新型塑壓模具材料應(yīng)用研究

摘要：本文總結(jié)前期Cr12MoV、SKD61和ASSAB 8407等模具材料和PVD等表面處理技術(shù)的試驗(yàn)情況，重點(diǎn)研究新型不電鍍塑壓模具材料的應(yīng)用，旨在提高模具制造質(zhì)量，縮短模具生產(chǎn)周期。

Abstract： This paper summarizes the test situation of surface treatment technology such as die materials and PVD such as pre-stage Cr12MoV、SKD61 and ASSAB 8407， and focuses on the application of new non-plating plastic pressing die materials， in order to improve the quality of die manufacturing and shorten the production cycle of die.

關(guān)鍵詞：新型塑壓模具;Cr12MoV;表面處理

Key words： new plastic press mould;Cr12MoV;surface treatment

中圖分類號(hào)：TG76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2021）09-0030-02

0 ?引言

長時(shí)間以來，我廠塑壓模具型腔主要選用Cr12MoV為材料，并進(jìn)行鍍硬鉻表面處理，容易出現(xiàn)粘模等質(zhì)量問題，極大影響塑壓制品的生產(chǎn)效率;同時(shí)，該工藝制造周期長。本文重點(diǎn)研究新型不電鍍塑壓模具材料的應(yīng)用。

1 ?塑料模具材料及表面處理技術(shù)在我廠塑壓模具生產(chǎn)中的應(yīng)用

長期以來，我廠塑壓模具主要選用合金工具鋼Cr12MoV作為主要材料。Cr12MoV是一種模具鋼，對(duì)應(yīng)日本JIS標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)為SKD11。

成形零件經(jīng)粗加工→淬火+回火→精加工→拋光→鍍鉻處理。塑壓模鍍鉻是一種應(yīng)用最廣泛的表面處理方法之一，其目的在于提高塑壓模表面的耐腐蝕性和耐磨性鍍鉻層的硬度高達(dá)1000HV，因而具有優(yōu)良的耐磨性。鍍鉻層還有較好的耐熱性，在空氣中加熱到500℃，其外觀和硬度仍無明顯變化。因此，在成型會(huì)產(chǎn)生腐蝕氣體的塑料或成型加工有玻璃纖維等增強(qiáng)物的塑料時(shí)，鍍硬鉻是防止塑壓模產(chǎn)生腐蝕或早期磨損的一種非常有效的辦法[1]。但是，鍍層的孔隙較大，耐腐蝕性不高。同時(shí)電鍍具有尖端效應(yīng)，對(duì)多孔、形狀復(fù)雜的模具也不適用。

現(xiàn)有塑料模具材料及表面處理技術(shù)存在以下的問題：

型芯、型腔和底模等模具主要件，是模具結(jié)構(gòu)中最為復(fù)雜的部分，自身加工周期最長，且需電鍍處理;電鍍過程易出現(xiàn)鍍層粗糙、局部無鍍層、鍍層不均勻、鍍層暗色以及鍍層掉鉻等問題;深腔結(jié)構(gòu)，尤其是窄深槽，鍍鉻操作過程復(fù)雜且困難，存在無法形成鍍層現(xiàn)象;電鍍后需要鉗工二次拋光，造成人工成本的浪費(fèi)，也影響制造周期。

2 ?塑料模具鋼及表面處理技術(shù)應(yīng)用前期試驗(yàn)情況

2.1 SKD-61模具鋼應(yīng)用情況

2.1.1 SKD-61模具鋼簡述 ?SKD61 是一種日本牌號(hào)的熱作模具鋼，對(duì)應(yīng)我國的牌號(hào)（GB/T 1299-2000）是4Cr5MoSiV1，是應(yīng)用最廣的熱作模具鋼，SKD61對(duì)應(yīng)美國標(biāo)準(zhǔn)是H13，工作硬度為HRC ?50～55，SKD61模具鋼化學(xué)成分表如表1。

作為一種中碳+高鉻合金工具鋼，SKD-61熱處理后得到組織細(xì)、晶粒適中的馬氏體組織，基本上分布著細(xì)小的炭化物，因此具有很高的硬度及耐磨性，并具有淬透性強(qiáng)，尺寸穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，適宜制作高精度長壽命冷作模具及熱固成型塑膠模具。

2.1.2 SKD-61模具鋼試驗(yàn)情況 ?在HG-11塑壓模6570/9371上試用，字母“HG-11”及“+”、“-”有局部粘模，其余大面出模較好。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，SKD61模具表面有粘模，脫模效果不好，后期還需要通過表面鍍鉻或鍍鎳的工藝來提高表面質(zhì)量。

2.2 ASSAB 8407模具鋼應(yīng)用情況

2.2.1 8407模具鋼簡述 ?ASSAB 8407是鉻鉬釩合金工具鋼，具有良好的塑性、韌性、切削加工性以及高溫耐磨性，主要適用于熱作成型模具。其性能如下：①高低溫均有良好的耐磨性。②優(yōu)良的韌性和延展。③穩(wěn)定及優(yōu)良的機(jī)加工性和拋光性。④優(yōu)良的高溫強(qiáng)度和抗熱疲勞性。⑤優(yōu)良的淬透性且熱處理變形小，ASSAB 8407模具鋼化學(xué)成分表如表2。

2.2.2 8407模具鋼的試驗(yàn)情況 ?在雙槽塑壓模CS571/033、CS571/039上試用，結(jié)果顯示，8407模具表面仍有粘模，表面劃傷（磨損）嚴(yán)重，這表明ASSAB 8407不能滿足酚醛樹脂+玻纖的生產(chǎn)需求。

2.3 物理氣相沉積技術(shù)（PVD）應(yīng)用情況

模具失效往往始于模具的表面，模具表面性能的優(yōu)劣直接影響到模具的使用和壽命。隨著新科技的發(fā)展，模具表面處理新技術(shù)得到迅速發(fā)展，物理沉積技術(shù)（PVD）便是其中之一。

2.3.1 PVD技術(shù)簡述 ?物理氣相沉積是在真空條件下，利用各種物理方法，將欲涂覆的材料（主要是氮化物或碳化物）氣化成原子、分子或離子直接沉積到基體表面的方法。

目前，PVD技術(shù)主要有三種，即真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍。而根據(jù)涂覆材料的不同，PVD涂層主要分為以下幾種，見表3， 不同表面處理技術(shù)的特性對(duì)比，見表4。

需要注意的是，常見PVD涂層時(shí)的加熱溫度為450～480℃，而某些材料經(jīng)回火（低溫回火180～200℃、中溫回火340～380℃ ），若再在（450～480℃）條件下進(jìn)行PVD涂層，模具基體或被退火，硬度降低，還有可能造成基體變形。基體硬度下降，導(dǎo)致涂層與基體附著不足，涂層僅為薄薄的一層;受力后基體破壞、涂層開裂剝落，起不到耐磨、潤滑作用，造成涂層效果不好，甚至比不涂層更差[2]。

結(jié)合上表，并對(duì)不同表面處理技術(shù)的特性進(jìn)行對(duì)比（表4），不難發(fā)現(xiàn)：與鍍硬鉻相比，CrN和DLC兩種涂層硬度提升不明顯，而其他類型涂層隨硬度提升明顯，但涂層溫度較高，或存在基體退火風(fēng)險(xiǎn)。有研究試驗(yàn)表明，將Cr12MoV鋼進(jìn)行PVD涂層處理，基體硬度由HRC 62下降至HRC 59，無大幅度下降。

2.3.2 PVD技術(shù)在塑料模具上的應(yīng)用 ?研究表明，用PVD方法，將Cr12MoV鋼制作的PVC塑料注射模，經(jīng)常規(guī)熱處理后沉積TiN膜層，使其耐磨性和耐鹽霧腐蝕性提高，模具表面不會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕而引起脫模時(shí)的粘模，使用壽命比原來提高2～4倍。

2.3.3 PVD技術(shù)的試驗(yàn)情況 ?經(jīng)熱處理廠家建議，在塑壓模CS571/044、CS571/120、6570/9124等模具上分別沉積CrN 和AlCrN涂層。整體處理效果較好，但狹窄位置處理效果一般，涂層顏色明顯淺于大面。經(jīng)模具試壓，CS571/044和CS571/120整體出模良好。但是，經(jīng)過CS571/120塑壓模投入批量生產(chǎn)后，僅加工400余件，便出現(xiàn)粘模現(xiàn)象，經(jīng)查為模具下模鑲件型腔尖角處涂層脫落，或與涂層溫度有關(guān)，抑或與PVD處理前的拋光質(zhì)量有關(guān)。

因此，PVD技術(shù)暫無法滿足我廠塑壓模具，尤其是以狹窄結(jié)構(gòu)居多的雙槽模具的性能需求。

3 ?模具鋼性能對(duì)比

根據(jù)技術(shù)資料，對(duì)SKD61、8407、ELMAX和M390進(jìn)行成分和性能對(duì)比，通過對(duì)照發(fā)現(xiàn)，ELMAX和M390在淬火硬度、耐磨損性及耐腐蝕性三方面都大大優(yōu)于Cr12MoV、SKD61和8407;拋光性能方面，兩者均有良好拋光性，但ELMAX由于淬火硬度高于前兩者，根據(jù)現(xiàn)場鉗工操作人員反饋，拋光性要強(qiáng)于前兩者。從驗(yàn)證結(jié)果來看，SKD61和8407模具在表面不電鍍的情況下，有局部粘模，后期仍需要作表面鍍鉻或鍍鎳來處理;ELMAX模具可以正常生產(chǎn)，易脫模。

各模具材料化學(xué)成分比較表見表5，各種模具材料化學(xué)成分對(duì)比見圖1，由這些資料來看，ELMAX和M390的鉻含量均明顯高于Cr12MoV、SKD61和8407。鉻是具有鈍化傾向的元素，一定成分的鉻加入鋼中，就會(huì)使鋼具有抗腐蝕性和抗氧化的能力，亦能增加鋼的耐磨性。

4 ?新型不電鍍塑壓模具材料應(yīng)用實(shí)驗(yàn)與總結(jié)

經(jīng)過對(duì)比，最終確定選用ELMAX和M390兩種粉末冶金工模具鋼作為試驗(yàn)材料。

4.1 一勝百ELMAX粉末冶金工模具鋼應(yīng)用試驗(yàn)

ELMAX在斷路器塑壓模1ECS571/062上試用，結(jié)果顯示，用ELMAX的模具壓制的產(chǎn)品，不粘模，外觀及尺寸均達(dá)到要求。目前，ELMAX模具可以正常生產(chǎn)，易脫模。

4.2 博樂M390粉末冶金工模具鋼應(yīng)用試驗(yàn)

M390在斷路器塑壓模1ECS571/039上試用，結(jié)果顯示，用M390的模具壓制的產(chǎn)品，不粘模，外觀及尺寸均達(dá)到要求。目前，M390模具可以正常生產(chǎn)，易脫模。

5 ?結(jié)束語

通過對(duì)SKD-61、8407等模具材料和PVD等表面處理技術(shù)等分析，并對(duì)ELMAX和W390等材料的應(yīng)用試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)兩種材料均能良好地滿足FX-501等高腐蝕性+高磨耗性塑料的成型加工，有助于提高模具使用壽命。兩種材料不需要電鍍表面處理，縮短了模具生產(chǎn)周期。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鵬駒.塑料模具技術(shù)手冊(cè)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，1997，6：899-901.

[2]謝嫻.淺談塑料模具材料的選擇[J].科技風(fēng)，2015，13：65.

作者簡介：高衍順（1989-），男，山東濟(jì)南人，本科，助理工程師，主要從事塑料模具的模具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)管理工作。