正文 第四節 塑料模常用金屬材料及其熱處理(3 / 3)

②4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1即美國的H11和H13是國內外最常用的熱作模具鋼。該鋼具有良好的綜合力學性能,與3Cr2W8V相比,H13不含鎢,而是增加了Cr和V的含量,並新加了Mo和Si來替代,該配方下碳化物顆粒及其分布較理想,淬透性和加工性能也好,H13鋼除強度略低於3Cr2W8V外其他力學性能均優於該鋼,用H13代替3Cr2W8V製作齒輪精鍛模壽命可由每模2000~2500萬件提高到5000~6000萬件,製作鋁合金壓鑄模由每模5~10萬件提高到20~50萬件,我國冶金部大力推廣用它取代3Cr2W8V。

H13淬火溫度為1020℃,回火為550℃,硬度52HRC。H13含鉻,在需要的時候還可以進行氮化處理,以進一步提高其硬度和耐磨性,H13可用作塑料成型模具的型腔和型芯。特別是高溫下使用的熱固性塑料壓模。

(5)易切削鋼在合金鋼中引入硫、鈣等元素,使鋼材不但具有模具鋼的強韌性、拋光性、高硬度、長壽命而且切削加工性能改善,使加工時間和加工費用顯著降低。

①易切削鋼5CrNiMoVSCa(5NiSCa),該鋼中添加了硫和鈣的複合體係,成為易切削鋼,在預硬到35~45HRC下具有良好的切削加工性能,比單一硫係的易切鋼有更高的韌性和各向性能一致性。鏡麵拋光性好,蝕刻花紋清晰,該鋼淬透性好,電加工及焊補性能好,還可進一步氮化處理以提高硬度,使用壽命長,可用於複雜精密的注塑模、熱壓模、橡膠模、衝模等。前麵介紹的SM2也是一種易切削鋼。

(6)高合金鋼係列合金元素總含量在10%以上,大大增強了鋼材的強韌性、耐磨性、淬透性,減小了淬火變形。

①Cr12型係列鋼,這一類型的鋼包括Cr12、Cr12MoV和Cr12MolVl(美國AISI標準D2鋼),該係列鋼中Cr12鋼的含碳量高,碳化物數量多,分布不均勻性嚴重,耐磨性高但強度和韌性均不及同係列的其他鋼。知名的Cr12MoV是高碳高合金含量的萊氏體鋼,由於含有大量的合金元素碳化物,鋼的硬度很高,達到2300HV,具有極高的耐磨性,由於含鉻多,使鋼的淬透性大大增加,而且淬火後殘餘奧氏體含量增多,使淬火後體積變化小,淬火變形也就小。截麵尺寸在300~400mm以下的模具可以完全淬透,它是我國目前應用最廣的冷作模具鋼之一,缺點是該鋼的熱加工性較差,退火不易軟化,焊接修補性很差,它適於製造大型複雜精密的塑料模和衝壓模。

與Cr12MoV類似且性能更優的是美國AISI標準的一種模具鋼Cr12Mo1V1(D2鋼),它在世界各國得到了廣泛應用,是我國冶金部推廣應用的新鋼種,該鋼的化學成分與Cr12MoV相近,隻是合金元素Mo和V的含量更高,該鋼比Cr12MoV有更高的淬透性和回火穩定性。

對於厚大截麵的零件該鋼還可通過空冷淬透,淬火變形很小,D2不但特殊碳化物數量更多,且碳化物顆料更細,硬度和耐磨性更高,而且有較好的韌性和切削加工性。

在相同的情況下用D2製作的模具其壽命比Cr12MoV要高一倍以上,Cr12MoV和D2的熱處理規範相近,淬火溫度980~1020℃,低溫回火溫度200℃,硬度為58~62HRC。

D2是典型的衝模鋼,也可用來製作大型、複雜、精密、高硬度的塑料模型腔和型芯。

②不鏽鋼係列1Cr13、2Cr13、3Cr13、3Cr17、4Cr13和9Cr18,不鏽鋼有鐵素體不鏽鋼、奧氏體不鏽鋼、馬氏體不鏽鋼,在塑料成型模具中采用馬氏體不鏽鋼,即鉻不鏽鋼,1Cr13和2Cr13熱處理方式為1000~1050℃油淬,加650℃高溫回火得回火索氏體,有較好的綜合機械性能。3Cr13和4Cr13在1050℃油淬加200℃低溫回火得回火馬氏體,硬度更高,9Cr18的硬度和耐磨性更好,它們用來作耐腐耐磨的工具、模具。

不鏽鋼係列中用來作模具的重要的有2Cr13即美國420鋼,在淬火和低溫回火後使用的馬氏體不鏽鋼,有較好的耐蝕性和熱強性,有一定的可焊性和塑性,易成型加工,其切削加工性和拋光性良好,可進一步滲氮或碳氮共滲以提高耐磨性,用作耐磨損耐腐蝕的塑料模,4Cr13是老牌的塑料模具鋼,其後不同國家在其中添加鎳、鉬、釩等元素來提高其拋光性能、強度、熱強性,其中著名的有瑞典S136,該鋼機械加工性能好,出廠時退火至硬度215HB,製作模具時粗加工後進行調質熱處理,使硬度達到50~54HRC,再用高速銑精加工,它具有優良的耐腐蝕性、拋光性、耐磨性,但價格較高,適宜製作高壽命、高負荷、高光潔、高透明的塑料製品模和有防腐蝕要求(PVC等)的塑料模具,如光盤、透鏡、眼鏡片等。若要進一步提高模具鋼的耐腐蝕作用同時保持高的拋光性、熱強性、耐磨性、韌性,可采用3Cr17Mo。可成型大型PVC件。S136在硬度為50HRC時屈服強度1460MPa,拉伸強度1780MPa。國內開發的0Cr16Ni10Cu3Nb(代號PCR)為馬氏體沉澱硬化型不鏽鋼,耐腐蝕性優秀,適於製作含氯、氟、溴(阻燃劑)的塑料注塑模。

三、銅合金

銅合金中因加有合金元素,可提高銅的硬度和強度,按化學成分可分為黃銅,青銅和白銅。黃銅是以鋅為主要合金元素,青銅是以錫、鈹、鋯、鈦為主要合金元素,白銅是以鎳為主要合金元素。國內外均選擇青銅並用鑄造方法製造塑料模具中的一些導熱性零件,其中鈹青銅是優良的塑模型腔和熱流道噴嘴、熱流道板、吹塑模瓶口鑲件等的製造材料,鈹含量為1.7%~2.5%,鈹青銅可以通過熱處理使其具有很高的強度σb為1200~1400MPa,硬度330~400HB可以和鋼材媲美,不但導熱性好,耐磨性也很優良,鈹青銅不足之處是彈性模量較鋼低,線膨脹係數較大,在高溫和高應力下容易變形。

四、鋁合金

在純鋁中加入鎂、鋅、銅、矽等合金元素,再通過固溶強化,時效強化、過剩相強化等可改善其強度和改造鑄造性能,鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金兩大類,變形鋁合金又分為防鏽鋁合金LF、硬鋁LY、超硬鋁LC和鍛鋁LD四種,後麵跟一數字為成分代號。鑄造鋁合金用ZL兩個字母和三個數字表示,如ZL101、ZL202、ZL302、ZL401,它們依次是鑄造鋁矽合金、鑄造鋁銅合金、鑄造鋁鎂合金、鑄造鋁鋅合金。鋁合金質輕,導熱性好,熔點低,加工性能優於鋼,國內多用鋁矽合金鑄造塑料模(吹塑、熱成型等模具),對鑄坯隻需進行少量切削加工即可,日本在製造高速成型注塑模時選用了強度很好的變形鋁合金LC9(7075)進行切削加工製造注塑模。

五、鋅合金

鋅合金的熔點是最低的,共晶鋅合金的熔點僅380℃,很容易進行鑄造,且省時、省錢,鑄造收縮率低。絕大多數的鋅合金為Zn-Al和Zn-Al-Cu合金。為改善鋅合金耐腐蝕性和強度也常加入微量的鎂,用於塑模的大多為Zn-4Al-3Cu共晶合金和2A8、2A12、2A27合金,鋅合金鑄造性能極佳,由於鑄造收縮率低,有良好的複製能力,力學性能與鋁合金類似,但室溫韌性和高溫強度較差,且抗蠕變能力低,長期使用易變形和開裂老化,除用於快速製模和低成本製模外,在正規注塑模中應用較少。

六、塑料模材料的選用

模具材料的正確選用是模具設計中極重要的一步,是保證塑料製品精度和製品內在外觀質量,提高模具壽命,降低模具成本的關鍵所在。模具對材料有以下基本要求:

①從製品質量出發,應保證型腔尺寸有高而穩定的尺寸精度和形位精度,因此對於先切削加工再淬火拋光的型腔要求材料的淬火變形小,否則就應選用有足夠硬度的預硬化鋼(30~40HRC),在加工後不再進行淬火等熱處理或采用隻在較低溫度(約500℃)進行時效硬化處理的鋼材以保證型腔隻產生極小的變形率。鋼材S136可在淬硬到50~54HRC後再用高速銑精加工,保證型腔不再變形。

②必須具有足夠的強度和剛度。為滿足模具能承受反複波動的注塑壓力,鎖模力等要求,材料必有足夠的強度(疲勞強度)和彈性模量,同時還要有足夠的硬度和耐磨性以長期保持型腔精度和延長模具的使用壽命。在高溫下使用的模具材料為了在高溫下能保持其物理力學性能,應選用熱作模具鋼。

③要有良好的切削加工性能和拋光性能,材料的切削加工性能好,例如采用易切削鋼即可降低加工費用,縮短製模周期。對於采用電加工方法製模的模具要有良好的電加工性能。

④對於接觸腐蝕性介質和腐蝕性氣體的模具要采用高鉻不鏽鋼等耐腐蝕性材料。

⑤為提高模具的生產效率要求模具材料有較高的導熱率,甚至用昂貴的鈹銅合金製作傳熱零件或型腔壁麵。

⑥希望模具型腔有良好的可焊補性,給修補帶來方便。

⑦價格低廉,除型腔、型芯等關鍵零件外,如無特殊要求時,模具的模板、墊塊等一律選用價格低廉的碳鋼。