随着我国塑料工业的快速发展和专业模具制造商的出现,对塑料产品成型的需求越来越大,对塑料模具钢的质量要求也越来越高。传统的塑料模具钢逐渐不能满足结构复杂、尺寸精度高、耐腐蚀性高、抛光率高等高质量要求。到2016年底,国内塑料模具的市场满意度不到74%,特别是技术含量高的中高档模具。对于高档镜面塑料模具钢,我国生产能力有限,产品质量参差不齐,抛光性能和使用寿命与国际先进水平差距较大,但抛光成本占模具成本的5%~30%。中国每年约占20%,约10万吨。约60亿元的优质模具钢需要从日本、德国、瑞典、奥地利、韩国等国家进口,几乎占据了整个模具钢的高端市场。因此,发展高镜等高端模具钢的新技术、新工艺、新品种势在必行。
国外镜面塑料模具钢的发展
目前,国际高端模具钢出口国主要集中在日本、瑞典、美国、德国等一些发达国家。对于这些高端镜面塑料模具钢,中国的模具材料大多依赖进口,其中日本的高端镜面塑料模具钢处于领先地位。目前国外先进的镜面塑料模具钢虽然价格是国产镜面塑料模具钢的2~3倍,但其优异的性能是毋庸置疑的。国际高档镜面塑料模具钢的发展方向主要包括:(1)模具大型化,以满足大型高表面质量塑料制品的需要;(2)模具预硬化,以提高模具制造周期和抛光质量截面的均匀性;(3)模具耐腐蚀性,以满足透明塑料和橡胶制品的高腐蚀性表面质量;(4)提高模具钢冶金质量,减少混合等缺陷,提高镜面加工性能。
国内镜面塑料模具钢的发展
我国低端市场多采用一些老钢种,如45钢,40Cr,38CrMoAl等等。这些钢种中的优质碳钢和低合金钢具有稳定的机械性能,但强度低,使用寿命短,抛光性能一般。如果注射模具采用45碳钢,则应抛光至Ra0.2 μm当肉眼可见明显缺陷时,继续抛下只能增加亮度,粗糙度无望提高。然而,由于一些大型塑料制品的需求,作为一种优秀的镜面塑料模具钢P最大厚度只有4000 mm,不能满足大规模要求,中国引进了718(P20 1%Ni,即3Cr2NiMo)。由于1%Ni添加元素,P最大尺寸为4000 mm左右增加到1000 mm。上海大学与国内一家知名钢铁企业合作生产首件860件 mm × 1300 mm × 2690 mm的非调质SDP1钢(718)超大模块组织性能好,心表均匀,硬度波动±1.5 HRC。对于需要超镜塑料制品的塑料模具,马氏体塑料模具是首选。回火后获得的回火马氏体或回火索氏体组织较小,回火后碳化物沉淀均匀,是生产透明产品和超镜产品的首选。所以硬度是52 HRC的Cr13系马氏体不锈钢作为先进的高档耐腐蚀镜塑料模具钢引进并不断发展。
塑料模具钢的镜面加工性能
塑料模具的形状比较复杂,每个部件在使用过程中的位置不同,所需的材料性能也不同。因此,塑料模具的基本性能要求大致包括:表面硬度和耐磨性足够、强度和韧性足够、切加工性能好、抛光性能好、热处理变形小、耐腐蚀性好等。
镜面加工性能,即抛光性能,不仅对材料本身的机械性能和物理化学性能有较高的要求,而且对抛光工艺方法也有较高的要求。镜面加工标准分为4级:A0=Ra0.008 μm,A1=Ra0.016 μm,A3=Ra0.032 μm,A4=Ra0.063 μm。表面质量低的塑料制品对模具的要求较低,一般注塑模具对表面粗糙度的要求约为Ra0.1~0.25 μm,需要实现光学镜面Ra0.01 μm以下是制造光盘的模具型腔粗糙度要求Ra0.01~0.02 μm,这就要求模具材料具有良好的抛光性能,并配备合适的抛光工艺。
镜面塑料模具失效
对于镜面模具钢,其使用寿命主要与其表面质量密切相关。在镜面模具的生产过程中,模具的故障主要与其抛光性能有关,故障形式主要包括疤痕缺陷、麻点、孔、橙皮等。相关研究人员得出结论,在镜面塑料模具钢的抛光过程中,模具表面的疤痕凸起缺陷与钢内部有关TiN夹杂及其复合夹杂,CaO-SiO2-Al2O局部偏聚三类夹杂,P和S有害元素的丰富与不均匀的成分密切相关,导致模具表面早期故障。麻点和孔的存在导致了模具表面抛光质量和耐腐蚀性的下降,这是由于大型硅酸盐夹杂物、残留氧化物和严重的局部脱碳。
在镜面模具钢的使用过程中,其故障主要是由于模具承受机械载荷、热载荷和环境介质 。除模具工作条件外,其他因素包括:模具结构设计、模具材料、模具使用等。其故障形式包括表面磨损、吸附、腐蚀、变形、断裂和塑性变形。可能是由于模具材料本身的合金设计不合理,材料冶炼、锻造和热处理工艺不合适,或模具设计和使用不当。
抛光工艺对镜面加工性能的影响
如果模具钢材料是镜面塑料模具钢的基础,那么抛光过程就是镜面塑料模具钢的升华。抛光方法主要包括机械抛光、化学抛光、电解抛光、超声波抛光、流体抛光、磁研磨抛光和各种组合。机械抛光是通过切割和材料表面塑形变形获得光滑表面的抛光方法。超精细研磨技术可以实现Ra0.008 μm表面粗糙度是各种抛光方法中质量最高的。抛光工艺的不断发展不仅提高了抛光效率,而且提高了抛光质量,而且减少了抛光对环境的污染,改善了工作环境,解放了劳动力。未来,机械抛光和超声波研磨可以结合良好的抛光效果,开发机器人代替人工抛光,以节省成本。
结 语
未来,降低镜面塑料模具钢的制造成本,缩短模具制造周期,提高镜面加工性能和加工性能,将成为产品研发的主流趋势。随着高镜面塑料产品的大规模和复杂性,匹配的镜面模具钢需要更大的尺寸和优良的抛光性能。除了不断提高抛光技术和技术外,高冶金质量和优良镜面加工性能的镜面塑料模具钢也是研发的核心。在高端镜面塑料模具钢方面,日本、德国、瑞典等国家在良好的基础上不断开发,形成了完整的体系。目前,我国在这一领域的研究与国外仍存在一些差距,未能满足国内需求。只有不断发展,注重产学研销的一致性,才能为我国成为模具力量的发展奠定基础。
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