新型塑壓模具材料應用研究

摘要：本文總結前期Cr12MoV、SKD61和ASSAB 8407等模具材料和PVD等表面處理技術的試驗情況，重點研究新型不電鍍塑壓模具材料的應用，旨在提高模具制造質量，縮短模具生產周期。

Abstract： This paper summarizes the test situation of surface treatment technology such as die materials and PVD such as pre-stage Cr12MoV、SKD61 and ASSAB 8407， and focuses on the application of new non-plating plastic pressing die materials， in order to improve the quality of die manufacturing and shorten the production cycle of die.

關鍵詞：新型塑壓模具;Cr12MoV;表面處理

Key words： new plastic press mould;Cr12MoV;surface treatment

中圖分類號：TG76 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）09-0030-02

0 ?引言

長時間以來，我廠塑壓模具型腔主要選用Cr12MoV為材料，并進行鍍硬鉻表面處理，容易出現粘模等質量問題，極大影響塑壓制品的生產效率;同時，該工藝制造周期長。本文重點研究新型不電鍍塑壓模具材料的應用。

1 ?塑料模具材料及表面處理技術在我廠塑壓模具生產中的應用

長期以來，我廠塑壓模具主要選用合金工具鋼Cr12MoV作為主要材料。Cr12MoV是一種模具鋼，對應日本JIS標準牌號為SKD11。

成形零件經粗加工→淬火+回火→精加工→拋光→鍍鉻處理。塑壓模鍍鉻是一種應用最廣泛的表面處理方法之一，其目的在于提高塑壓模表面的耐腐蝕性和耐磨性鍍鉻層的硬度高達1000HV，因而具有優良的耐磨性。鍍鉻層還有較好的耐熱性，在空氣中加熱到500℃，其外觀和硬度仍無明顯變化。因此，在成型會產生腐蝕氣體的塑料或成型加工有玻璃纖維等增強物的塑料時，鍍硬鉻是防止塑壓模產生腐蝕或早期磨損的一種非常有效的辦法[1]。但是，鍍層的孔隙較大，耐腐蝕性不高。同時電鍍具有尖端效應，對多孔、形狀復雜的模具也不適用。

現有塑料模具材料及表面處理技術存在以下的問題：

型芯、型腔和底模等模具主要件，是模具結構中最為復雜的部分，自身加工周期最長，且需電鍍處理;電鍍過程易出現鍍層粗糙、局部無鍍層、鍍層不均勻、鍍層暗色以及鍍層掉鉻等問題;深腔結構，尤其是窄深槽，鍍鉻操作過程復雜且困難，存在無法形成鍍層現象;電鍍后需要鉗工二次拋光，造成人工成本的浪費，也影響制造周期。

2 ?塑料模具鋼及表面處理技術應用前期試驗情況

2.1 SKD-61模具鋼應用情況

2.1.1 SKD-61模具鋼簡述 ?SKD61 是一種日本牌號的熱作模具鋼，對應我國的牌號（GB/T 1299-2000）是4Cr5MoSiV1，是應用最廣的熱作模具鋼，SKD61對應美國標準是H13，工作硬度為HRC ?50～55，SKD61模具鋼化學成分表如表1。

作為一種中碳+高鉻合金工具鋼，SKD-61熱處理后得到組織細、晶粒適中的馬氏體組織，基本上分布著細小的炭化物，因此具有很高的硬度及耐磨性，并具有淬透性強，尺寸穩定性好的特點，適宜制作高精度長壽命冷作模具及熱固成型塑膠模具。

2.1.2 SKD-61模具鋼試驗情況 ?在HG-11塑壓模6570/9371上試用，字母“HG-11”及“+”、“-”有局部粘模，其余大面出模較好。

試驗結果顯示，SKD61模具表面有粘模，脫模效果不好，后期還需要通過表面鍍鉻或鍍鎳的工藝來提高表面質量。

2.2 ASSAB 8407模具鋼應用情況

2.2.1 8407模具鋼簡述 ?ASSAB 8407是鉻鉬釩合金工具鋼，具有良好的塑性、韌性、切削加工性以及高溫耐磨性，主要適用于熱作成型模具。其性能如下：①高低溫均有良好的耐磨性。②優良的韌性和延展。③穩定及優良的機加工性和拋光性。④優良的高溫強度和抗熱疲勞性。⑤優良的淬透性且熱處理變形小，ASSAB 8407模具鋼化學成分表如表2。

2.2.2 8407模具鋼的試驗情況 ?在雙槽塑壓模CS571/033、CS571/039上試用，結果顯示，8407模具表面仍有粘模，表面劃傷（磨損）嚴重，這表明ASSAB 8407不能滿足酚醛樹脂+玻纖的生產需求。

2.3 物理氣相沉積技術（PVD）應用情況

模具失效往往始于模具的表面，模具表面性能的優劣直接影響到模具的使用和壽命。隨著新科技的發展，模具表面處理新技術得到迅速發展，物理沉積技術（PVD）便是其中之一。

2.3.1 PVD技術簡述 ?物理氣相沉積是在真空條件下，利用各種物理方法，將欲涂覆的材料（主要是氮化物或碳化物）氣化成原子、分子或離子直接沉積到基體表面的方法。

目前，PVD技術主要有三種，即真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍。而根據涂覆材料的不同，PVD涂層主要分為以下幾種，見表3， 不同表面處理技術的特性對比，見表4。

需要注意的是，常見PVD涂層時的加熱溫度為450～480℃，而某些材料經回火（低溫回火180～200℃、中溫回火340～380℃ ），若再在（450～480℃）條件下進行PVD涂層，模具基體或被退火，硬度降低，還有可能造成基體變形。基體硬度下降，導致涂層與基體附著不足，涂層僅為薄薄的一層;受力后基體破壞、涂層開裂剝落，起不到耐磨、潤滑作用，造成涂層效果不好，甚至比不涂層更差[2]。

結合上表，并對不同表面處理技術的特性進行對比（表4），不難發現：與鍍硬鉻相比，CrN和DLC兩種涂層硬度提升不明顯，而其他類型涂層隨硬度提升明顯，但涂層溫度較高，或存在基體退火風險。有研究試驗表明，將Cr12MoV鋼進行PVD涂層處理，基體硬度由HRC 62下降至HRC 59，無大幅度下降。

2.3.2 PVD技術在塑料模具上的應用 ?研究表明，用PVD方法，將Cr12MoV鋼制作的PVC塑料注射模，經常規熱處理后沉積TiN膜層，使其耐磨性和耐鹽霧腐蝕性提高，模具表面不會產生點蝕而引起脫模時的粘模，使用壽命比原來提高2～4倍。

2.3.3 PVD技術的試驗情況 ?經熱處理廠家建議，在塑壓模CS571/044、CS571/120、6570/9124等模具上分別沉積CrN 和AlCrN涂層。整體處理效果較好，但狹窄位置處理效果一般，涂層顏色明顯淺于大面。經模具試壓，CS571/044和CS571/120整體出模良好。但是，經過CS571/120塑壓模投入批量生產后，僅加工400余件，便出現粘模現象，經查為模具下模鑲件型腔尖角處涂層脫落，或與涂層溫度有關，抑或與PVD處理前的拋光質量有關。

因此，PVD技術暫無法滿足我廠塑壓模具，尤其是以狹窄結構居多的雙槽模具的性能需求。

3 ?模具鋼性能對比

根據技術資料，對SKD61、8407、ELMAX和M390進行成分和性能對比，通過對照發現，ELMAX和M390在淬火硬度、耐磨損性及耐腐蝕性三方面都大大優于Cr12MoV、SKD61和8407;拋光性能方面，兩者均有良好拋光性，但ELMAX由于淬火硬度高于前兩者，根據現場鉗工操作人員反饋，拋光性要強于前兩者。從驗證結果來看，SKD61和8407模具在表面不電鍍的情況下，有局部粘模，后期仍需要作表面鍍鉻或鍍鎳來處理;ELMAX模具可以正常生產，易脫模。

各模具材料化學成分比較表見表5，各種模具材料化學成分對比見圖1，由這些資料來看，ELMAX和M390的鉻含量均明顯高于Cr12MoV、SKD61和8407。鉻是具有鈍化傾向的元素，一定成分的鉻加入鋼中，就會使鋼具有抗腐蝕性和抗氧化的能力，亦能增加鋼的耐磨性。

4 ?新型不電鍍塑壓模具材料應用實驗與總結

經過對比，最終確定選用ELMAX和M390兩種粉末冶金工模具鋼作為試驗材料。

4.1 一勝百ELMAX粉末冶金工模具鋼應用試驗

ELMAX在斷路器塑壓模1ECS571/062上試用，結果顯示，用ELMAX的模具壓制的產品，不粘模，外觀及尺寸均達到要求。目前，ELMAX模具可以正常生產，易脫模。

4.2 博樂M390粉末冶金工模具鋼應用試驗

M390在斷路器塑壓模1ECS571/039上試用，結果顯示，用M390的模具壓制的產品，不粘模，外觀及尺寸均達到要求。目前，M390模具可以正常生產，易脫模。

5 ?結束語

通過對SKD-61、8407等模具材料和PVD等表面處理技術等分析，并對ELMAX和W390等材料的應用試驗，發現兩種材料均能良好地滿足FX-501等高腐蝕性+高磨耗性塑料的成型加工，有助于提高模具使用壽命。兩種材料不需要電鍍表面處理，縮短了模具生產周期。

參考文獻：

[1]王鵬駒.塑料模具技術手冊[M].機械工業出版社，1997，6：899-901.

[2]謝嫻.淺談塑料模具材料的選擇[J].科技風，2015，13：65.

作者簡介：高衍順（1989-），男，山東濟南人，本科，助理工程師，主要從事塑料模具的模具設計和生產管理工作。