng)度高，耐磨性好，適應(yīng)在承受腐蝕環(huán)境下的高耐腐模具。

2.2改變塑料模具材料的合金成分

通過實(shí)踐得出珞含量的提高有利于塑料模具表面沖蝕能力的增強(qiáng)，在塑料模具中摻入相應(yīng)的CR合金元素，可以最快速度的實(shí)現(xiàn)氧化功效，從而形成質(zhì)量較好的氧化膜。珞含量的不斷增加可導(dǎo)致模具表面材料流失方向偏向于高溫方向，塑料模具本身的抗腐蝕和氧化性能提升。稀土元素和合金元素在提高塑料磨具中也有重要作用，可以在很大程度上減少氧化膜存在的缺陷，降低離子擴(kuò)散的速度，最終達(dá)到對塑料模具的應(yīng)用效果。

3.結(jié)語

綜上所述，對塑料模具的磨損機(jī)制及其失效機(jī)理的探討具有重要意義，除了上述列出的兩項重點(diǎn)措施外，加強(qiáng)對塑料磨具材料進(jìn)行表面處理，采取合理的生產(chǎn)工藝和工藝參數(shù)也同樣發(fā)揮著重要作用，多項措施共同應(yīng)用以提升產(chǎn)品的最終應(yīng)用效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭幼丹.機(jī)械設(shè)計與制造[J].塑料模具的磨損機(jī)制與失效機(jī)理的研究，2011，（01）：12-14

[2]鮑蕊，張建宇，鄭曉玲，費(fèi)斌軍.DFR腐蝕影響系數(shù)及其試驗測定[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2012，（06）：78-79