塑料水杯模具的选材与热处理

本科毕业设计（论文）20 届本科毕业论文（设计）论文题目：塑料水杯模具的选材与热处理The materials selection and Heat Treatment of Plastic Cup Mold学生姓名： 所在院系： 所学专业： 导师姓名： 完成时间： 本科毕业设计（论文）摘 要随着塑料制品在工业及日常生活中得到越来越广泛的应用，塑料模具工业对模具钢的需求也越来越大，模具材料对于模具的加工和使用性能，以及模具寿命有很大的影响，对模具的 质量及使用寿命提出了更高的要求。由于塑料成型模具的实际种类繁多，使用状 态复杂，如何根据不同模具工作条件，科学地 寻求提高模具使用寿命的途径，已成为广大模具技术人员的重要研究课题。实践证明，塑料模具材料的合理选用与热处理是提高塑料模具使用寿命科学有效的途径。本文详细介绍了塑料模具钢材的失效形式，选材要求及目前常用的塑料模具材料种类及热处理方法，为制定塑料模具的热处理工艺和选择钢种提供了理论依据，并且从多方面介绍了国内外提高塑料模具使用寿命的表面技术，指出正确运用表面处理技术是提高塑料模具使用寿命的一个行之有效的重要途径，具有事半功倍的效果。关键词:塑料模具材料，失效，选材，热处理，表面 处理本科毕业设计（论文）The materials selection and Heat Treatment of Plastic Cup MoldAbstract With the plastics industry is increasingly wide range of applications in everyday life，plastic mold steels are more and more demanded in plastic molds industry ,plastic mold material for the processing and use of mold performance and service life have a great impact in molds ,it is requirement higher on the quality and service life of molds. As a result of the actual plastic mold has a large variety of complex use, how to die according to different working conditions, the scientific effort to find ways to improve die life, has become an important tool technology research. Practice shows that the plastic mold material with a reasonable selection of plastic mold heat treatment is to improve scientific and effective way of life. Introduced how to choice plastic mold steel and usual used mold steel and using situation in mold factory were stated in detail, the theoretical basis for working out the heat treatment processes of these steels and for selecting steel grades are also provided in this paper .Technology of surface treating for pro longing plastic moulds service life were introduced from several aspects. It is pointed out that techno logy of surface treating is an important way for prolonging plastic moulds service life when being used properly.Key words: Plastic mold materials, Invalidation, Materials selection, Heat treatment, Surface treating本科毕业设计（论文）目录0 引言.5 .1 塑料模具的工作条件及失效形式.51.1 塑料模具的工作条件.51.2 影响塑料模具钢选择的因素.51.3 塑料模具失效分析.61.3.1 一般模具失效因素分析.61.3.2 塑料模具钢的性能要求.72 塑料模具合理选材与热处理的基准.82.1 塑料模具的选材.82.1.1 选用模具钢的原则.82.1.2 合理选用塑料模具钢.92.1.3 塑料模选用材料的发展方向.92.2 塑料模具钢的热处理.103 典型塑料模具的失效分析及处理办法.103.1 塑料模具表面高温冲蚀现象.103.1.1 原因分析.113.1.2 提高塑料模具表面抗高温冲蚀方法.113.2 塑料模表面桔皮和麻坑现象.123.2.1 原因分析.133.2.2 表面缺陷的处理方法.134 塑料模具的表面处理技术.144.1 塑料模具的表面性能要求及其失效形式.144.2 塑料模具的表面处理.144.2.1 表面热处理.154.2.2 电镀和化学镀.164.2.3 气相沉积.174.2.4 三束改性.184.2.5 热喷涂和热喷焊技术.184.3 常用的塑料摸具表面处理技术编合比较.194.3.1 塑料模具表面改性技术的选用原则.195 塑料模具技术发展趋势.20结束语 .21参考文献.21 致谢.22本科毕业设计（论文）0 引言新型材料如塑料永久地占领了新的市场，近年来其产量和消费量都相对稳定增长这一增长的主要原因是由于塑料成了传统金属的替代品。塑料的多样性开辟了许多新的应用领域，如汽车零件、瓶子、计算机机箱、家具和许多家用器具等都是塑料制造，塑料制品通常由聚合物或聚合物与其他组分的混合物，于受热后在一定条件下塑制成一定形状，并经冷却定型，修整而成。 这个过程就是塑料的成型与加工，塑料的成型加工方法已有数十种，同时塑料模具是塑料成型加工中不可缺少的工具，在总 的模具产量中所占的比例逐年增加，在当前已处于重要位置。在我国塑料模具的应用在国民经济中的地位愈来愈重要。它的钢材耗用量大，品种规格多，形状复杂，表面粗糙度 值要求低，制造难度大。因此，探 讨塑料模具的制造中的选用材料与热处理问题，综合分析其工作条件、失效、性能，合理选用材料与热处理以及提高它的使用寿命，保证制件质量，降低制造成本显得非常重要。1 塑料模具的工作条件及失效形式1.1 塑料模具的作条件 表 1 塑料水杯模具的工作条件条件分类工作压力(MPa)工作温度()摩擦状态 进型腔时物料状态腐蚀状态小结热固性塑料模2000-8000 150-250 摩擦磨损大 固体粉末状态或预制坯料有时有腐蚀受热,受力,受磨损较大热塑性塑料模3000-6000 150-250 摩擦磨损小,当加入某些固态填料时(玻璃纤维,石英粉)磨损较大粘流状态 有时有腐蚀受热,受力,磨损较小1.2 影响塑料模具钢选择的因素 (1) 切削加工性 。对于大型、复杂和精密的挤压或注塑模具，通常预硬化到2835HRC 之间, 再进行切削和磨削加工，到达所要求的形状精度与尺寸精度后，直接投人使用，从而可以排除热处理变形、氧化和脱碳的缺陷。由于塑料模具的型腔的几何形状通常比较复杂，往往有深孔、深沟槽、窄缝等难加工部位，因此钢材必须具有易切削的性能。通常加人 S、Ca 和稀土元素，来改善预硬钢的切削加工性，如我国研制的 5NiCaS。但是，由于易切削钢 中含硫量较高，且存在大量的杂物，所以模具钢的力学性能特别是横向性能相对较低。本科毕业设计（论文）（2)镜面加工性能。光盘或塑料透镜等塑料制品的表面粗糙度要求很高，一般要求 Ra值 0.01 一 0.02m，主要由模具型腔的表面粗糙度来保证，一般模具型腔的粗糙度要比塑料制品的高一级。模具钢的镜面加工性能与钢的纯洁度、组织、硬度和镜面加工技术有关。高的硬度、细小而均匀的 显微组织，非金属 杂质少，均有利于镜面的抛光性的提高。镜面抛光性要求高的塑料模具钢均采用真空熔炼或真空除气 2。（3)耐蚀 性能。有些塑料含有氟和氯，比如聚氯乙烯、氟塑料以及添加阻燃剂的阻燃塑料(如 ABS)。由于在挤出或注塑过程中，模具接触腐蚀介质， 应选用耐蚀性好的塑料模具钢，如 Cr14Mo，或镀铬，或采用镍磷非晶涂层。（4)非磁性 。在注射成型塑料粘性磁体时，磁场注射模具主要有高强度、耐磨性较好的非磁性模具钢制造，如 18 一 8 型不锈钢经氮化处理，或用70Mn、15Cr4V2WMo 等, 也有 设计者采用钗铜合金材料，但是价格比非磁性模具钢高，而且切削加工性较差。（5)图案光刻性能。有些塑料制品表面要求呈现清晰而丰满的图案纹，它对模具钢材质的要求与精密抛光性能相似，钢纯净度、 组织致密度、硬度都要求 较高。（6)耐磨 损性。塑料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与塑料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效，所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素，一般情况下, 模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。1.3 塑料模具失效因素分析1.3.1 一般模具失效因素分析一般模具制造中包括模具设计、选用材料、 热处理机械加工、调试与安装等过程。根据调查表明：模具失效的因素中，模具所使用的材料与热处理是影响使用寿命的主要因素(详见表 2)，其比例约占 70 %，国内外的有关资料也表明了相同的结果。从全面质量管理的角度出发，不能把影响模具使用寿命的诸因素作为多项式之和来衡量，而应该 是多因素的乘积， 这样模具材料与热处理的优劣在整个模具制造过程中就显得特别重要。表 2 塑料水杯模具失效因素失效因素 热处理 原材料 使用 机械加工 锻造 设计所占百分比(%)52.2 17.8 10 8.9 7.8 3.3本科毕业设计（论文）塑料模具的重要失效形式为磨损失效，局部塑性变形失效和断裂失效。（1）当塑料模具使用的材料与热处理不合理，塑料模具的型腔表面硬度低， 而耐磨性差，其表现为，型腔面因磨损及变形引起的尺寸超差；粗糙度值因拉毛而变高，表面质量恶化。尤其是当使用固态物料进入塑模型腔，它会加剧型腔面的磨损，故塑料模产生了磨 损失效。加之，塑料加工 时含有氯、氟等成份受热分解出腐蚀性气体 HCl、HF，使塑料模具型腔面产生腐 蚀磨损，形成侵 蚀失效。（2）局部塑性变形失效。塑料模具所采用的材料强度与韧性不足，变形抗力低；当填充的物料进入塑模型腔内，有超载，持 续受 热，周期受 压，而应力分布不均匀，以及塑模型腔面硬化层过薄，从而使塑模 产生局部的塑性变形而引起的表面皱纹、凹陷、麻点棱角堆塌，超过要求限度而造成失效以及回火不充分等因素使塑料模具寿命缩短，过早的失效。（3）断裂失效。塑料模具形状复杂，多棱角薄 边，应 力严重集中在韧性不足之外。同时 ，塑料模采用合金工具钢回火不充分，而 发 生断裂失效。1.3.2 塑料模具钢的性能要求从塑料模三种失效形式可知: 选用合理的塑料模具材料与热处理, 对它的使用寿命至关重要。故此，塑料模具材料的选用与热处 理应满足下列要求:(1) 满足工作条件要求 耐磨性。塑料在模具型腔中塑性变性时，沿型腔表面既流动又滑动，使型腔表面与塑料间产生剧烈的摩擦，从而导致模具因磨损而失效。所以材料的耐磨性是模具最基本、最重要的性能之一。硬度是影响耐磨性的主要因素。一般情况下，模具零件的硬度越高，磨损量越小，耐磨性也越好。另外，耐磨性还与材料中碳化物的种类、数量、形态、大小及分布有关。强韧性。模具的工作条件大多十分恶劣，有些常承受较大的冲击负荷，从而导致脆性断裂。为防止模具零件在工作时突然脆断，模具要具有较高的强度和韧性。模具的韧性主要取决于材料的含碳量、晶粒度及组织状态。疲劳断裂性能。模具工作过程中，在循 环应力的长期作用下，往往导致疲劳断裂。其形式有小能量多次冲击疲劳断裂、拉伸疲 劳断裂、接触疲劳断裂及弯曲疲劳断裂。模具的疲劳断裂性能主要取决于其强度、 韧性、硬度、以及材料中 夹杂物的含量。高温性能。当模具的工作温度较高时，会使硬度和强度下降，导致模具早期磨损或产生塑性变形而失效。因此，模具材料应具有较高的抗回火稳定性，以保 证模具在工作温度下，具有较高的硬度和强度。耐冷热疲劳 性能。有些模具在工作过程中处于反复加热和冷却的状态，使型腔表面受拉、压力变应力的作用，引起表面龟裂和剥落，增大摩擦力，阻碍塑性变形，降低了尺寸精度，从而导致模具失效。冷 热疲劳 是热作模具失效的主要形式本科毕业设计（论文）之一，这类模具应具有较高的耐冷热疲劳性能。耐蚀性。塑料模在工作时，由于塑料中存在 氯、氟等元素，受热后分解析出HCI、HF 等强侵蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，增加其表面粗糙度值，加剧磨损失效。(2)满足工艺性能要求模具的制造一般都要经过锻造、切削加工、热处理等几道工序。为保证模具的制造质量，降低生产成本，其材料应具有良好的可锻性、切削加工性、淬硬性、淬透性及可磨削性；还应具有小的氧化、脱碳敏感性和淬火变形开裂倾向。可锻性。具有较低的热锻变形抗力，塑性好，锻造温度范围宽，锻裂冷裂及析出网状碳化物倾向低。退火工艺性。球化退火温度范围宽，退火硬度低且波动范围小，球化率高。 切削加工性。切削用量大, 刀具损耗低，加工表面粗糙度值低。氧化、脱碳敏感性。高温加 热时抗氧化性能好，脱碳速度慢，对加热介质不敏感，产生麻点倾向小。淬硬性。淬火后具有均匀而高的表面硬度。淬透性。淬火后能获得较深的淬硬层，采用缓和的淬火介质就能淬硬。淬火变形开裂 倾向。常规淬火体积变化小，形状翘曲、畸变轻微，异常变形倾向低。常规淬火开裂敏感性低，对淬火温度及工件形状不敏感。可磨削性。砂轮相对损耗小，无 烧伤极限磨削用量大，对砂轮质量及冷却条件不敏感，不易发生磨伤及磨削裂纹。(3)满足经济性要求在给模具选材时，必须考虑经济性这一原则，尽可能地降低制造成本。因此，在满足使用性能的前提下，首先选用价格较低的，能用碳钢就不用合金钢，能用国产材料就不用进口材料。另外，在选材时还应考虑市场的生产和供应情况，所 选钢种应尽量少而集中，易购买。2 塑料模具合理选材与热处理的基准随着对塑料模具的要求的提高,对模具钢材也提出了更多的要求。即希望提供更、更好的具有高硬度镜 面加工性能好,耐磨性能强的淬火,回火类新钢材。但是,还要根据塑料的类型以及对被成型的塑料制品的尺寸、精度、质量、数量不同的要求,并考虑已有制造模具的条件来选用不同类型的塑料模具钢及其热处理。2.1 塑料模具的选材2.1.1 选用模具钢的原则(1) 适应模具的工作条件 ;(2) 适应模具的尺寸大小、复杂程度和精度要求;本科毕业设计（论文）(3) 适应塑件的生 产批量要求;(4) 选用的模具 钢应具有良好的成形加工性能和抛光性能;(5) 优先选用我国自 产、冶金质量稳定可靠的模具钢。2.1.2 合理选用塑料模具钢表 3 塑料水杯模具的选用工作条件 推荐钢号生产塑料产品批量较小, 精度要求不高, 尺寸不大的模具45、55 钢或 10、20 钢渗碳在使用过程中有较大的动载荷, 生产批量较大, 磨损严重12CrNi3A、20Cr、20CrMnMo、20Cr2Ni4A 钢渗碳 大型、复杂、批量较大、注射成型或挤压成型模具3Cr2Mo、4Cr3Mo3SiV、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV、4Cr5M0SiV1、热固性成型及要求高耐磨、高 强度、塑料模具9Mn2V、7CrMn2WMo、CrWMn、MnCrWV、GCr15、5Cr2MnWMoVs、Cr2Mn2SiWMoV、Cr6WV、Cr12MoV、Cr12耐腐蚀和高精度塑料模具 2Cr13、4Cr13、9Cr18、Cr18MoV、Cr14Mo、Cr14Mo4V复杂、精密、高耐磨塑料模具 25CrNi3MoAL 18Ni ( 250） 、18Ni （300） 、18Ni （350）2.1.3 塑料模选用材料的发展方向塑料模具对钢材的质量和性能有一些特殊要求。例如:热处理变形小，研磨与抛光性能好，光洁度高，有较强的花纹刻蚀性，尺寸稳定，有别于其他模具材料， 尤其是型腔复杂，高精度的塑料模具对模具的选材有更高的要求，但模具钢直接影响模具的寿命。现有的国 产传统的模具钢从品种质量、性能等方面都不能满足现代化的生产需求，于是国内又开发与研制了一些新型的塑料模具钢，以供选用。（1） 5CrMnMoVSCo 5NiSCo 高韧性易切削料、模具钢，这种钢材在国内是首创，其切削加工性、等向性、韧性和可锻性均好。5NiMoSCo 预处理采用调质工艺，其淬火温度为 890900 ，油淬之后， 硬度在 HRC60 以上。650回火后，予处理硬度为 HRC35，其切削加工性同退火状态的 45 钢,可本科毕业设计（论文）顺利地进行多种切削加工。(2)SM1 和 SM2 塑料模具钢它属于硫系易切削模具钢，用于要求高的注射模、压铸模，效果良好。两种模具钢中的元素， S 以 MnS 型微粒夹杂存在，可以起到减少切削力和易于断屑的作用。SM1 锻轧之后,迅速退火,而 SM2 则不用退火，直接经时效和预硬化处理可使用。二种钢经 570氮化后，心部基体强度不变，表面硬度可达 HV1100。SM2 可氮化与时效同时进行 。2.2 塑料模具钢的热处理塑料模具如果采用常规的热处理质量无法保证，模具使用寿命短,材料的利用率仅为 60%,为此，对塑料模具中所使用的钢材，应采用特别的热处理，以延 长塑模使用寿命。对于要求心部具有高的强韧性和表面层的耐磨性的塑料模具，可通过表面强化处理技术，提高耐磨性和使用寿命。然而表面强 化技术，它不 仅能提高塑模型腔表面的耐磨性，而且能使塑模内部保持足够的强韧性，这对于改善塑料模的综合性能，节约合金元素，大幅度降低成本，充分 发挥 材料的潜力，以及更好地利用新材料，都是十分有效的，实践证明：表面强化技 术是提高塑模质量和延长其使用寿命的主要途径。采用电火花表面强化技术，它是通过火花放电作用，把一种导电材料（YT15、YT30）涂敷及渗透到另一种导电钢制模 45钢的表面上，构成合金化的表面层，从而改变模具工作面的物理和化学性能的一种工艺方法。为了使被强化的45 钢制模具的基体表面光洁，事先必须将模具基体 45钢的工作面和电极表面清洗干净，然后手握 D9110 强化机将电极 YT15、 YT30 沿模具 45钢制作工作面移动，并保持一定的压力，使火花放电均匀连续。经电 火化强化之后，被强化表层显微硬度可达 HV11001400，甚至更高。其强化 层与结合牢固，耐冲 击、不剥落。强化 处理时，工件处于冷态，且放电点极小，时间短，没有退火变形等现象，这大大提高模具型腔面的耐热性、耐磨性、热硬性和耐 蚀性，生 产实践证明，经电火花表面强化后，挤出塑料模具工业对模具钢的需求也越来越大塑料模 使用寿命可提高 1 倍以上，强化 层在使用过程中磨损后，还可以重新进行强化 5。3 典型塑料模具的失效分析及处理办法3.1 塑料模具表面高温冲蚀现象塑料模( 如塑料注射成型模、压塑模、 挤塑模、塑料挤出模、吹塑模等)等塑料模具在使用过程中，往往使用不了多长时间就出现尺寸精度和表面粗糙度的破坏，造成生产的塑料制品 质量达不到要求的现象，甚至导致塑料模具早期失效, 既影响生产也造成很大的经济损失。到底是什么原因造成塑料模具尺寸精度和表面粗糙度的破坏呢？通过深入调查和大量的资料统计，得出塑料模具尺寸精度和表面粗糙度下降的主要原因是塑料模具在使用过程中的高温冲蚀氧化现本科毕业设计（论文）象造成的，即处于高温作用下的塑料模具，其表面在腐蚀性固体颗粒冲刷下，以及塑料模具表面材料与工件产生的强烈摩擦，使得塑料模具表面产生了高温冲蚀氧化破坏现象，造成塑料模具尺寸精度和表面粗糙度的破坏，导致塑料模具早期失效，影响了塑料制品的质量 1。3.1.1 原因分析造成塑料模具表面高温冲蚀氧化现象的主要因素有温度、固体粒子的冲击速度、塑料模具材料性能等温度的影响 研究表明塑料模具表面材料冲 蚀-氧化破化程度随环境温度的上升而增大，但达到某一临界值后，塑料模具表面材料冲蚀-氧化破化程度又有一定的下降。如果塑料模具表面氧化膜的耐冲蚀能力不如塑料模具表面材料，它将在粒子冲击下和塑料模具表面材料一起流失。而且，随着温度的升高，塑料模具表面的氧化率增加很快，流失率也随着增加。也就是说，在一特征温度下，冲蚀腐蚀率中氧化皮造成的流失大于塑料模具表面金属造成的流失量时, 冲蚀在塑料模具表面材料流失机制中占主导地位。但达到临界温度值后，氧化皮在粒子冲击间隔时间内变得更厚，且与塑料模具表面材料的结合强度更高，足以抵抗随后的磨粒冲击，这时材料的冲蚀腐蚀率会逐渐下降，而使其流失机制转入“腐蚀为主”的范围冲击速度的影响 冲击 速度大表明磨粒对塑料模具表面冲 击的能量大、时间短， 这对高温环境中塑料模具表面的氧化皮生长和破坏产生明显的影响。试验表明，相同的磨粒流量在不同的冲击速度下冲蚀同种塑料模具表面，虽然冲蚀率随环境温度的变化仍显示出最大冲蚀的临界温度规律，但最大冲蚀率及其对应的温度值将随粒子速度的增大而明显增加。塑料模具材料的影响 塑料模具材料的性能主要是指材料自身的抗氧化和耐腐蚀性能，研究结果表明，塑料模具表面材料流失与温度关系曲线，将随它们的抗氧化能力或铬含量的增加而向高温方向移动，因为铬钢在含氧气氛中会生成 Cr2O3，塑料模具在冲 蚀条件下，塑料模具表层金属流失后又会生成新的Cr2O3 层，而且含铬越高，越容易生成这种保护层，这种保护层对塑料模具表面起较好的保护作用。此外塑料粒子的冲击角、塑料粒子性能也是影响塑料模具表面高温冲蚀- - 氧化现象的重要因素。3.1.2 提高塑料模具表面抗高温冲蚀方法从上面的研究分析可以看出，造成塑料模具表面尺寸精度和表面粗糙度破坏的主要因素是塑料模具在使用中产生高温冲蚀氧化现象，而且这一现象又是不可避免的因此，如何降低高温冲蚀氧化对塑料模具的影响、降低其对塑料本科毕业设计（论文）模具表面尺寸精度和表面粗糙度的破坏，是延长塑料模具使用寿命、提高生产产品质量的重要课题，为此得出以下结论供参考。(1)合理选择制造塑料模具的材料。不同的塑料模具材料具有不同的使用环境, 特别是温度环境的不同, 塑料模具表面产生冲蚀氧化的情况也完全不同。以 5CrMnMo、4Cr5MoSiV 和 3Cr2W8V 三种塑料模具 钢为例，它 们的抗冲蚀氧化能力逐次提高，分别可作低耐热性热作塑料模具钢、中耐热性热作塑料模具钢和高耐热性热作塑料模具钢。而 2Cr13 属于马氏体类型钢，机械加工性能较好，经热处理后耐腐蚀性能较好，适宜制造承受高负荷并在腐蚀作用下的塑料模具和透明塑料制品塑料模具；9Cr18Mo 则是一种高碳高 铬马氏体不锈钢，它具有更高的硬度、耐磨性、抗回火稳定性和耐腐蚀性能以及 较好的高温尺寸温度性，适宜制造承受在腐蚀环境条件下又要求高负荷、高耐磨的塑料模具。(2)改变塑料模具材料的合金成分。从塑料模具表面材料流失的情况可以看出，提高铬含量，也能较好的提高塑料模具表面抗冲 蚀氧化的能力。在塑料模具材料中加入和氧亲和力大的合金元素如 Cr，实现优先氧化，在塑料模具表面生成薄而致密的氧化膜。随着铬含量的增加，塑料模具表面材料流失向高温方向移动，塑料模具表面抗氧化和腐蚀性能性能提高。当 钢 中的 Cr 达 18%以上时， 铬钢在含氧气氛中会生成完整的 Cr2O3 膜，塑料模具表面发生冲蚀时，塑料模具表层金属流失后又会生成新的 Cr2O3 层，而且含 铬越高，越容易生成这种保护层，这种保护层对塑料模具表面能起较好的保护作用。通过加入 Cr，塑料模具表面生成尖晶石结构的氧化膜，由于尖晶石具有复杂致密的结构，粒子在这种膜中的移动速度缓慢，移动所需的激活能增大，因此显示出优 异的抗氧化性能。在塑料模具材料中加入稀土元素，增强氧化膜与塑料模具表面材料的附着力，也能提高抗高温氧化的能力。此外，还可以在塑料模具材料中加入不同的合金元素，控制氧化膜中的晶格缺陷，减少氧化膜的晶格缺陷浓度，降低离子的扩散速度，达到提高塑料模具表面的抗高温冲蚀氧化的能力。(3)对塑料模具表面 进行合理的处理。进行表面热处理、表面化学热处理和高能量密度表面处理等技术，使塑料模具材料既具有高硬度又使材料中的碳化物等硬化相的组成、形貌和分布合理，提高塑料模具表面的抗高温冲蚀氧化能力，也能较好的保证塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度。（4）对塑料模具材料进行表面处理。根据表面工程理论，对塑料模具表面进行冶金、粘涂和表面薄膜层 技术，改善塑料模具表面性能，提高塑料模具表面的抗高温冲蚀氧化能力，保 证塑料模具使用中的尺寸精度和表面粗糙度，提高塑料模具的使用寿命和生产产品的质量。本科毕业设计（论文）（5）采取合理的生产工艺和工艺参数。在使用塑料模具生产产品时，采取合理的生产工艺和工艺参数，特 别是控制温度、塑料粒子的流动速度等，也可以 较好的减少和降低塑料模具使用时冲蚀氧化现象对塑料模具表面的破坏。3.2 塑料模表面桔皮和麻坑现象塑料模表面常见的缺陷是桔皮和麻坑。这些缺陷一般发生在表面要求高度抛光的塑料模具上，特别是采用较大压力的机械抛光时更是如此 7。桔皮是塑料模具表面出现的一种微小塑性的变形，是塑料模具由于被拉伸到超过其屈服点时，产生了永久塑性变形。但在遇到桔皮表面或麻坑时，一般都认为是钢材的材料不好，然而大多数情况并不是钢材的情况造成的。如果是钢材有问题，那可能是因为钢材的组织结构特殊或者因为含有夹杂物， 则桔皮和麻坑会出现在塑料模具的任意位置上，而不是整个模具的表面。但现桔皮和麻坑一般都是比较广泛地分布在整个塑料模具的表面，而这就是过分抛光所造成的结果。3.2.1 原因分析（1）过度抛光引起的表面缺陷要了解过分抛光的受力情况，必须先要弄清楚钢材应力与应变的关系。当钢材所受的应力低于其屈服点位置时，钢材处于弹性变形阶段，当应力去除后，它将恢复到原来的形状。如应 力在屈服点和极限强度之间位置时，就会发生永久的塑性变形阶段。而钢材的屈服点取决于钢材的硬度，钢材越硬，其屈服点越高。当钢材所承受的应力超过其极限强度值位置时，钢材就会出现断裂。在塑料模具的抛光过程中，当模具表面所受的应力低于其屈服点，模具处于弹性变形阶段，不会发生永久的塑性变形，而是在模具表面由于抛光力的影响产生残余应力；当施加在模具表面上抛光应力强过了钢材的屈服点，由于钢材永久塑性变形的出现，会引起模具表面产生桔皮，出现桔皮后抛光机对 模具自然需要施加更大的压力，然而这样做，则超过了钢材表面的极限强度，小的颗粒或者微块虽然除掉了，但是留下了小点状的凹坑即麻坑。（2）过热引起的表面缺陷在热处理过程中由于热处理温度过高而发生过热时，高合金钢将处于混杂有马氏体与奥氏体的混合结构，这样使模具表面的硬度不一致（奥氏体比马氏体软一些），因此较软的奥氏体 组成物比较硬的马氏体组成物更快变形和被磨削掉。当抛光时用了较大压力时，塑料模具表面将很容易产生桔皮和麻坑。（3）过分渗碳引起的表面缺陷在塑料模具渗碳的过程中，钢材表面吸附了碳化物，得到碳弥散的均匀组织结构，因而提高了模具表面的硬度。但如果钢材过热 ，虽然能加速渗碳过程，但炭化物会在晶粒边缘成团出现，这样在模具表面就形成了不均匀表面硬度。结果本科毕业设计（论文）由于抛光时从模具表面不均匀地切掉金属，产生了疙瘩状表面。如果抛光压力太高，成团的炭化物就会从模具表面脱落，从而出 现麻坑。3.2.2 表面缺陷的处理方法（1）抛光时应避免过大的压力手工油石研磨和手工抛光需要花费高的生产成本，加工时间也较长，因此现在越来越多地采用机械装置研磨和抛光。采用手工抛光，加工应力很少会超过钢 材表面的屈服强度，因此不会出现桔皮和麻坑。但采用机械抛光如果控制不当，压力就会超过屈服强度，从产生桔皮和麻坑。因此在采用机械抛光时应非常小心，避免采用大的压力。但在采用机械抛光时， 总是希望较快完成，这样就需要采用较大的压力来清除以前的切削痕迹，而这样就会造成更大的桔皮或麻坑。因此在抛光时一定要避免过大的压力。（2）修理模具表面的桔皮和麻坑修理模具表面的桔皮和麻坑基本步骤：用油石磨光的方法除掉有缺陷的表面。通常是在 进行金刚石抛光前用新的油石来磨光。消除应力，把模具的表面从高度受力的状态下解除出来。消除应力时的温度应该比模具的回火温度低 100。这样不至于使模具 钢软化。应力消除之后，用金刚石抛光， 这次用力要轻。提高硬度有助于防止产生桔皮和麻坑,因为只有对钢材所施加的应力大于屈服点，才出现桔皮.因此可以通过提高模具硬度,使模具能承受更大的压力而不出现桔皮，麻坑也随硬度的提高而减少。因此渗碳模具由于表面较硬可以得到很好的抛光性能；氮化得好的模具在抛光过程中也不会产生桔皮和麻坑.4 塑料模具的表面处理技术4.1 塑料模具的表面性能要求及其失效形式为保证成型后塑料制品的表面质量，从而对塑料模具的表面状态提出了以下要求:型腔表面光滑。成型面要求抛光成镜面，表面粗糙度低于 014m ,以使压制件具有良好的外观并便于脱模。型腔表面耐磨抗蚀。一般要求成型面硬度达 3060HRC ，且表面粗糙度长期保持不变，长期受热表面不软化、不氧化。通常，塑料模具的主要失效形式为:成型面磨损、塑性变形和断裂。表面磨损是指塑料对模具成型面的摩擦，使表面拉毛的现象。当原料中含有无机填料时，将明显加剧模具的磨损，除型腔表面粗糙度迅速恶化外，型腔尺寸也由于磨损而急剧变化。本科毕业设计（论文）塑性变形是指模具在持续受热、受压作用下， 发生局部塑性变形而失效的方式。这种失效是由于模具型腔表面的硬化层过薄， 变 形抗力不足或是模具在热处理时回火不足，在服役时发 生组织转变所致。断裂失效是危害最大的一种失效形式。塑料成形模具形状复杂，存在许多角薄边，在 这些位置会造成应 力集中， 产生断裂。此外,回火不足也可能发生断裂。4.2 塑料模具的表面处理按照塑料模具的性能要求，可对其进行多种方式的表面处理。通常，可根据所用工艺的特点将其分成:表面淬火、化学 热处理、 电镀、化学镀、气相沉积和三束改性等几类。4.2.1 表面热处理表面热处理包括表面淬火、化学热处理两大类。表面淬火是指仅对工件表面进行热处理以改变其组织和性能的工艺方式，诸如感应加热淬火、火焰加 热表面淬火、接触 电阻加 热淬火、 电解液淬火等。通过工件表面的急热急冷，可使表面一定厚度内发生相变硬化而心部保持韧性，模具变形小且不会使表面变得粗糙。研究表明，对塑料模具型腔口处采用局部淬火，可以解决因分型面和型腔周边塌陷而产生的溢料现象。塑料模具的化学热处理通常包括渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗铬、渗钒及共渗稀土等。（1）渗 C、渗 N 和 C-N、N-C 共渗。这是塑料模具表面最常用的一类化学热处理方法。处理后的模具表面 获得马氏体和弥散分布的氮化物，其耐磨性和疲劳强度明显提高且抛光性好。通 过固体、 盐浴、气体、真空和离子渗碳，可在塑料模具钢表层形成含碳量为 0.8 %1.5 %的渗碳层,再辅以淬火、回火处理使高碳层发生相变强化，其硬度可达 5663HRC 。由于渗碳温度较高，要注意防止晶粒粗大和模具变形，以免造成型腔表面的粗糙化以及剥离缺陷。研究表明,低温渗碳可实现塑料模具的无形变表面强化 。塑料模具的渗氮温度(450580 ) 要低于渗碳温度,其处理方式亦包括:气体、液体、固体和离子渗氮。由于表面渗氮层硬度高(含有 Al 、V、Ti 等元素的合金钢，热 氮化处理后可获得硬度 HV9001100)，且处于压应力状态，故而能显著提高塑料模具型腔的耐磨性与疲劳强度，改善耐蚀性和抗擦伤性能，并有一定的热硬性。渗氮适用于中、高温回火的塑料模具钢表面 强化。由于 时效硬化塑料模具钢的时效温度范围与氮化温度范围相当，因此时效处理也可与氮化处理同时进行，既提高了时效硬化型塑料模具钢的使用寿命，又不致明显增加生产成本。碳氮共渗是指在 820860 温度下同时将 C-N 渗入渗碳型塑料模具并以渗碳为主的处理方式。碳氮共渗 层具有比渗碳层更高的耐磨性、疲劳强度和耐蚀性，比渗氮层更高的抗压强度和较低的表面脆性。若碳氮共渗后再进行喷丸，可显著提高低碳模具钢的疲劳极限 5 。由于处理温度低，C-N 共渗后的模具淬透性提高，本科毕业设计（论文）因此塑料模具变形较渗碳的小，但在碳氮共渗中应注意避免和消除 HCN 的危害。氮碳共渗是塑料模具表层渗入氮和碳，并以渗氮为主的化学热处理工艺。氮碳共渗具有处理温度低，时间 短，不受 钢种限制及模具畸变小等优点。 处理后的模具能获得优良的耐磨性、耐 蚀性且表面摩擦系数小、疲劳强度高。研究表明，盐浴氮碳共渗能改善碳钢的耐蚀性，其后的氧化、抛光能进一步提高碳钢的耐蚀性 9 。氮碳共渗与其他强化工艺相结合可获得更好的强化效果。研究表明,淬火-氮碳共渗复合处理可获得更高的次表层硬度及更好的渗层硬度分布，从而进一步提高工件的耐磨性及疲劳强度 。（2）渗硼。理想渗硼件表面由 Fe2B 相( 硬度 HV1400 左右)组成其耐磨性能十分优异,尤其是抗磨粒磨损性能优于渗氮、渗碳件，并且具有良好的抗腐蚀能力。研究表明，含硼膏剂复合渗 处理的#45 钢塑料模具可取代昂贵的合金钢。但由于渗硼处理温度高，必须注意控制塑料模具的变形。（3）渗硫。大多数化学热处理都借助模具表面的硬化来达到耐磨的目的，而渗硫是在基体表面形成低摩擦系数的 FeS 薄膜，凭其优良的减摩作用以防止模具的一些摩擦部件如导向孔、 顶杆等的过早磨损。目前工业上应用较多的是低温电解渗硫，由于其处理温度 (150250 )低，模具表面性能不会发生明显变化，适合精度高的塑料模具表面处理，但其存在的渗剂污染、渗层易腐蚀等问题。此外，采用硫氮碳共渗在较硬的渗氮层或氮碳层上形成硫化层，亦可使塑料模具获得良好的减磨性及耐磨性，进一步提高塑料模具的使用寿命。（4）渗 Cr 、V。研究表明，应用于小型热固性塑料模具的渗铬高碳钢，其耐磨性与渗硼后的耐磨性相近，比 GCr15 钢还高几倍。渗入的铬一部分溶入铁素体 形成固溶体，另有相当大一部分与碳形成化合物。它使塑料模具表面具有良好的耐腐蚀性能，并具有很高的硬度，因而耐磨性相当好。资料显示，渗钒层内有VC 生成，渗层硬度在 HM11002800 之间;渗钒件的抗腐 蚀磨损和磨粒磨损性能明显高于渗硼及其他化学热处理件；经渗钒处理的模具可提高数倍寿命。（5）稀土化学热处理。热处理过程中适量稀土元素的加入，可显著改善塑料模具钢的表面组织结构、物理、化学及机械性能。如: 稀土可消除分布在晶界上微量杂质有害作用，强化和稳 定塑料模具型腔的晶界；此外，稀土元素与钢中的有害元素发生作用，生成高熔点化合物，又可以抑制这 些有害元素在晶界上的偏聚，降低渗层的脆性。若稀土元素 Re 与氮形成 Re-N 氮化物 ,使氮化物以高度弥散的状态分布在共渗层中，可增加共渗层的硬度、 强度、耐磨性和耐腐蚀性。我国是稀土大国，稀土资源占世界 90 %以上，将其引入塑料模具的表面强化处理，有望充分发挥资源优势以获得最佳的技术、经济效果，开发出具有我国独立知识产权的新技术。本科毕业设计（论文）4.2.2 电镀和化学镀（1）电镀:包括金属电镀和复合电镀两大类，其优点在于 :处理温度低，塑料模具不易变形。工业上最常见 的有镀铬、 镀镍等。复合电镀是金属与悬浮在电镀液中的固体微粒同时沉积而形成镀层的一种电镀方法。加入镀液中的固体微粒可为无机物和有机物。复合电镀 可赋予塑料模具型腔表面特殊的耐蚀、耐磨、自 润滑和耐热性能。如:金属镀层 具有良好的韧性，其 间嵌入陶瓷或其它硬质微粒，不仅对金属有弥散强化作用，而且本身的硬度高可承受较高的磨损力；若将固体润滑剂颗粒和金属复合沉积于金属表面，则可达到减摩、抗咬合等目的。 资料显示:用电镀法制取的耐磨耐蚀金属陶瓷复合材料涂层经 1h 、400 热处理后，硬度可达 14001700HV，耐磨性是硬铬镀层的 17 倍，耐蚀性除硝酸外均优于1Cr18Ni9Ti 不锈钢，这使普通塑料模具钢取代优质模具钢成为可能。复合电刷镀不仅可强化模具型腔面， 还能修复模具型腔面。由于塑料模具用量大，制造周期长，成本高，因此对模具的修复和延长寿命意义重大。如: 彩电壳体模具局部出现大面及麻坑深达 4mm，用 电刷镀修复填平麻坑、强化表面，其 费用约 3000 元，加工时间小于 7 天，而制作新模要 8 个月，加工 费 用达 24 万元， 经济效益明显 9。（2）化学镀。与电镀相比，化学镀均镀能力和深镀能力好，可在形状复杂的表面上产生均匀厚度的镀层， 镀层致密、空隙小，具有特殊的机械、物理和化学性能，而且设备简单,操作容易。目前,在塑料模具上应 用最多的为化学镀 Ni 、Ni2P。研究表明，化学 镀 Ni 可显著降低制模材料费，缩短制模周期，减少加工费用，增加模具寿命;Ni2P 镀层硬度(约 300500HV) 比电镀层高得多，经 1h 、400 处理后可达 1000HV ，恰当的 热处理条件可使 镀层既有一定硬度又有好的延展性；复合镀 Ni2P 是由金属 间化合物、氟塑料、氟化石墨、人造金 刚石等小颗粒弥散分布在化学镀 Ni2P 点阵中组成复合弥散的金属陶瓷镀层，其具有高的表观硬度和优异的耐磨自润滑性能。资料显示， #45 钢塑料模具表面化学镀Ni2P 或复合镀 Ni2P 可代替 2Cr13 不锈钢制造塑料模； Ni2P2SiC 复合化学镀可使模具寿命提高 45 倍。4.2.3 气相沉积气相沉积可分为物理气相沉积(PVD)、化学气相沉 积 ( CVD)和等离子体增强化学气相沉积(PCVD)等。（1）物理气相沉积。物理气相沉积是利用阴极溅射和离子镀等 PVD 技术，可在塑料模具表面形成 TiC、TiN 等化合物薄层以提高其耐磨性。其特点是 处理温度低，能量利用率高，所得镀层结合力较强，可在模具 钢的高温回火温度以下进行，故模具变形小，最适合于形状、尺寸精密的塑料模。目前，在模具强化方面，阴极溅射法和多弧离子镀方法应用较多，其处理获得的 TiN 层具有较高的硬度本科毕业设计（论文）和耐磨性，较小的摩擦系数，较好的抗粘着性和抗咬合性，可保 证塑料模的使用寿命提高 39 倍 1.2。但其涂层与基体的结合强度较低，沉积层有可能出现早期剥离而失效；另外，PVD 的绕镀性也很差，难以适用于存在多孔、窄槽、尖角的复杂塑料模。（2）化学气相沉积。化学气相沉积是在真空条件下通过高温化学反应在基体表面上制得金属或化合物薄膜的气相沉积法。其特点是：涂层结合力强(由于反应温度高，基材和膜层之间易形成扩散层)；绕镀能力强，易实现设备的大型化和大批量处理。CVD 可在塑料模具表面沉积超硬物质 TiC、TiN 等,使模具型腔获得高硬度、高耐磨及高抗蚀性等一系列优异性能。同 时 ,其处理的模具形状不受限制, 对于深孔性及复杂型腔同样适用。但是其沉积温度较高,一般在 9001