关于塑料模具的磨损机制及其失效机理

郭善友

摘要：本文通过对塑料磨具的磨损机制及其失效机理的研究，总结塑料磨具尺寸精度和表面粗糙度下降的缘由，并提出相应的改进措施，以更好的消除塑料磨具磨损现象，提升塑料磨具的使用周期和商品质量。

关键词：塑料磨具；磨损机制；失效机理

前言

成型模、挤塑模、吹塑模等塑料模具在日常生活中，经常会在使用一段时间后出现表面粗糙和尺寸精度问题，严影响了塑料产品的生产质量。有些甚至会早早失去应用效果，导致很大的经济损失。为了解决此类问题，笔者针对塑料磨具的使用做了大量的研究，得出高温冲蚀一氧化碳是其中最主要的原因，摩擦使得表面材料产生破坏，影响了塑料制品的正常使用效果。

1.塑料模具的高温冲蚀现象

1.1实验设备

主要有布氏硬度测试仪，扫描仪，电子探针仪等检测设备，离子喷涂等热喷涂设备，数控电火花机等表面加工设备，金属材料的热处理设备等，本研究主要选用塑料模具钢材制作的模具进行对比实验。

1.2实验方案

（1）不同塑料磨具材料的氧化对比实验；

（2）不同含珞量的塑料磨具材料对比实验；

（3）塑料模具表面等离子喷涂的陶瓷覆层实验；

（4）塑料模具对于表面热处理的实验；

（5）塑料模具在不同的工艺参数下所使用的对比实验。

1.3氧化机理

经过实验和研究可以发现，塑料模具表面精度和尺寸发生变化的主要原因就是高温冲蚀一氧化碳，本文从塑料模具表面高温冲蚀一氧化碳的机制图和物理模型进行讨论。

1.3.1氧化的物理模型

（1）表面氧化模型

通过实践操作表明：当粒子能量还不能够对塑料模具表面的氧化层造成威胁时，氧化动力学是塑料模具表面的材料质量变化的决定性因素，这个时候的氧化层对模具表面起到一定的保护作用。但是，随着能量的不断提升，塑料模具表面就会逐渐出现断裂或者碎屑现象，但因为皮层厚度的存在使得氧化层的保护作用仍在，所以，模具质量随时间出现了不平滑现象。当粒子能量突破模具表面的承受值，粒子运动速度加快，模具表面氧化物减少，逐渐发生变形和以塑料模具表面为主的冲蚀状态。塑料模具表面的金属开始流失，其速度约束于表面的抗冲蚀能力，氧化层所发挥的作用也随之减小。倘若塑料磨具未曾发生断裂现象，则冲蚀作用则会相对减少很多。

（2）塑脆流失模型

塑料模具表现的复合层氧化物涉及到冲击速度，塑料粒子流通，温度等多重因素，所以，塑料模具表面包含了脆性和塑性两种模式，与氧化物的含量息息相关。倘若在冲蚀过程中的氧化皮是脆性且与塑料磨具表面相连性较小，则根据不同的流失情况则会产生不用类型的冲蚀效果，其中包括了连续式和剥落式冲蚀两种。

1.4氧化机制图

通过对塑料模具表面高温冲蚀作用的实践分析，得出塑料模具表面破坏可以分为四种类型的机制：冲蚀类型、腐蚀促进冲蚀类型、腐蚀为主、腐蚀压制冲蚀类型。塑料模具表面金属高温冲蚀中的冲蚀与环境温度关系如下图所示：

通过以上图示可以得出：曲线上的第二阶段主要特性是以腐蚀性为主，随着环境温度的上升，塑料模具出现了先退化后增加的现象。另外，塑料模具表面氧化在T2--T3区域出现抗腐蚀现象，该区划为腐蚀抑制冲蚀区域。随着环境温度的上升，氧化作用越加明显，冲蚀作用逐渐褪去，塑料表面物质流失速度加快。

2.改善塑料模具表面抗高温冲蚀的措施

高温冲蚀一氧化碳的现象时塑料模具常见问题的主要“魔头”，这一现象存在也有很强的不可抗拒性。如何降低外在破坏，提高产品质量是业内人士关注的重点，笔者通过深入研究，得出如下建议以供参考：

2.1合理选择塑料模具的制造材料

不同的塑料模具会产生不用的使用效果，在不同的环境下产生一氧化的情况也不尽相同，例如5CRMNMO、4CR5MOSIV、3CR2W8V这三种模具类型的一氧化能力逐层增加，分别作为低中高三种耐热性热作塑料模型，而2CR13类型的钢材加工性能较强，热处理后抗腐蚀效果良好，适合在高负荷和透明塑料制品的模具中广泛使用。而9CR18MO则属于高碳性的不锈钢性能，强度高，耐磨性好，适应在承受腐蚀环境下的高耐腐模具。

2.2改变塑料模具材料的合金成分

通过实践得出珞含量的提高有利于塑料模具表面冲蚀能力的增强，在塑料模具中掺入相应的CR合金元素，可以最快速度的实现氧化功效，从而形成质量较好的氧化膜。珞含量的不断增加可导致模具表面材料流失方向偏向于高温方向，塑料模具本身的抗腐蚀和氧化性能提升。稀土元素和合金元素在提高塑料磨具中也有重要作用，可以在很大程度上减少氧化膜存在的缺陷，降低离子扩散的速度，最终达到对塑料模具的应用效果。

3.结语

综上所述，对塑料模具的磨损机制及其失效机理的探讨具有重要意义，除了上述列出的两项重点措施外，加强对塑料磨具材料进行表面处理，采取合理的生产工艺和工艺参数也同样发挥着重要作用，多项措施共同应用以提升产品的最终应用效果。

参考文献：

[1]郭幼丹.机械设计与制造[J].塑料模具的磨损机制与失效机理的研究，2011，（01）：12-14

[2]鲍蕊，张建宇，郑晓玲，费斌军.DFR腐蚀影响系数及其试验测定[J].北京航空航天大学学报，2012，（06）：78-79