我国塑料工业迅速发展,对塑料模具材料(主要是钢材)的需求量越来越大,并对钢的质量和性能要求越来越高。目前用户使用的塑料模具钢有国产的,也有进口的,年消耗量很大。近十几年来,国内许多单位在研制新型塑料模具钢、提高冶金质量、优化热处理工艺、提高模具寿命等方面做了大量的工作,为用户提供了很多质优价廉的塑料模具钢,获得了明显的技术经济效益。 塑料模具钢的开发研制有两种方式: (1)根据钢的合金化成分设计原理并结合我国资源与冶金技术的实情,研制高性能、长寿命、尽量少用贵重合金元素的新钢种。 (2)引进国外一些性能优良的钢种,进行国产化研制,以取代价格昂贵的进口钢材。 本文系统地介绍我国塑料模具材料的研制与应用概况,以便进一步推广应用。 2塑料模具材料概述 2.1塑料模具材料的分类和特点 (1)模具钢 (2)有色合金导热性好,制模容易,成本低。可选用国家标准中有关铸造或锻造的铜基、铝基、锌基合金。 (3)钢结硬质合金以合金钢粉末作粘结相,以金属碳化物(WC,TiC)作硬质相,直接模压及烧结成为模具型腔。它可热处理,具有高硬度、高耐磨性和一定的韧性,但表面抛光有限,用于以玻璃纤维为填料的增强塑料模具,但价格较贵,可按国家标准“GB/T10417—89碳化钨钢结硬质合金”选用,非标准牌号可从文献[1,2]中选用。 (4)镍基合金非常耐蚀耐磨,但是价格昂贵。可按国家标准“GB/T15007—94耐蚀合金牌号”选用。 2.2塑料模具钢的性能要求 (1)材料高度纯洁,组织均匀致密,无网状及带状碳化物,无孔洞疏松及白点等缺陷。 (2)应具有良好的热加工工艺性能,热处理变形少,尺寸稳定性好。 (3)淬透性高,热处理后应具有高的强韧性、高的硬度和耐磨性,等向性能好。 (4)在硬化状态下应具有良好的镜面抛光性(成型面表面粗糙度Ra≤0.100μm)及花纹图案蚀刻性。这2种特性主要取决于钢的硬度、纯净度、晶粒度、夹杂物形态、组织致密性和均匀性等因素。其中高的硬度及细的晶粒,均有利于镜面抛光。 (5)预硬后应具有良好的切削加工性。 (6)应具有良好的耐氟氯腐蚀性和一定的耐热性。 2.3我国塑料模具钢的应用与市场概况 目前大量应用的预硬化钢,是在钢厂预先热处理到一定的硬度供货的钢材。其中易切削钢预硬硬度为35~50HRC,一般切削钢预硬硬度为28~35HRC,然后由用户直接作切削加工成型,不再淬火,因而可有效地避免模具淬火变形开裂,并能缩短制模周期、节约能源和降低生产成本。 据有关信息报道,目前有相当一部分关键的大型、精密、复杂、长寿命的模具(例如56cm以上的彩色电视机壳体塑料模具)要依靠进口[3]。根据不完全统计,仅珠江三角洲近百间塑胶模具厂(包括中外合资厂),每年从国外进口高级塑胶模具钢多达3000~5000t,其价格高达5.8~6万元/t[4]。因此,为适应市场需求,必须大量生产应用面广的优质塑料模具钢,以物美价廉来提高市场竞争力,逐步以国产钢材取代价格昂贵的进口钢材。 2.4易切削预硬化塑料模具钢的类型和特性 为了改善钢的被切削性,可向钢中添加易切削元素,形成易切削相。常用的有: (1)S系易切削钢在含S钢中加适量的Mn(Mn/S≥4),由于形成较多的低强度MnS夹杂,破坏钢的基体连续性,并降低刀具与材料间的摩擦系数,所以其切削性能优良,但使钢的横向力学性能下降[5,6]。 (2)Ca系易切削钢钢在熔炼脱氧时,加入微量的Ca,通过改变氧化物、硫化物夹杂物的性态来改善钢的切削性。该钢较纯净,对力学性能没有不利的影响[6]。 (3)Ca-S复合系易切削钢在含S钢中加适量的Ca,可对MnS形态进行变质处理,使其由长条状变为纺锤状并均匀分布,改善了钢的等向性能并易于切削。研究表明:这些纺锤状的(Mn,Ca)S夹杂基本不影响钢的镜面抛光性,其原因可能是(Mn,Ca)S相在磨削和抛光过程中起“固体润滑剂”作用的结果[7,8]。 (4)Re-S复合系易切削钢钢中加入适量的Re能使钢净化及细化组织,并对硫化物夹杂有变质作用,使MnS转变成球状分布的稀土硫化物、稀土氧硫化物以及纺锤状的(Re,Mn)S夹杂物,使钢易于切削,并改善钢的横向力学性能[6]。 (5)Re-Ca-S复合系易切削钢由于Ca、Re的变性作用,钢中生成球状或纺锤状的(Mn,Ca)S-Re2S3夹杂物并均匀分布,使钢具有优良的切削加工性和镜面抛光性,并显著改善钢的横向力学性能。
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