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注射模失效分析与表面处理


 注射模失效分析与表面处理

陶永亮

【摘要】延长注射模使用寿命一直是业界关注的话题,本文通过分析了注射模的失效机理和影响因素,阐述了模具表面强化处理技术方式,选择适当表面处理方式,对延长模具使用寿命有借鉴作用。

【关键词】注射模;失效分析;使用寿命;表面处理

1 引言

    注射成型作为一种重要的成型加工方法,在机械、化工、汽车、邮电通讯、仪器仪表、文体卫生、军事国防、航空航天、家用电器等领域得到广泛的应用。其生产的塑件具有精度高、复杂度高、一致性高、生产效率高和消耗低等特点,有很大的市场需求和广阔的发展前景[1]。随着塑料工业的飞速发展和工程塑料在强度和精度等方面的不断提高,塑料制品的应用范围也在不断扩大和迅猛增加。一个设计合理的塑件往往能代替多个传统金属件。注射模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,是塑料加工中必不可少的工具。要不断提高注射模的使用性能仅仅靠模具材料的应用仍然很难满足,必须将各种表面处理技术应用到注射模的表面处理当中,才能达到对注射模高效率、高精度和高寿命的要求。

2 注射模的失效形式

    模具失效是指模具丧失了正常工作能力,其生产出塑件已经成为废品[2]。注射模的主要工作零件是成型零件。如型腔、型芯、镶块,成型杆和成型环等,它们构成注射模的型腔,以成型塑件的各种表面。它们直接与塑料接触,经受压力、速度、温度、摩擦力和腐蚀作用。注射模在工作时受热200300,注射模模腔承受的压力一般为40140MPa,闭模压力为80300MPa或者更高,其具体参数与塑料种类有关,型腔表面承受的摩擦和腐蚀的剧烈程度更是取决于塑料的种类及其填充物的性质,不同塑料之间差别很大,因此失效形式也是有所不同[3]。注射模的主要失效形式是磨损、腐蚀、塑性变形、断裂、疲劳和热疲劳以及材料缺陷等。注射模分为热固性和热塑性注射模,本文以热塑性注射模讨论为主。

2.1 磨损和腐蚀

    塑料熔体以一定压力在模腔内流动,凝固的塑件从模具中脱出,都对模具成形表面造成摩擦,引起磨损。当塑料中含有较硬的固体填料如硅砂、钛白粉、玻璃纤维等,则磨损更为剧烈。在热固性注射模中,注射原料多以粉末状进入型腔,且多含有木粉等填料,它们在加热加压、熔融流动的过程中,对模腔的磨损也很严重。磨损的结果是使模腔表面的粗糙度值增大。而当表面被拉毛、产生划痕,造成塑件表面质量不合格时,模具暂时失效,须经重新抛光才能继续使用。反复地磨损、抛光导致模具尺寸超差而最终失效。

    模具在加工某些含有氯原子或氟原子的塑料时,由于塑料受热产生少量的分解,所放出的HCIHF等气体将会腐蚀模腔表面,从而导致失效。如果在腐蚀的同时又有磨损损伤,使型腔表面层遭到破坏,则将促进腐蚀过程。两种损伤交叉作用,加速了注射模失效。

2.2 塑性变形

    模具在持续受热、受压力作用下,发生局部塑性变形失效。以渗碳钢或碳素工具钢制造的热固性注射模,特别是小型模具在大吨位压力机上超载使用时,容易产生表面凹陷、麻点、棱角堆塌等,特别是在棱角处更容易产生塑性变形。产生这种失效,主要是由于模具型腔表面的硬化层过薄,变形抗力不足;或是模具在热处理时回火不足,在使用过程中,工作温度高于回火温度,继续发生组织转变而发生“相变超塑性”流动,使模具早期失效。为防止塑性变形,需将模具处理到足够的硬度及硬化层深度,如对碳素工具钢,硬度应达到52~56HRC,渗碳钢的渗碳层硬度应大于0.8ram

2.3 断裂

    断裂失效是一种危害性较大的快速失效形式。塑料制品成形模具形状复杂,存在许多棱角、薄壁等部位,在这些位置会产生应力集中而发生断裂。为此,在设计制造中除热处理时要注意充分回火外,主要应选用韧性较好的模具钢制造注射模,对于大、中型复杂型腔热固性注射模,应采用高韧性钢(渗碳钢或热作模具钢)制造。

2.4 疲劳和热疲劳

    注射模的机械负荷是循环变化的。注射模在充模和保压阶段,型腔承受高压塑料熔体的很大张力,而在冷却和脱模阶段,外加载荷则完全解除。一次接一次的重复工作,使型腔表面承受脉动拉应力作用,从而可能引起疲劳破坏。

    注射模的热负荷也是循环变化的。进入注射模型腔的熔料温度一般为2000左右或更高,模具有冷却水的作用,塑件而冷却硬化后的温度为50100。型腔表面反复受热和冷却,可导致应力集中处萌生热疲劳裂纹。再加上型腔表面上的脉动拉应力,有可能使热疲劳裂纹向纵深扩展,成为断裂或疲劳断裂的裂源。在一般情况下,压缩模受力较大,易产生疲劳开裂;注射模的温度变化较急剧,易产生热疲劳裂纹。

2.5 材料缺陷

    透明塑料注射模的型腔、型芯表面粗糙度值设计要求达到Rα0.0251μm以下,属于镜面注射模。在使用中抛光的次数很多,抛光过程中出现的表面疤状凸起缺陷或者发现一点点影子,好像是气孔一样,造成在透明塑件上折光可以看出微小的点子,直接影响塑件外观质量[4]。由于该模具钢材内部多种非金属夹杂物的存在以及局部成分不均等因素,导致模具在抛光过程中基体的连续性遭到破坏,从而引起塑件表面出现肉眼可见的疤状凸起缺陷,导致模具报废是材料缺陷失效引起的。

3 对注射模失效因素分析

    1)当注射模使用的材料与热处理不合理,注射模的型腔表面硬度低,而耐磨性差,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型腔,会加剧型腔面的磨损,注射模产生了磨损失效。加之,塑料加工时含有氯、氟等成分受热分解出腐蚀性气体HCIHF,使模具型腔面产生腐蚀磨损,形成侵蚀失效。

    2)局部塑性变形失效。注射模所采用的材料强度与韧性不足,变形抗力低;当填充的物料进入模腔内,有超载、持续受热,周期受压,而应力分布不均匀,以及型腔面硬化层过薄,从而使注射模产生局部的塑性变形而引起的表面皱纹、凹陷、麻点、棱角堆塌,超过要求限度而造成失效以及回火不充分等因素使注射模寿命缩短,过早失效。

    3)断裂失效。注射模形状复杂,多棱角薄边,应力严重集中在韧性不足之处。零件采用合金工具钢回火不充分,而发生断裂失效[5]。这与模具设计有一定关系。

4 注射模对材料的要求

    注射模的工作条件一般须在200~300下工作,除了受到一定压力作用外,还要承受温度影响。根据塑料成型模具使用条件、加工方法的不同将注射模用钢的基本性能要求大致归纳如下:

    1)足够的表面硬度和良好的耐磨性。型腔硬度要求在3252HRC,淬火硬度大于50HRC,并且有足够的硬化深度,心部有足够的强韧性,以免脆断、塑性变形。注射模的硬度通常在55HRC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)优良的切削加工性和热处理变形小。对精密模具来说,要求变形小于0.05%,并且有足够的淬透性。切削加工性能好,大多数注射成型模具,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,减少表面粗糙度值,注射模用钢的硬度必须适当。

    3)良好的抛光性能。材料具有优良的抛光性、耐磨性能,镜面抛光可达Rα0.025μm以下。高品质的塑料制品,要求型腔表面的粗糙度值小。模具型腔表面粗糙度值要求小于Rα0.1~0.025μm的水平,光学面则要求Rα<0.01μm,型腔须进行抛光,减小表面粗糙度值。要求材料杂质少,特别是硫和磷的含量、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。材料的杂质的含量(含磷和硫),这些杂质往往是导致在模具表面产生一点点影子的主要原因。现在好的材料含磷和硫控制在<0.03%,有个别进口模具材料含磷和硫控制在<0.003%,一公斤材料的价格在100元以上,成本较高。因此,材料的选择也是很重要的。

    4)良好的热稳定性。具有一定的抗热性。在150~250长期工作,尺寸稳定性好。注射时有腐蚀介质析出,要求一定的耐腐蚀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值要求。

5 注射模表面处理

    目前,许多模具制造厂家对要求高注射模,模具成型零部件采用H134Cr5MoSiVl)或7183Cr3NiMnMo)钢等材料。H13一般用于热作模具材料,由于它具有较高的热强度和硬度,热疲劳性和耐磨性,广泛被用于注射模上;精炼718是镜面注射模钢,具有高淬透性,良好的抛光性、电加工和皮纹加工性能等,广泛用于镜面注射模上[6]。也有选择进口注射模材料的。一般选择热处理后加工,其硬度在4050HRC,不超过55HRC,这不仅对模具加工提出了更高的要求和难度,也是对模具硬度、热疲劳性能、耐腐蚀、耐磨性及抛光性等有了较好地改善。通过一般热处理工艺改善钢的强度和韧性,同时考虑对模具进行表面处理,是延长模具寿命的最有效、最经济的方法。采用不同的表面强化处理工艺,以适宜的心部性能相配合,可赋予模具表面以高硬度、耐磨耐蚀、抗咬合和低摩擦系数等许多优良性能,使模具寿命提高几倍甚至几十倍。结合注射模表面强化主要有:①不改变表面化学成分,有激光相变硬化等;②改变表面化学成分,渗氮等;③表面形成覆盖层,气相沉积技术处理等。

5.1 不改变表面化学成分强化

    激光强化处理:激光作为热源对材料表面进行强化,有相变硬化、表面溶化、表面涂覆等。其特征是供给材料表面功率密度至少103Wcm2。利用高功率、高密度激光束对金属进行表面处理的方法称为激光面热处理。其分为激光相变硬化、激光表面合金化等表面改性,产生其他表面加热淬火强化达不到的表面成分、组织及性能的改变[7]

    激光熔覆技术:模具表面覆盖一层薄的具有一定性能的熔覆材料,以改善表面性能。H13钢常规处理后硬度44HRC,经激光淬火,表面硬度可达55HRC以上,淬硬层深度0.65mm左右。由于得到以超细化高密度位错性马氏体为主的组织,以及激光加热后自回火过程中析出弥散碳化物,使得淬层硬度、抗回火稳定性、耐磨性及抗蚀性均显著提高。激光熔覆技术以其加工精度高、热变形小、后加工量小等特点具有很大的潜在应用价值。

    电火花表面强化:电火花表面强化是利用电极与工件间在气体中产生的火花放电作用,把作为电极的导电材料熔渗进工件表层,形成合金化表面强化层,常用的电极材料有TiCWCZrC和硬质合金等,因电极材料的沉积发生有规律的、较小的长大,改善工件的表面物理及化学性能[8]。如硬质合金做电极强化工件,表面硬度可达1,1001,400HV,强化层与基体结合牢固。

5.2 改变表面化学成分强化

    1)渗碳。

    渗碳是把钢置于渗碳介质中,加热到单相奥氏体区,保温一定时间,使碳原子渗入钢表面的表面化学热处理工艺。渗碳在Ac3以上(850905)进行。其目的使模具的表面在热处理后碳浓度提高,从而使表层的硬度、耐磨性、接触疲劳强度较心部有较大的提高,而心部保持一定强度和较高的韧性。有固体渗碳和液体渗碳。

    2)渗氮。

    渗氮在一定温度下使活性氮原子渗入零件表面的化学热处理。其目的是提高零件表面硬度、耐磨性、疲劳极限、热硬性及抗咬合性等。一般经淬火、回火(45~47HRC)后,必须进行渗氮,氮化层深度为0.150.2mm。有气体渗氮,离子渗氮。

    3NC共渗(软氮化)。

    软氮化实质是在较低温下进行的以渗氮为主的碳氮共渗。经软氮化处理后,可显著提高表面的疲劳强度及耐磨性、抗咬合、抗擦伤和腐蚀等性能[9]

5.3 表面形成覆盖层强化

    气相沉积技术:气相沉积技术是利用气相中发生的物理、化学过程,改变工件表面成分,在表面形成具有特殊性能(超硬耐磨或特殊的光学、电学性能)的金属或化合物涂层的新技术。

    化学气相沉积(CVD)的沉积物由引入高温沉积区的气体离解所产生。CVD处理的模具形状不受限制,可在含碳量大于0.8%的工具钢、渗碳钢、高速钢、铸铁以及硬质合金等表面上进行。在模具上涂覆TiCTiN覆层的工艺,其覆层硬度高达3,000HV,使模具耐磨性和抗摩擦性能提高。CVD处理后还需要进行淬火回火。采用TiCTiN的复合涂层,使模具寿命成倍提高。

    物理气相沉积(PVD)镀钛加工采用纳米涂层的新技术,在模具表面沉积多层多元素金属薄膜(膜层厚度为1~7μm),这层膜具有耐磨损、抗腐蚀、高硬度的功能。

    采用不同的模具表面处理方法,应根据注射模加工的塑料性能和产品的要求有关,特别是透明件注射模型腔(芯)处理选择要慎重,即考虑加工需要又要考虑后序的抛光的需要。因此选择较好的处理方法,对延缓注射模的失效有重要意义,提高模具寿命和效益。

6 结束语

    注射模的工作条件相对较为复杂的,影响注射模失效的主要是磨损失效、局部塑性变形失效和断裂失效。随着人们对塑件的加工要求越来越高,表面粗糙度越来越低,外观要求越来越好,促进了注射制造技术的提高,同时延长注射模使用寿命将是关键问题,值得去摸索和实践。模具工业是国民经济的基础产业,模具工业的发展水平是衡量国家工业水平及产品开发能力的标志,采用延长注射模使用寿命的最佳措施是热处理和表面处理有目的相结合,这将对降低生产成本提高经济效益具有重要的现实意义。

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