1、普通高等教育“十二五”规划教材,杨永顺 主编,塑料成型工艺与模具设计,1,第13章 注射模材料选用,13.1 注射模的工作条件和失效形式,13.2 注射模具材料,13.3 注射模具材料的选用,注射模各零件材料的选择，是注射模设计过程中的一项重要工作，它直接影响模具的使用寿命、加工成本以及制件的成型质量。,第13章注射模材料选用,1）大批量生产塑料制件时，应选用较好的模具材料和必要的热处理或其他强化措施，以保证模具具有较长的使用寿命；而在生产批量较小的情况下，只要满足制件成型质量即可，不必考虑模具寿命，故应尽量选用价格低廉的模具材料。 2）要求模具材料具有良好的使用性能以满足工作条件。 3）具有
2、良好的加工性能，以保证模具零件的加工质量并降低加工成本。,简介,应充分了解各种模具材料的使用性能、加工特点以及经济性能，根据模具的工作条件合理地选择其各零件所需用的材料。,13.1 注射模的工作条件和实现形式,（1）温度条件普通热塑性注射模的工作温度通常在150以下；热固性注射模的工作温度通常为150220。（2）压力条件普通热塑性注射模型腔承受的成型压力约2545MPa，热塑性工程塑料精密注射时，型腔压力可高达100MPa以上；热固性注射模型腔压力约3070MPa,（3）型腔和流道摩擦条件在注射过程中会遭受塑料熔体的流动冲刷和摩擦，在脱模过程中，要承受固化后的制件与流道凝料的刮磨，从而导致型
3、腔和流道表面的磨损，尤其是在成型带有玻璃纤维等硬质材料的塑料时，磨损更加严重。,（4）腐蚀作用高温时塑料分解后会挥发出腐蚀性气体，如成型聚氯乙烯、阻燃型或难燃型塑料（如难燃型ABS等）和氟塑料，高温下分解出的HCl、SO2和HF等气体均对型腔和流道表面具有腐蚀作用。,基本失效形式：表面磨损、热疲劳、变形、断裂等。由于塑件的表面粗糙度及精度要求较高， 所以型腔表面磨损是造成模具失效的主要形式。,（1）表面磨损失效 概念：注射模在使用过程中，因型腔表面磨损严重而不能继续使用的现象。 表现形式：型腔表面粗糙度增大；制件尺寸因型腔磨损量过大而超差等 影响因素：带有玻璃纤维等硬质填料的塑料会加剧模具磨损
4、；易挥发腐蚀性气体的塑料时会加剧模具磨损。 抑制磨损过快的措施：需要选择耐磨性良好的模具材料制作成型零件；对型腔进行表面处理。,（2）热疲劳失效 概念：模具的工作温度呈周期性变化时，很容易使模具材料发生热疲劳，导致型腔表面出现龟裂，从而无法保证制件质量，这种现象称为热疲劳失效。 产生原因：多发于成型压力较大、成型温度较高、模具温度明显呈周期性变化的场合。 预防措施：选择热疲劳性能较好的模具材料制作成型零件。,（3）塑性变形失效 概念：模具型腔在成型压力和成型温度作用下，因局部发生塑性变形而导致模具不能继续使用的现象称为塑性变形失效。 表现形式：型腔表面出起皱、局部堆塌或凹陷等。常见于渗碳钢和碳
5、素工具钢工作零件。,产生原因：模具材料强度不足；表面硬化层太薄；工作温度高于回火温度而导致回火软化。避免措施：可选用较好的模具材料或适当的热处理强化方法。生产中，无论采用何种模具钢，为保证型腔表面具有足够的强度和硬度，一般都要对其进行淬火处理或进行渗碳处理（针对碳素结构钢），渗碳层厚度通常大于0.8mm。,（4）断裂失效 概念：注射模凹模在使用过程中，因局部应力集中而发生裂纹或断裂的现象称为断裂失效。 产生部位：复杂模具型腔中的尖角处或薄壁处。,避免措施： 1）在设计塑料制件时应重视其工艺性。 2）当制件形状比较复杂时，尤其是大中型制件，应尽量选用高韧性的模具材料制造成型零件，即应尽量使用渗碳
6、钢、热作模具钢等，而少用或不用热处理性能较差的高碳合金工具钢。 3）合理设计模具结构，必要时还应在容易发生断裂失效的部位采用镶拼结构，避免整个模具因断裂失效而过早报废。,13.2 注射模具材料,由于塑料的品种、性能各异，塑料制件的尺寸、形状复杂程度、精度、表面粗糙度和生产批量等各方面的不同要求，对制造模具的材料提出了不同的使用要求。,1.成型工艺对模具材料的要求成型零件要在一定温度和压力条件下工作,并与塑料直接接触。它要求材料具有：（1）良好的力学性能 成型零件的强度、刚度、韧性、表面硬度和耐磨性等力学性能好，则型腔的形状和尺寸精度在各种应力和塑料的摩擦作用下都可以得到保证，从而可避免或延缓各
7、种失效形式发生。细小的型芯或成型镶块，因经常受到塑料熔体的流动冲击和弯矩作用，应特别注意它们的强度和韧性。,（2）良好的耐腐蚀性 成型聚氯乙烯、聚甲醛、氟塑料等塑料制件时，塑料熔体经常会分解出一些腐蚀性气体，这些气体除危害型腔表面之外，还会加剧型腔表面磨损。,（3）良好的耐热性和耐热疲劳性 在塑料制件的成型过程中，一般都要经过高温流动充模和固化后冷却脱模两个阶段。因此，型腔在其工作过程中除需要长期受热外，工作温度还会呈现周期性变化，成型零件应有良好的耐热性和耐热疲劳性。,（4）较小的热膨胀系数 如果模具材料的热膨胀系数比较大，加热后模具尺寸和形状变化大，影响塑件尺寸。如果所用材料的热膨胀系数较
8、大，则工作过程中往往会使其运动间隙减小或消失，出现所谓“零件热咬合”现象，最终导致活动零件的运动发生故障。,导向零件在开合模过程中要承受摩擦磨损，在充模过程中还会承受侧压力。因此，选材时应注意材料的耐磨性、强度及韧性。浇注系统零件对模具材料的使用性能要求与成型零件相近。,推出脱模机构与侧向抽芯机构零件在工作过程中具有运动性质，并承受推出力或脱模力，因此要求使用的材料必须具有良好的力学性能，如强度、刚度、韧性，表面硬度和耐磨性等。一些零件（如侧向型芯、推杆及脱模板）的局部部位会与塑料直接接触，受热后会膨胀或发生热咬合现象，所以，选材时还应考虑热膨胀系数和耐热性能等问题。支承零件是模具中的承力零件
9、，模具整体结构的强度和刚度均需由它们保证。因此，设计这类零件时，要求选用的材料必须具有足够的力学强度和刚度。,2.模具材料的加工性能要求 （1）良好的切削加工性能 切削加工是塑料模具零件的主要加工方法之一，良好的切削加工性能是保证模具加工质量的基础。因此模具零件尤其是成型零件，通常要求所用的材料在切削加工时的硬度不超过2832HRC，既要保证加工出的模具零件具有较低的表面粗糙度，同时也应使切削刀具具有较长的使用寿命。,（2）较好的塑性加工性能 对于尺寸不太大成型零件，当采用塑性加工方法成形时，应选用塑性加工性能较好的模具材料。目前，塑料模零件较常用的塑性加工方法是冷挤压，要求挤压前模具材料的硬
10、度低于135HBS，延伸率大于35。,（3）良好的电加工性能 采用电加工成型零件时，应选用电加工性能良好的材料，既可以避免增加抛光或回火工序，又能保证型腔加工精度不受非正常硬化层的影响。,（4）良好的热处理性能 模具零件对热处理性能的要求包括淬透性、淬硬性和热处理变形等，这些性能对于模具零件（尤其是成型零件）的力学性能、塑料制件的成型质量均有重要影响。,（5）良好的表面处理性能 对型腔表面进行镀铬、渗碳、渗氮、碳氮共渗等表面处理，可以提高型腔表面的强度和耐磨性，从而提高其使用寿命。选用的成型零件材料在化学方面应与表面处理所使用的介质具有良好的亲和性，以使它们具有良好的表面处理性能。,（6）良好
11、的表面雕刻、抛光性能 表面雕刻性能通常指雕刻加工方便容易，雕刻之后不发生变形和裂纹的能力。当型腔表面需要雕刻各种花纹、图案、文字标记时，就要求成型零件的选材应满足表面雕刻性能要求。对型腔表面进行抛光是为了降低塑料制件的表面粗糙度或保证制件的表面光泽。对于某些表面质量要求较高或具有光学性能要求的塑料制件，常常要求对其使用的型腔表面在淬硬情况下进行镜面抛光，表面粗糙度Ra0.080.16m。,（7）焊接修补方便 注射模在调试过程中有时需要对模具进行局部焊接修补后再进行修整，长期使用后也需要对模具磨损部位进行焊补。因此，对成型零件选材时，应考虑所选材料是否容易进行焊接修补。,综上所述，注射模对模具材
12、料的性能要求是多方面的，通常很难使某种材料同时满足这些要求，因此，在选用模具材料时，需要综合考虑制件生产批量、成型质量要求，模具材料的价格与市场供应情况，以及现有的模具加工条件等因素，尽量使模具材料既能满足模具的使用要求，同时又不使模具加工难度过大或制造成本过高。,注射模具材料通常是钢材，可以使用的品种很多,它们的使用性能、加工性能和市场供应价格各不相同。,1.碳素塑料模具钢碳素塑料模具钢：指含碳量在0.4%1.3%的碳钢。 （1）中碳碳素塑料模具钢：含碳量为0.4%0.6%，钢号：国产的SM45、SM50、SM55钢,日本的S45CS55C系列,特点：1）调质处理后具有较高的综合力学性能。2
13、）价格低廉，切削加工性能良好，3）强度较低,热处理变形大,抛光性能不太好。,用途：1）制作对尺寸精度、表面粗糙度和耐磨性要求不高、制件生产批量不大的模具成型零件2）制作导柱、导套以及模具支承零件。,（2）高碳碳素塑料模具钢： 含碳量为0.7%1.3%。钢号：T8、T8A、T10、T10A、T12、T12A等。 特点：1）强度、硬度和耐磨性都比中碳碳素塑料模具钢好，供应价格中等，2）韧性较差、淬透性不好、热处理变形大。用途：1）在塑料制件尺寸不大、形状简单、生产批量比较大的场合下用作模具的成型零件，2）可在大型、复杂模具中用作局部成型镶块以及导柱、导套、拉料杆、推杆和复位杆等模具零件。,2.渗碳
14、型塑料模具钢含碳量在0.1%0.25%范围内， 退火硬度低，具有良好的切削加工性能和塑性，可以采用冷挤压法来制造塑料模零件。经渗碳、淬火和低温回火不仅具有较高的强度，而且心部韧性好，模具表面的硬度高、耐磨性好，亦可保证良好的抛光性能，从而提高模具的使用寿命。缺点是模具的热处理工艺较复杂，变形量大。钢号：如美国的P2和P4等，国内如10、20、20Cr、20CrMnTi、12CrNi3和12Cr2Ni4等。,3.淬硬型塑料模具用钢钢号：冷作模具钢（如9Mn2V、CrWMn、GCr15、7CrSiMnMoV、Cr5Mo1V、Cr6WV、Cr4W2MoV、Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1
15、钢）、热作模具钢（如3Cr2W8V、5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV、5CrW2Si）高速钢（如W6Mo5Cr4V2钢）等。这类钢经淬火和回火后具有高硬度、高耐磨性。,低合金冷作模具钢切削加工比较容易，淬透性、耐磨性、抛光性都比较好，热处理变形也比较小，价格比较便宜，在大批量生产热塑性塑料制件的场合用于制造形状较复杂、精度较高的成型零件。高合金冷作模具钢的强度、硬度很高，耐磨性、耐氧化性、耐腐蚀性和抛光性能比较好，热处理变形也很小，但切削加工性比较差，价格也较贵。,热作模具钢具有韧性好、淬透性高、高温力学性能好、耐热性好而且抗冲击等优点，经渗氮处理可极大
16、提高表面的耐磨性。特别适于制作各种塑料模的成型零件，但价格昂贵。,4.预硬型塑料模具钢 概念：材料在供应时已预先进行了热处理，达到模具使用态硬度。 特点：硬度在3842HRC的状态下可以直接进行车削、钻孔、铣削、雕刻、精磨等机加工，精加工后可直接交付使用，可避免热处理变形的影响，从而保证了模具的制造精度。 常用钢种：3Cr2Mo、40Cr、42CrMo、3CrMnSiNi2A、Y20CrNi3AlMnMo(SM2)、Y55CrNiMnMoV(SM1)，4Cr5MoSiVS、8Cr2MnWMoVS(8CrMn)。,预硬处理：淬火后进行高温（450）回火，因模具坯料尺寸较大，为保证坯料力学性能的均
17、匀性，其淬透性就显得特别重要。近年来，将一些热作模具钢（如5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV1、4Cr5MoSiV）预硬处理成预硬钢，机械加工成型后再进行表面氮化处理，模具制造精度高，使用寿命长。,5.时效硬化型塑料模具钢概念：模具钢经固溶处理后形成单一的过饱和固溶体组织，其硬度为2835HRC，很容易进行机械加工，然后再通过时效处理，固溶体中析出细小弥散的金属化合物导致钢的强化和硬化，使模具获得使用状态的强度和硬度。钢号：马氏体时效钢（如18Ni140级、18Ni170级、18Ni210级、18Ni9Co）无钴低镍时效硬化钢（如06Ni6CrMoVTiAl、10Ni3MnCu
18、AlMo、25CrNi3MoAl）。,特点：1）由于时效过程引起的尺寸、形状变化极小，可有效保证模具的最终尺寸精度。2）这类钢往往采用真空冶炼或电渣重熔，钢的纯净度高，所以镜面抛光性能和光蚀性能良好。3）可以通过镀铬、渗氮、离子束增强沉积等表面处理方法提高耐磨性和耐蚀性。 用途：制造使用寿命要求很长的高精度、高表面质量的中、小型形状复杂塑件的注射模具。,6.耐蚀型塑料模具钢概念：既具有防腐蚀性能，又具有一定的硬度、强度和耐磨性的模具钢。钢号：中碳高铬型耐蚀钢如2Cr13、3Cr13、4Cr13、3Cr17Mo、4Cr17Mo等高碳高铬型耐蚀钢如9Cr18、Cr14Mo、Cr14Mo4V、Cr1
19、8MoV等 低碳铬镍型耐蚀钢如0Cr16Ni4Cu3Nb、0Cr17Ni4Cu4Nb、1Cr17Ni2、 1Cr18Ni9等,其中0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属我国研制的新型析出硬化不锈钢，硬度为3235HRC时可进行切削加工，再经460480时效处理后，可获得较好的综合力学性能。用途：制作与塑料熔体有接触的成型零件或其他模具零件，如主流道衬套、流道板、推杆和拉料杆等。但价格比一般钢材贵得多，而且加工性能也比较差。,7.易切削型塑料模具钢概念：在钢中加入S、Se、Ca等易切削元素，研制成易切削型塑料模具钢，钢号：日本在DKA（相当SKD61）钢中加入Se0.10%0.15%而研制成功
20、DKA-F钢，特点：既保持了钢经调质后的高硬度（3943 HRC），又具备了良好的切削加工性能，适用于有尺寸精度要求的大型塑料模具。我国也研制成功一些含硫易切削预硬塑料模具钢，如8Cr2MnWMoVS(简称8Cr2S)、S-Ca复合易切削塑料模具钢5CrNiMnMoVSCa（简称5NiSCa）。,1. 0Cr4NiMoV（LJ）LJ是一种新型渗碳型塑料模具用钢。含碳量很低，塑性优异、变形抗力低。主要合金元素为铬，辅加元素为镍、钼、钒等，合金元素的主要作用是提高淬透性和渗碳能力，增加渗碳层的硬度和耐磨性以及心部的强韧性。,LJ钢冷成形性与工业纯铁相近，用冷挤压法成形的模具型腔轮廓清晰、光洁、精度
21、高。LJ钢主要用来替代10、20钢及工业纯铁等冷挤压成形精密塑料模。由于渗碳淬硬层较深，基体硬度高，不会出现型腔表面塌陷和内壁咬伤现象，使用效果良好。,2. P20钢 P20钢是美国牌号，是一种典型预硬化塑料模具钢。,表13-3 P20钢室温力学性能,用途：适宜制造电视机、大型收录机的外壳及洗衣机面板盖等大型塑料模具， 特点：a.切削加工性能及抛光性能均显著优于45钢。b.在抛光条件相同时，表面粗糙度比45钢低13级。c.使用该钢制造的电视机外壳塑料模具成型24万模次后，模具仍完好无损。,3. 3Cr2MnNiMo钢 3Cr2MnNiMo钢也是一种预硬化塑料模具钢。该钢组织细密，镜面抛光性能好
22、，表面粗糙度可达Ra0.050.025m。,特点：a.具有良好的加工性能。b.该钢也可采用火焰局部加热淬火，局部表面硬度可达5662 HRC，可延长模具使用寿命。c.对其进行表面镀铬后，表面硬度可由370420HV提高到1000HV，显著提高模具的耐磨性和耐蚀性。d. 采用渗氮、渗硼等化学热处理，可获得更高表面硬度。e.模具局部损坏后可用补焊法修补，焊接质量良好。,表13-5 3Cr2NiMo钢的力学性能,用途：适于制造大型、复杂、精密塑料模具。,室温及高温力学性能,3. 3Cr2MnNiMo钢,4. 25CrNi3MoAl钢 由我国研制的一种新型低镍无钴时效硬化型塑料模具钢。特点： （1）钢
23、中含镍量低，价格远低于马氏体时效钢，也低于超低碳中合金时效钢。（2）调质硬度为230250HBS，常规切削加工和电加工性能良好。时效硬度为3842HRC，时效处理及渗氮处理温度范围相当，且渗氮性能好，渗氮后表层硬度达1000HV以上，而心部硬度保持在3842HRC。,（3）镜面研磨性好，表面粗糙度可达Ra 0.20.025m，表面光刻浸蚀性好，光刻花纹清晰均匀。 （4）焊接修补性好，焊缝处可加工，时效后焊缝硬度和基体硬度相近。,5. 06Ni6CrMoVTiAl（06Ni）钢 属低碳马氏体时效硬化型塑料模具钢，优点：热处理变形小，抛光性能好，固溶硬度低，切削加工性能好，具有良好的综合力学性能以
24、及渗氮、焊接性能。因为合金含量低，其价格比18Ni高合金型马氏体时效钢低得多。,固溶处理工艺：800880，保温12h，油冷。时效工艺：500540，保温时间48h，硬度为4245HRC。 应用：用以制作磁带盒、照像机、电传打字机等零件的塑料模具，均有很好的效果。,表13-10 06Ni6CrMoVTiAl钢室温和高温力学性能,6. 0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)钢属我国研制的新型耐蚀塑料模具钢，是一种析出硬化不锈钢，硬度为3235HRC时可进行切削加工，再经460480时效处理后，可获得较好的综合力学性能。,特点：具有良好的耐蚀性。用途：适于制作含有氟、氯的塑料成型模具，如用于氟塑料或
25、聚氯乙烯塑料成形模、氟塑料微波板、塑料门窗、各种车辆把套、氟氯塑料挤出螺杆、料筒以及添加阻燃剂的塑料成形模。用PCR钢制造的聚三氟氯乙烯阀门盖模具，使用寿命达11.2万件，而原来采用45钢或镀铬处理的模具，使用寿命只有10004000件。,表13-12 PCR钢固溶时效处理后的力学性能, C形缺口冲击试样，R=12.7mm。,13.3注射模具材料的选用,成型零件的质量决定着所成型塑料制件的外观及内在质量，应根据所成型塑料的种类、制件的形状、尺寸精度、外观质量及使用要求、生产批量等，兼顾材料的切削、抛光、焊接、蚀纹、变形、耐磨等各项性能，同时考虑模具的制造条件和加工方法以及经济性，选用合适的钢材
26、。,1）对于透明塑件的成型模具其凹模和型芯均需选用高镜面抛光性能的高档进口钢材，如P4410、NAK80、S136、H13钢等，其中P4410、NAK80为预硬状态，不需再进行热处理；S136及H13钢均为退火状态，硬度一般为160200HB，粗加工后需进行真空淬火及回火处理，处理后硬度分别为4050HRC和4555HRC。,2）对于制件外观质量要求高的长寿命生产模具凹模需选用高镜面抛光性能的高档进口钢材，如P4410、NAK80等，均为预硬状态，不需再进行热处理；型芯可选用P20或P4410等预硬钢。当生产批量不大时，也可选用国产塑料模具钢或S50C、S55C等进口优质碳素钢。,3）对于小排
27、量生产结构较简单塑件的小型模具可选用国产塑料模具钢或优质碳素钢。4）对于成型含氟、氯等有腐蚀性的塑料和各类添加阻燃剂塑料的模具若制件要求较高，可选用进口的耐蚀钢，要求一般时可选用国产的耐蚀钢。,5）对于承受强摩擦和冲击性的模具需选用具有高耐磨、高抗热拉强度及高韧性等优点的钢材，如进口或国产H13类。,6）如果模具的耐磨性要求较高可选用低档进口钢材或国产淬硬型钢材，并进行表面氮化处理，氮化层深度为0.150.2mm，硬度为700900HV。7）对于要求具有较好冷却效果的模具零件应选用铍青铜或铝合金。,模架材料参照模架标准，模板一般选用SM45，要求160200HB，硬度均匀，且内应力小，不易变形
28、；导柱、导套、推板导柱、推板导套及复位杆材料可采用GCr15，硬度为5662HRC，也可采用T8A、T10A，硬度为5256HRC。模具中的浇口套、楔紧块、耐磨块、滑块压板等对硬度、强度、耐磨性要求较高的零件，应选用碳素钢，如T8A、T10A等。使用时需进行淬火处理，以提高其硬度和耐磨性。,模具中的一般结构零件，如推出机构零件、定位圈、立柱、推出限位块、限位拉杆、锁模块等，对硬度和耐磨性无特别要求，可选用国产SM45钢，正火状态，硬度160200HB，不需进行热处理。塑料注射模具成型零件常用国产材料及性能如表13-13，也可以根据模具零件类型、塑件品种及产量按附录I进行选择。模具结构零件常用材料及其热处理见表13-14。,1注射模的主要失效形式及避免措施有哪些?2注射模对材料的使用性能、加工性能要求有哪些?3简述常用模具钢的种类及其选用原则。4简述12种注射模具新材料。,习题,
