塑料模具熱處理工藝的思考

摘要：塑料在國民經濟的多個領域中得到廣泛的應用，而它的產量按體積計算在世界上已超過了鋼鐵的產量.同時，塑料模具是塑料成型加工中不可缺少的工具，在總的模具產量中所占的比例逐年增加，在當前已處于重要位置.在我國塑料模具的應用在國民經濟中的地位愈來愈重要.它的鋼材耗用量大，品種規格多，形狀復雜，表面粗糙度值要求低，制造難度大.因此，探討塑料模具的制造中的選用材料與熱處理問題，綜合分析其工作條件、失效、性能，合理選用材料與熱處理以及提高它的使用壽命，保證制件質量，降低制造成本顯得非常重要。本文主要介紹塑料模具的制造工藝路線和熱處理工藝的特點。

關鍵詞：塑料模具 熱處理 特點

近些年來，由于塑料制品的不斷發展，對于塑料模具的要求也在不斷的提高，對于其用鋼方面也提出了不少的要求，選用不同的鋼材來制造塑料模具所表現出來的質量和性能也是大不相同的。因此，對于塑料模具鋼的制造工藝，特別是熱處理工藝也是大不相同的。

對熱處理中的鋼材，都希望得到可以控制的變形的方向和程度，但因為化學成分、質量、幾何形狀、設計和熱處理技術都會改變塑料模具變形的方向和程度，從而影響模具的最終尺寸，因此，只能通過優化熱處理工藝盡量減少模具變形程度。

一、塑料模具熱處理方法

（1）殘余應力引起變形鋼材經受了嚴格的磨削，彎曲和切削作業后應力很高，因此必須消除由這些作業而產生的應力，否則在熱處理時會發生變形。

如模具零件必須切除大量的毛坯余量，則應該在粗加工（保留足夠的精加工余量）后，消除其應力，先把模具加熱到250~300度，并在此溫度下保持足夠的時間，再冷卻到室溫，然后可以進行精加工。

（2）在熱處理過程中加熱太快引起變形熱處理加熱的速度應該足夠的慢，以便使模具各部分的溫度基本上一致。

在快加熱過程中，薄截面比厚截面膨脹得快，這會在模具的連接處產生應力，如果這種應力大于鋼材的屈服強度，就會使模具變形。另外，在快加熱的過程中，當薄截面首先達到臨界溫度和開始收縮而厚截面仍然在膨脹中，這樣也會引起變形。

在慢加熱時，合成的應力低于模具的屈服強度，因而不會發生變形。而在快加熱時，合成應力大于屈服強度，所以模具會產生變形，當合成應力超過鋼材的破裂強度時，將會導致模具破裂。

二、塑料模具制造中的熱處理特點

1、滲碳鋼塑料模具的熱處理特點①滲碳鋼塑料模具特點。對于有高硬度、高耐磨性和高韌性要求的塑料模具，要選用滲碳鋼來制造，并把滲碳，淬火和低溫回火作為最終熱處理。滲碳鋼退火后硬度低（100~105HBS），塑性好，既有優異的冷擠壓成形性能。這類鋼在冷擠壓成形后進行滲碳、淬火、低溫回火，具有生產效率高、制造周期短、模具精度高等優點。②滲碳鋼塑料模具對滲碳層的要求。一般滲碳層的厚度為0.8～1.5mm，當壓制含硬質填料的塑料時模具滲碳層厚度要求為1.3～1.5mm，壓制軟性塑料時滲碳層厚度為0.8～1.2mm。滲碳層的含碳量為0.7％～1.0％為佳。若采用碳，氮共滲，則耐磨性、耐腐蝕性．抗氧化、防粘性就更好。③滲碳鋼塑料模具的熱處理工藝。滲碳溫度一般在900～920℃，復雜型腔的小型模具可取840～860℃中溫碳氮共滲。滲碳保溫時間為5～10h，具體應根據對滲層厚度的要求來選擇。滲碳工藝以采用分級滲碳工藝為宜，即高溫階段（900~920℃）以快速將碳滲入零件表層為主；中溫階段（820～840℃）以增加滲碳層厚度為主，這樣在滲碳層內建立均勻合理的碳濃度梯度分布，便于直接淬火。滲碳后的淬火工藝按鋼種不同，滲碳后可分別采用：重新加熱淬火，分級滲碳后直接淬火（如合金滲碳鋼）；中溫碳氮共滲后直接淬火（如用工業純鐵或低碳鋼冷擠壓成形的小型精密模具）；滲碳后空冷淬火（如高合金滲碳鋼制造的大、中型模具）。

2、預硬鋼塑料模的熱處理①預硬鋼塑料模的特點。預硬鋼是指將熱加工的模塊，預先熱處理（通常是調質處理），以獲得所要求性能，再進行刻模加工，待模具成形后，不再進行最終熱處理就可以直接使用。有些預硬鋼可以在模具加工成形后進行滲氮處理，在不降低基體使用硬度的前提下使模具的表面硬度和耐磨性顯著提高。預硬鋼避免了由于熱處理而引起的模縣變形和裂紋問題，最適宜制作形狀復雜的大、中型精密塑料模具。②預硬鋼塑料模的熱處理。首先進行預熱處理，預硬鋼的預先熱處理通常采用等溫退火，目的是消除鍛造應力；改善組織，提高力學性能；調整硬度，改善模坯的切削加工性能或冷擠壓成形性能。其次進行預硬化，預硬鋼的預硬處理工藝簡單，多數采用調質處理，調質后獲得回火索氏體組織。由于合金元素的加入，提高了鋼的臨界點和鋼的淬透性，降低了過熱敏感性，提高了耐回火性。所以該類鋼淬火時可采用油冷、空冷或硝鹽分級淬火。高溫回火的溫度范圍較寬，能夠滿足模具的各種工作硬度要求。

三、淬硬鋼塑料模的熱處理

①形狀比較復雜的模具，在粗加工以后即進行熱處理，然后進行精加工，才能保證熱處理時變形最小，對于精密模具，變形應小于0.05％。②塑料模型腔表面要求十分嚴格，因此在淬火加熱過程中要確保犁腔表面不氧化、不脫碳、不侵蝕、不過熱等。應在保護氣氛爐中或在嚴格脫氧后的鹽浴爐中加熱，若采用普通箱式電阻爐加熱，應在模腔面上涂保護劑，同時要控制加熱速度，冷卻時應選擇比較緩和的冷卻介質，控制冷卻速度，以避免在淬火過程中產生變形、開裂而報廢。一般以熱浴淬火為佳，也可采用預冷淬火的方式。③淬火后應及時回火，回火溫度要高于模具的工作溫度，回火時間應充分，長短視模具材料和斷面尺寸而定，但至少要在40～60min以上。

四、時效硬化鋼塑料模具的熱處理

①時效硬化鋼塑料模具的特點。時效硬化鋼一般含碳量較低，模具坯料先經高溫淬火（固溶處理）后，鋼處于軟化狀態（一般為28~35HRC），在低硬度下切削加工，成形后進行時效處理，可獲得很高的綜合力學性能。時效強化過程引起的尺寸、形狀變化極小，有效地保證了模具最終尺寸和形狀精度。該類鋼往往采用真空冶煉或電渣重熔，鋼的純凈度高，所以鏡面拋光性能和光蝕性能良好。時效硬化鋼還可以通過鍍鉻、滲氮、離子束增強沉積等表面處理方法來提高耐磨性和耐蝕性，適宜制作形狀復雜、精度高、超鏡面、大型塑料模具。②時效硬化鋼塑料模具的熱處理。時效硬化鋼的熱處理工藝分兩步基本工序。首先進行固溶處理，即把鋼加熱到高溫，使各種合金元素溶入奧氏體中。完成奧氏體后淬火獲得馬氏體組織。第二步進行時效處理，利用時效強化達到最后要求的力學性能。固溶處理加熱一般在鹽浴爐．箱式爐中進行，加熱時間分別可取：1min/mm，2-2.5min/mm，淬火采用油冷，淬透性好的鋼種也可空冷。如果鍛造模壞時能準確控制終鍛溫度，鍛造后可直接進行固溶淬火。時效處理最好在真空爐中進行。若在箱式爐中進行，為防模腔表面氧化，爐內須通入保護氣氛，或者用氧化鋁粉，石墨粉、鑄鐵屑，在裝箱保護條件下進行時效。裝箱保護加熱要適當延長保溫時間，否則難以達到時效效果。

隨著塑料工業和模具工業的突飛猛進，對塑料模具提出了越來越高的要求，從而促進了塑料模具鋼的不斷發展。為適應制造各種不同類型、不同要求的塑料模具，我國今后應加速塑料模具鋼生產的制品化、精料化和經銷的商品化，積極開展高性能塑料模具鋼新品種的研制和開發。