塑料模具的表面强化技术研究

谢全

【摘 要】本文从表面热处理，化学热处理，化学镀等几个方面，来介绍和阐述国内外在塑料模具表面强化技术方面的应用和发展，并提出了我国在塑料模具表面强化技术方面的发展方向。

【关键词】塑料模具；表面强化技术；应用；发展

一、引言

随着材料技术的不断发展，塑料制品在日常生活中和工业制造中的应用越来越广泛，许许多多的工业产品和日常用品都大量使用到塑料制品，因此，对于塑料模具的性能提出了越来越高的要求，也为塑料模具的技术水平提出了更加严格的要求。目前，我国的塑料模具工业和技术在过去的几十年工业化进程中取得了巨大的进步和发展，但是，与国外发达国家的技术和应用水平相比，仍然存在着巨大的差距，需要进一步提升和改进的空间非常大，在一些高精尖的工业技术领域，国内的塑料模具很难满足其需要。塑料模具的制造和设计，工序复杂，价格昂贵，是一项具有很高技术难度的工业技术。随着工业化的不断推进，以及塑料制品在各个领域的广泛应用，对于塑料模具的使用寿命的要求越来越高。根据调查，我国的塑料模具的使用寿命仅为欧美发达国家平均寿命的五分之一，并且在塑料模具表面强化技术方面的投入更是远远的落后于发达国家。塑料模具的表面强化技术是提高塑料模具使用寿命，提升模具的使用性能的一项重要的技术和途径，是国内外模具工业和技术的主要发展和研究方向。通过表面强化技术，对于塑料模具的表面的硬度，耐磨性，耐蚀性等进行提高，可以有效的提高模具的使用性能和使用寿命。这种表面强化技术在发达国家的模具制造中已经得到了广泛的应用，取得了非常显著的成果。本文从塑料模具的工作条件和失效方式等进行分析，介绍了一些塑料模具表面强化技术的方法，手段和效果以及其优缺点。

二、塑料模具的简介及其分类

1.塑料模具的简介。塑料模具，是塑料加工工业中和塑料成型机配套，赋予塑料制品以完整构型和精确尺寸的工具。由于塑料品种和加工方法繁多，塑料成型机和塑料制品的结构又繁简不一，所以，塑料模具的种类和结构也是多种多样的。一种用于压塑、挤塑、注射、吹塑和低发泡成型的组合式塑料模具，它主要包括由凹模组合基板、凹模组件和凹模组合卡板组成的具有可变型腔的凹模，由凸模组合基板、凸模组件、凸模组合卡板、型腔截断组件和侧截组合板组成的具有可变型芯的凸模。模具凸、凹模及辅助成型系统的协调变化。可加工不同形状、不同尺寸的系列塑件。塑料加工工业中和塑料成型机配套，赋予塑料制品以完整构型和精确尺寸的工具。由于塑料品种和加工方法繁多，塑料成型机和塑料制品的结构又繁简不一，所以，塑料模具的种类和结构也是多种多样的。

2.塑料模具的分类。按照成型方法的不同，可以划分出对应不同工艺要求的塑料加工模塑料模具具类型，主要有注射成型模具、挤出成型模具、吸塑成型模具、高发泡聚苯乙烯成型模具等。

三、塑料模具的性能要求及其失效形式

1.塑料模具的材料性能要求。塑料模具的工作条件与冷冲模不同，一般须在150°C～200°C下进行工作，除了受到一定压力作用外，还要承受温度影响。现根据塑料成型模具使用条件、加工方法的不同将塑料模具用钢的基本性能要求大致归纳如下：（1）足够的表面硬度和耐磨性。塑料模的硬度通常在

50-60HRC以下，经过热处理的模具应有足够的表面硬度，以保证模具有足够的刚度。模具在工作中由于塑料的填充和流动要承受较大的压应力和摩擦力，要求模具保持形状的精度和尺寸精度的稳定性，保证模具有足够的使用寿命。模具的耐磨性取决于钢材的化学成分和热处理硬度，因此提高模具的硬度有利于提高其耐磨性。（2）优良的切削加工性。大多数塑料成型模具，除EMD加工外还需进行一定的切削加工和钳工修配。为延长切削刀具的使用寿命，提高切削性能，减少表面粗糙度，塑料模具用钢的硬度必须适当。（3）良好的抛光性能。高品质的塑料制品，要求型腔表面的粗糙度值小。例如，注塑模型腔表面粗糙度值要求小于Ra0.1～0.25的水平，光学面则要求Ra<0.01nm，型腔须进行抛光，减小表面粗糙度值。为此选用的钢材要求材料杂质少、组织微细均一、无纤维方向性、抛光时不应出现麻点或桔皮状缺陷。（4）良好的热稳定性。塑料注射模的零件形状往往比较复杂，淬火后难以加工，因此应尽量选用具有良好的热稳定性的，当模具成型加工经热处理后因线膨胀系数小，热处理变形小，温度差异引起的尺寸变化率小，金相组织和模具尺寸稳定，可减少或不再进行加工，即可保证模具尺寸精度和表面粗糙度要求。

2.塑料模具的失效形式。（1）型腔表面的磨损和腐蚀。塑料熔体以一定的压力在模腔内流动，凝固的塑件从模具中脱出，都对模具成型表面造成摩擦，引起磨损。造成塑料模具磨损失效的根本原因就是模具与物料间的摩擦。但磨损的具体形式和磨损过程则与许多因素有关，如模具在工作过程中的压力、温度、物料变形速度和润滑状况等。当塑料模具使用的材料与热处理不合理时，塑料模具的型腔表面硬度低，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时，它会加剧型腔面的磨损。加之塑料加工时含有氯、氟等成分受热分解出腐蚀性气体HC1、HF，使塑料模具型腔面产生腐蚀磨损，导致失效。如果在磨损的同时又有磨损损伤，使型腔表面的镀层或其他防护层遭到破坏，则将促进腐蚀过程。两种损伤交叉作用，加速了腐蚀一磨损失效。（2）塑性变形失效。塑料模型腔表面受压、受热可引起塑性变形失效，尤其是当小模具在大吨位设备上工作时，更容易产生超负荷塑性变形。塑料模具所采用的材料强度与韧性不足，变形抗力低；塑性变形失效另一原因，主要是模具型腔表面的硬化层过薄，变形抗力不足或工作温度高于回火温度而发生相变软化，而使模具早期失效。（3）断裂。断裂的主要原因是由于结构、温差而产生的结构应力、热应力或因回火不足，在使用温度下，使残余奥氏体转变成马氏体，引起局部体积膨胀，在模具内部产生的组织应力所致。

四、塑料模具的表面强化技术

1.表面热处理。表面热处理根据其方法不同可以分为表面淬火，化学热处理两种形式。（1）表面淬火技术是指对于塑料的表面进行热处理，从而改变其表面组织和性能的技术方式，包括感应加热淬火，火焰加热表面淬火，接触电阻加热淬火，激光表面加热淬火等几种不同的淬火方式。通过模具表面的急速加热和急速冷却的方式，可以使模具表面在一定的厚度内变的硬化从而使其的韧性增加，这样的话模具就不容易发生变形，模具的表面也不会再使用中变得粗糙。另外，模具表面的分型面很容易出现溢料等现象，通过对于模具型腔口处的模具局部淬火，可以解决因分型面和型腔周围塌陷而产生的溢料现象。（2）塑料模具的化学热处理是指将模具放在一定温度的活性介质中进行保温，从而使几种元素渗入模具的表面，从而使模具表面的化学成分，组织形式和性能发生改变。塑料模具的化学热处理形式一般包括渗碳，渗氮，渗硼，渗硫，渗硌，渗钒以及共渗稀土等几种处理方式。（3）渗碳处理一般应用于电工铁，低碳钢以及碳合金钢经挤压加工型腔的塑料模具的处理中。通过固体，液体，气体，等离子体等渗透方法，可以在塑料模具的表面形成含碳量为0.8%～1.5%的渗碳层，进而辅以淬火，回火等处理可以使炭层的硬度得以强化。但是，由于渗碳处理的温度比较高，模具会产生较大的变形情况，因此不适用于对精度要求比较高的塑料模具。（4）渗氮处理相比于渗碳处理的优点在于，模具渗氮处理一般是在相对较低的温度下进行的。其处理的方式和渗碳处理一样，也包括固体，气体，液体，等离子体等几种处理方式。塑料模具经过渗氮处理，其表面的硬度会得到显著的提高，并且其耐磨性和抗腐蚀性也能得到显著的提升，并且会获得一定的热硬性。由于渗氮处理的处理温度相对比较低，因此可以用于对精度要求比较高的塑料模具。（5）碳氮共渗是在温度为820～860度的温度下将碳和氮同时渗入塑料模具的处理方式，渗入元素主要以碳为主。碳氮共渗集合了渗碳和渗氮的共同优点，比渗氮处理具有更高的抗压强度和更低的表面脆性，比渗碳处理具有更高的抗磨性，抗疲劳性和抗腐蚀性。（6）氮碳共渗是指在塑料模具的表层同时渗入氮和碳，渗入元素以氮为主的化学热处理方式。氮碳共渗处理后的塑料模具具有优良的耐腐蚀性，耐磨性，以及抗疲劳性等特点。（7）渗硼技术是指在塑料模具的表面渗入硼或者以硼为主的复合基德化学热处理形式。渗硼处理后的塑料模具的耐磨性能非常优异，明显由于渗碳和渗氮处理的模具，并且具有良好的抗腐蚀性能。一些性能良好的渗硼技术处理过的塑料模具甚至可以取代昂贵的合金钢材料。但是，由于渗硼处理的温度一般比较高，需要注意塑料模具变形的情况发生。（8）渗硫技术处理的原理是通过在塑料模具表面形成低摩擦系数的硫化物层，从而凭借其优良的减摩作用来避免一些关键摩擦部位的过早磨损。常用的渗硫工艺具有液体，气体，等离子体等方法。（9）共渗稀土技术实在热处理过程中加入适量的稀土元素，从而使塑料模具表面的组织结构，物理化学机能等获得显著的改善。经过共渗稀土技术处理过的塑料模具的强度，抗腐蚀性，抗磨性等都为得到明显的提升。

2.电镀和化学镀处理。电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程，是利用电解作用使金属或其它材料制件的表面附着一层金属膜的工艺从而起到防止腐蚀，提高耐磨性、导电性、反光性及增进美观等作用。电镀的目的是在基材上镀上金属镀层，改变基材表面性质或尺寸。电镀能增强金属的抗腐蚀性（镀层金属多采用耐腐蚀的金属）、增加硬度、防止磨耗、提高导电性、润滑性、耐热性和表面美观。电镀一般分为金属电镀和复合电镀两种处理方式，其具有处理温度低，塑料模具不易发生变形等优点。工业上常用的有镀铬等形式。化学镀也称无电解镀，是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的镀覆方法。化学镀技术是在金属的催化作用下，通过可控制的氧化还原反应产生金属的沉积过程。与电镀相比，化学镀技术具有镀层均匀、针孔小、不需直流电源设备、能在非导体上沉积和具有某些特殊性能等特点。化学镀是一种新型的金属表面处理技术，该技术以其工艺简便、节能、环保日益受到人们的关注。化学镀使用范围很广，镀金层均匀、装饰性好。在防护性能方面，能提高产品的耐蚀性和使用寿命；在功能性方面，能提高加工件的耐磨导电性、润滑性能等特殊功能。

3.气相沉积。气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程，在工件表面形成功能性或装饰性的金属、非金属或化合物涂层。气相沉积技术按照成膜机理，可分为化学气相沉积、物理气相沉积和等离子体气相沉积。经过气相沉积技术处理过的塑料模具具有很高的抗磨性，抗氧化性和耐腐蚀性，模具的使用寿命会得到显著提高。

随着塑料材料在工业生产中的广泛应用，对于塑料模具的性能提出了越来越高的要求。塑料模具的表面强化技术可以显著的改善塑料模具的性能，提高其使用寿命，需要得到重点的关注和研究。

参 考 文 献

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