塑料模具的磨損機制與失效機理的分析

雷文斌

(甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

在以往的模具生產中，塑料模具使用很短的時間就會出現尺寸精度的不準確和表面粗糙度的下降，這樣很容易造成塑料制品質量達不到規定的要求。塑料模具平時使用過程中，很多時候都是在很短的時間內就會出現尺寸精度和表面粗糙度遭到破壞，造成生產的塑料制品質量達不到要求的現象，從而給生產帶來很大的經濟損失。作者對塑料模具的使用企業進行了一段時間的深入調查和資料統計，分析出塑料模具表面粗糙度下降以及尺寸精度不準確的主要原因[1]：塑料模具往往在使用過程中會受到高溫沖蝕和氧化，塑料模具在高溫作用下以及表面在腐蝕性的固定顆粒沖刷，很容易遭到高溫氧化的破壞，從而造成塑料模具的失效，并且這種失效是永久性和不可恢復性的，嚴重影響了塑料制品的質量。

1 塑料模具高溫沖蝕

1.1 試驗設備

作者在對使用塑料模具企業進行實驗研究，主要的檢測設備包括測試硬度的專用儀器，測試表面粗糙度的專用儀器，等離子的噴涂儀器，加工塑料模具表面的加工設備和處理金屬材料的加工設備。

1.2 塑料模具試樣(材料)的選取

作者選取了2Cr13、9Cr18Mo塑料模具鋼作為研究對象，把這些材料與塑料模具作為對比進行試驗。

1.3 試驗方案

（1）進行沖蝕和氧化實驗，把不同種類的塑料模具進行實驗對比。

（2）采用等離子噴涂試驗，對塑料模具的表面進行等離子噴涂試驗。

（3）進行熱處理試驗，對塑料模具表面采用熱處理加工。

（4）選取在不同工藝下的塑料模具進行使用對比試驗。

2 氧化機理

根據實驗研究得出，塑料模具的尺寸精度主要影響原因是高溫沖蝕，而塑料模具表面粗糙度的主要影響原因有兩點，一是高溫的沖蝕，二是氧化反應。

2.1 氧化的物理模型

（1）表面氧化模型：從理論上來講，當粒子在能量低時塑料模具表面的氧化物薄膜是不容易被破壞的，氧化動力學是決定塑料模具表面材料氧化變化的主要因素。這時，塑料模具表面的氧化層起到了一定的保護作用，沒有出現沖蝕的現象。但是塑料模具表面的金屬保護膜不斷流失，氧化保護作用越來越小。如果這個時候，塑料模具表面的氧化物沒有發生任何斷裂，那么就會在很大程度上減少塑料模具表面的沖擊力。因此，塑料模具表面的沖蝕率會有一定程度的下降[2]。

（2）塑脆流失模型：對于一些塑脆流失模型來講，其表面大多存在一種復合層，這種復合層的氧化物溫度是復合層中氧化物的體積分量。因此，塑料模具表面復合層的沖蝕現象也是塑性的，同時也是脆性的，這與塑料模具表面的氧化物含量有著密切的關系，如果氧化物含量很多，那么就是塑性的，如果只有很少的氧化物，那么就是脆性的。氧化皮在整個塑料模具的沖蝕過程中出現，也是脆性的，但是這種氧化皮與塑料模具表面的粘附不牢固。因此，脆性皮層是在達到臨界厚度后再進行沖蝕流失的，這與表面氧化模型是不一樣的[3]。

2.2 氧化的機制圖

通過試驗對塑料模具進行一定時間的高溫沖蝕后，得出結構：很多塑料模具的表面由于高溫沖蝕而造成破壞，其中有四種破壞的機制，分別是沖蝕為主、腐蝕促進沖蝕、腐蝕抑制沖蝕和腐蝕為主，塑料模具表面金屬高溫沖蝕中失重與環境溫度的關系如圖1。

圖1 塑料模具表面高溫沖蝕中材料失重與環境溫度的關系

根據機制圖還可以發現，在曲線上第二個以腐蝕為主的高溫區域內，塑料模型隨著環境穩定的上升，表面材料退化率增加了。

3 氧化的主要因素

3.1 溫度的影響

在塑料模具表面材料中，對氧化影響很大的因素主要是溫度。通過試驗研究表明，環境的溫度越高，塑料模型表面材料的沖蝕和氧化程度也就越強烈。在穩定達到一定程度后，沖蝕的破壞程度進一步加深。如果塑料模具表面材料的耐沖蝕度非常高，那么氧化程度也就越高，并且溫度越高，氧化程度也就越劇烈，粒子流失率也隨著增加[4]。

3.2 固體粒子沖擊速度的影響

塑料模具表面在氧化過程中，氧氣與一些其他的物質會在塑料模具的表面上產生一定程度的反應，這些反應會形成一種氧化膜，這種氧化膜如果形成了，就會阻止氧化破壞塑料模具表面，并且溫度對于氧化的影響也在慢慢減小。因此，在塑料模具表面的反應速度和參加反應物成為了氧化的主要原因。

從塑料模具表面金屬氧化動力學曲線可以得知五種規律，第一是直線，第二是立方，第三是拋物線，第四是對數，第五是反對數。

3.3 塑料模具材料的影響

塑料模具的材料是十分重要的，選用材料的性能主要包括材料本身的耐腐蝕性和抗氧化性。據有關部門研究得出，塑料模具的材料流失與溫度關系非常大。隨著模具材料的抗氧化能力不斷增強，模具表面流失率也隨著減小。對于某種鉻鋼來講，通常情況下會在含氧氣的地方氧化成一種新的物質（Cr2O3），但是塑料模具在一定的沖蝕條件下也會形成Cr2O3。并且隨著鉻含量的增高，就越容易形成Cr2O3保護層，Cr2O3保護層可以很好地保護塑料模具[5]。

4 提高塑料模具表面抗高溫沖蝕

對于提高塑料模具表面抗高溫沖蝕性，由于每種塑料模具材料都有自己的使用環境，不同的使用環境溫度也各不一樣。因此，塑料模具表面產生的沖蝕和氧化情況也完全不相同。

根據試驗的結果得出：如果塑料模具材料中的鉻含量越高，則其表面的抗氧化能力也就越強，抗沖蝕能力也越強。如果在塑料模具表面材料中添加金屬Cr，那么就會實現對Cr的優先氧化，在氧化后會形成一層薄薄的氧化膜，這種氧化膜會減少沖蝕和氧化。并且隨著鉻含量的不斷增加，塑料模具表面的材料流失方向也隨高溫的方向移動，因此能提高表面抗氧化和耐腐蝕的能力。

此外，如果對塑料模具表面進行合理的熱處理也能提高抗氧化和耐腐蝕的能力。最后，采用塑料模具進行生產時，必須要進行合理的生產工藝，只有這樣才能控制溫度和塑料粒子的流動速度，這樣能減少對塑料模具表面的沖擊力，增強氧化能力，減少沖蝕和氧化現象對塑料模具表面的破壞。

［1］劉穎輝，張偉. 基于斯沃軟件的注塑模具數控仿真加工實驗開發[J]. 科技致富向導，2013(18)：28+55.

［2］龔肖新，芮延年. 塑料模具磨損機制的可行性研究[J]. 機械設計與制造，2010(08)：242～244.

［3］葛付存. 塑料模具的失效機理的原因分析[J]. 信息與電腦(理論版 )，2010(01)：42～43.