4.塑料模具的热处理
1 塑料模具的工作条件和分类
按照塑料制品不同，塑料模具分为热固性和热塑性两类模具。
热固性塑料模具是指在加热和一定条件下，能直接固化成不溶或不熔性塑料制品的模具。成型材料主要是酚醛树脂、三聚氰胺树脂等。其工作条件是在受热200~250℃温度下压制各种胶木粉，一般含有大量固体填充剂，多以粉末直接加入压模热压成型。工作受力较大、易磨损、易浸蚀，还会受到脱模的周期性冲击和碰撞。
热塑性模具是指在加热温度内可反复软化和冷凝成型制品的模具。成型材料主要是聚乙烯、尼龙等。其工作条件是受热、受压、受磨损但不严重，部分成型材料含有氯及氟等腐蚀性气体析出，会腐蚀模具。成型材料一般不含固体填充填充料，以软化形态注入模具型腔，含有玻璃纤维填料时，会加剧模腔的磨损。
2 塑料模具的主要失效形式
2.1 表面损伤失效
大多数塑料制品表面光亮，所以塑料模具型腔表面质量很高。型腔表面粗糙度恶化，尺寸超差及表面侵蚀，模具就会因此失效。成型材料中的添加剂、材料中是Cl、F元素的腐蚀作用都会加剧表面损伤。
2.2 塑性变形失效
模具在持续加热、受力作用下，局部发生塑性变形，提高模具表面硬度可以改善使用性能。
2.3 断裂失效
有些塑料模具形状复杂，存在应力集中区域，易发生断裂。
3 塑料模具材料的选用
塑料模具形状复杂，加工难度大价格比较昂贵。为提高模具使用寿命，防止早期损坏，合理地先择材料十分重要。
3.1 塑料模具钢的性能要求
与冷、热作模具不同，塑料模具力学性能要求不高，表面质量要求高。具体为：
3.1.1 较高的硬度、较好的耐磨性
型腔表面一般硬度要求为HRC30~60，淬硬性＞HRC55，并要有足够的硬化深度，心部有足够强韧性，以免发生脆断、塑性变形。
3.1.2 一定的抗热性和耐蚀性
3.1.3 优良的根源性能
由于塑料模具一般结构复杂，型腔表面要求有较高甚至很高的光洁度，同时也需要有较好的尺寸精度及稳定性。所以塑胶模具钢热处理 变形要小，淬透性要高；可加工性要好，要具有优良的可抛光性、耐磨性；靠冷挤压成型的塑料模具，材料需具有较好的冷挤压成型特性，淬火后又有较高的变形抗力；另外还需要有良好的锻造、焊接等工艺性能。表38为常用塑料模具钢使用性能和工艺性能比较表。
▼表38 常用塑料模具钢使用性能和工艺性能比较
3.2 塑料模具材料的选择
塑料模具材料的选择可参照表39 。
▼表39 塑料模具材料选用表
4 塑料模具的热处理工艺
4.1 退火
表40 为塑料模具钢的退火工艺。
▼表40 塑料模具钢的退火工艺
4.2 淬火
塑料模具淬火时，要采取防氧化、脱碳、侵蚀和畸变措施。淬火工艺如表41所示。要求有高韧性的塑料模具可采用低碳钢或低碳合金钢进行渗碳或碳氮共渗处理。
▼表41 塑料模具钢的淬火工艺
4.3 回火
塑料模具钢回火温度与硬度的关系见表42 。
▼表42 塑料模具钢的回火温度与硬度的关系
4.4 渗碳型塑料模具钢的热处理工艺
渗碳型塑料模具一般深层深度为0.8~1.5，深层含碳量为0.7%~1.0%，渗层内不允许有粗大未溶碳化物、网状碳化物、晶界内氧化等缺陷。渗碳温度为900℃~920℃，时间5~10h；或2段渗碳，第一阶段900~920℃ ，时间5~8h，第二段温度820~8540℃ 时间2~3h。12CrNi3A渗碳后可直接空冷淬火而达到满意效果。其工艺为910℃渗碳后炉冷至800~850℃出炉风冷淬火，200~250℃回火2~4h，硬度HRC53~56，变形轻微。
4.5 预硬型塑料模具钢的热处理工艺
参见表43 。
▼表43 预硬型塑料模具钢的热处理工艺规范
4.6 时效性塑料模具钢的热处理工艺
马氏体时效钢18Ni（250）、18Ni（300）、18Ni（350）的热处理可参照表44实施。
▼表44 时效硬化模具钢的热处理工艺规范
4.7 塑料模具的热处理工艺实例
图11~图14 列出了几种塑料模具的见图和工艺曲线。
▲图11 20Cr钢制胶木模具简图和热处理工艺
▲图12 CWMn钢制胶木模具简图和热处理工艺
▲图13 T10A钢制塑料模具简图和热处理工艺
▲图14 5CrMnMo钢制塑料模凹模简图和热处理工艺
五、提高模具性能和寿命的途径
采用高强韧模具材料和强韧化处理工艺，是提高模具使用性能和寿命的十分重要的措施。由于模具尺寸、形状的复杂程度和钢制条件及失效类型的差异非常悬殊，因此，在选材、确定热处理工艺、选用硬度时，要充分注意模具的具体使用条件。
1 高强韧模具材料的应用及效果
高强韧模具材料的应用及使用寿命见表45 。
▼表45 高强韧模具材料的应用及效果实例
2 模具强韧化处理工艺
模具的强韧化处理及应用实例见表46 。
▼表46 模具强韧化处理应用实例
对于高精密、要求尺寸和性能稳定的模具，常常采用真空热处理。
工艺见表47。
▼表47 常用模具钢真空热处理工艺参数
真空热处理的模具往往比常规热处理的使用寿命有显著提高。图15为几种冷作模具应用实例结果比较。
▲图15 冷作模具钢真空热处理对模具寿命的影响
a）Cr12MoV搓丝板 b）W6Mo5Cr4V2十字螺钉成型冲头
3 模具表面强化技术应用实例
模具表面强化处理是提高收益性能和寿命的重要措施。目前模具表面回去措施分为三类：
3.1 不改变表面化学成分的方法
主要有表面感应淬火、火焰表面淬火、电子束相变强化、激光相变硬化和加工硬化等。
3.2 改变表面活性成分的方法
有渗碳、渗氮、渗硼、渗硫、渗金属、复合渗TD法和离子注入等。
3.3 表面形成涂覆层的方法
有镀金属、堆焊、高能束（激光、电子束、等离子束等）合金化层、化学气相沉积（VCD）和物理气相沉积（PVD）等
各种表面强化方法的主要特性比较见表48 。
▼表48 模具不同表面强化方法的主要特性比较
3.3.1 模具表面强化方法的选择原则
1）提高模具表面的耐磨性
模具钢的耐磨性与钢中碳化物的类型与数量有关，即便是高碳高铬类模具钢其耐磨性仍不能满足要求。采用表面强化的方法来提高模具表面耐磨性是行之有效的。有关资料表明，气体氮碳共渗可使高速钢表明的耐磨性提高2~5倍。渗硼、渗钒以及碳化钛层的耐磨性更高。
2）耐磨性与强韧性的良好配合
对大多数模具材料来说，提高强韧性往往要损失耐磨性。解决办法是选择合适的的模具材料，进行合适的热处理使其获得最佳强韧性基体，然后通过表面强化方法通过表面耐磨性。例如缝纫机梭子的冷挤压凸模，采用高速钢W18Cr4V制造，模具经常碎裂，使用寿命极不稳定；改用基体钢6Cr4W3Mo2Nb后，韧性大大改善，但耐磨性不足，寿命仅1.6万件；用该材料淬火后加气体氮碳共渗处理，其寿命达到2.68万件，基体钢的强韧性和表面的耐磨性达到了良好的配合。
3）提高抗咬合能力
在拉深、挤压等类模具中经常发生冷焊现象，解决这类问题的方法通过表面处理降低模具表面的摩擦系数。有的表面处理方法是使其表面疏松、有微孔、塑性好，这不仅利于降低表面摩擦系数，还可以改变润滑状况，提高抗拉毛、烧伤和抗咬合能力。表面渗硫、渗氧就具有这类特性。
4）改变表面应力状态
模具经过淬火回火后，表面处于拉应力状态，这会促使裂纹早期形成。很多表面处理方法可以改变这种应力状态，边拉应力为压应力。由于表面形成了残留压应力，从而延迟了疲劳裂纹的产生和扩展，有利于提高模具的冲击疲劳失效抗力，延长毛巾使用寿命。这是只采用新模具材料和改变热处理工艺方法所不能起到的作用。例如，电子束相变强化表面和真空渗氮处理后均可使模具表面形成600~800MPa的残留压应力。
5）提高抗氧化性和抗腐蚀性
有些热作模具和塑料模具都有被氧化和被腐蚀的问题，仅靠模具本身的性能往往不能满足要求。常需要强化表面的抗氧化和抗腐蚀方法来弥补。例如塑料模具您们镀铬就具有很好的抗腐蚀性。
3.3.2 表面强化技术在模具上的应用
1）渗氮
渗氮是模具表面改性常用方法。部分模具渗氮的工艺和效果参见表49 。
▼表49 部分模具的渗氮工艺和效果
2）渗硫
低温电解渗流法：以工件为阳极，坩埚或辅助工具为阴极，在硫氰酸盐中，通过电场的作用，熔盐发生电解电离产生二价硫负离子，并被电场推向阳极，与二价铁正离子结合成硫化层。
熔盐成分（wt）75%KCNS+25%NaCNS+1%~3%K4Fe（CN）6 。
处理温度为180~200℃，时间10~25min，工作电压0.8~4V，工作电流2~7A。
工艺流程：脱脂→酸洗→水洗→干燥→装夹→预热→电解渗硫→清洗→烘干→浸油→检验。
3）渗硼
渗硼是模具制造中比较有效的化学热处理工艺。渗硼层硬度高（1500~2200HV）、耐磨性、耐热性显著提高。
常用渗硼工艺规范如表50 所示。
▼表50 常用渗硼工艺规范
4）TD法
TD法是利用硼砂作为盐浴，向金属表面扩散V、Nb、Ti、Cr等金属元素。由于硼砂熔点为740℃，其分解温度高达1573℃，在渗金属温度（850~1000℃）范围内极为稳定，而且熔融态的硼砂又能使金属表面洁净，有利于金属元素的吸附。
TD法的盐浴配方见表51 。
▼表51 TD法的盐浴配比
5）LT工艺
武汉材料保护研究所研制的再生盐J-1用于LT处理工艺，可实现金属表面的氮、硫、碳、氧共渗。可提高模具表面的抗咬合性、耐磨性、抗疲劳性和耐腐蚀性等。在模具应用上取得良好效果。
LT工艺处理温度为500~580℃，工艺时间1~1.5h，深层可达8~12μm。设备仅需一个中温外热式盐浴炉。
工艺流程为：脱脂→预热→LT处理（500~580℃，10~180min）→冷却→沸水去盐→沸水烫干→热浸油。
6）离子注入
是将高能束的离子轰入基体材料表面，形成极薄的近表面合金化层，从而改变金属表面的物理、化学、和力学性能。部分模具离子注入后的使用寿命见表52 。
▼表52 部分模具离子注入后的使用寿命
7）模具表面强化应用举例
表53 列举了一些模具表面强化工艺及应用效果。
▼表53 模具的表面强化工艺及应用效果举例
六、模具热处理的缺陷分析及预防措施
1 模具热处理的畸变方式及控制
1.1 模具热处理的畸变方式
模具壁厚的均匀性、形状的对称性、结构刚性等对畸变有显著影响。图16为热处理畸变的基本特征。图17为凹模壁厚对型腔淬火畸变的影响。几种常用冷作模具的淬火畸变见表54 。
▲图16 热处理畸变基本特征
▲图17凹模壁厚对型腔淬火畸变的影响
a）不同壁厚比T10A、CrWMn钢试样
b）T10A不同壁厚凹模
▼表54 几种常用冷作模具钢的淬火畸变
1.2模具热处理畸变样子因素
模具热处理过程产生的长处和形状经畸变主要由热应力和组织应力引起，这类应力受多种因素的影响。如含碳量、尺寸形状、钢的基本特性及热处理工艺等。表55、表56分别为模具钢的基本特性及工艺因素对热处理畸变的影响。
▼表55 模具钢基本特性对热处理畸变倾向的影响
▼表56 工艺因素对来自模具型腔畸变倾向的影响
1.3控制和减少热处理畸变的措施
常用正确的热处理工艺和相应的预防畸变的措施，可使模具的热处理控制在最小限度内。已经畸变的模具也可以采用热矫正方法予以矫正。
生产中可采用如下的一些防热处理畸变的措施：
1.3.1正确选用模具材料
碳素工具钢淬透性低，淬火畸变大；合金工具钢淬透性高，畸变小。此外，模具钢纤维流向对畸变有显著一些，平行于纤维流线方向的畸变要大于垂直方向的畸变。
1.3.2合理的模具设计
模具设计时，对壁厚不均匀的模具增开工艺孔，对复杂的模具。，要采用镶拼块结构；对有薄壁、尖角的模具，要改用圆角过度和增大圆角半径。具体可参见图18。
▲图18 模具增加工艺孔减少畸变示意图
1.3.3去应力退火
模具加工后淬火前采用去应力退火可以减少淬火畸变。图19示出了模具钢冷加工后的去应力退火对较少淬火畸变的作用。
▲图19 模具钢冷加工后的去应力退火对减少淬火畸变的作用
a）去应力退火及淬火介质对Cr12试样畸变的影响
b）去应力退火对残留畸变的影响
c）去应力退火工艺曲线
1.3.4做好淬火前原始组织的预处理
模具钢采用六面锻造、反复镦拔、预先正火、快速球化退火等工艺，可消除网状碳化物、带链、，并获得细小、均匀分布的碳化物，在淬火时可获得最小畸变。
1.3.5采用合理的热处理工艺
1）采用预热和预冷工艺以减少热应力。
2）采用下限淬火温度。
3）采用马氏体分级淬火或贝氏体等温淬火。
4）在Ms点以下进行缓冷并及时回火。
1.3.6采用机械加固以减少热处理畸变
采用机械加固以减少畸变的方法见图20 。
▲图20 模具机械加固以减少热处理畸变措施示意图
a）加工时预留工艺拉紧 b）成对加工后淬火
c）加工艺拉杆 d）长凹槽预留工艺拉筋
1.3.7采用合理的进入淬火槽的方向与冷方式
模具进入淬火介质的方向及冷却介质相对于模具的流动方向合理是减少模具热处理畸变的有效措施。
1.3.8采用平衡辅具减少热处理畸变
图21为热平衡辅具的应用。
▲图21 减少热处理畸变而采用的热平衡辅具
a）安置在型腔中 b）安置在背面
c）安置在孔外面 d）安置在内孔中
1.3.9低温调质预缩处理
低温调质预缩处理是在高于A1点的温度预淬火并进行高温回火（550~650℃）。其体积可小于退火状态，以此抵消淬火时马氏体转变的膨胀效应。其效果可以削弱高速钢的异常畸变倾向，可使Cr12MoV钢纵向、横向畸变涨缩率差异降低50%，减小翘曲。
2 模具热处理常见缺陷及预防措施
模具热处理中常见的缺陷、产生原因及防止措施如表57所示。
▼表57 模具热处理中常见缺陷、产生原因及预防措施
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