模具材料特性及模具設計

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模具材料特性及模具設計
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塑膠模用模具材料
* R1 v; K2 j2 ~　　模具材料的選用是否適宜，對模具的壽命、精度、加工性、價值等有很大的影響。故模具材料的選用一般均依照下列原則：
2 T5 }$ C4 a& o" ?4 y$ Q容易取得。
機械加工性良好。
# f$ Q  L" P, n* Y4 g/ l% ~& E  Y3 l2 Q表面加工性良好。
強度、韌性和耐磨性大。
0 b0 T8 _' k; x' A) ]無針孔和沉澱雜質等內部缺陷。
可焊接性。
( ]& q! Q' g9 J! Q9 [熱處理容易、熱變形少。
  M6 X9 a+ {: x2 y; k耐熱性好、熱膨脹係數低。

種類及特性:
　　模具材料的種類很多，在此先將常用的幾種材料作簡介。

. {8 \# ^% q; F$ `3 i! p# ^  P) K0 c一般構造用輥軋鋼材(SS)
: \" m; G1 O* V) U9 r一般構造用輥軋鋼材SS41、SS50，價廉而容易取得，但質軟多針孔，因此用於不需強度、硬度的零件，不適用於模板材料。
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機械構造用碳鋼(SC、SCK)
　　機械構造用碳鋼S25C、S50C、S55C等，價廉而容易取得，加工性也好。S25C用於模具的承板、定位環、豎道、襯套、止動螺栓、支持件等，而少用於模板。S50C、S55C原則上回火到硬度9～22HRC，以增其加工性，為標準的模板材料。
　　S9CK、S15CK的含碳量少，因而質軟，所以需作表面滲碳，淬火成HRC45～59的硬度來使用。

5 A7 U5 u3 j, K碳工具鋼(SK)
　　碳工具鋼有SK3、SK5、SK7等，含碳量為0．6%以上的高碳鋼，其淬火硬度是SK3、SK5為HRC50～60，SK7為HRC50～55，H此類鋼材耐磨耗性優良，且為較價宜的工具鋼，用於有滑動部份需高硬度和耐磨耗性的零件，如導銷、襯套、頂出銷、復歸銷等。
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合金工具鋼(SKS、SKD)
　　常用的合金工具鋼有SKS2、SKS3、SKD11、SKD61等。SKS2與SKS3是碳工具鋼加鉻、鎢增加淬火性、耐磨耗性，用於特別要求硬度與耐磨性的成形模板，其硬度HRC55～60。SKD11、SKD61是添加釩取代SKS的鎢，其淬火性與耐磨耗性優於SKS，且淬火應變小，其硬度SKD11為HRC55～60，SKD61為HRC45～51，但SKD61的耐熱性、韌性都優於SKD11。

1 k& n( N( |3 h5 F, U+ ~高速鋼(SNC)
　　此處的高速鋼是指SKC2與SNC3的鎳鉻鋼，係為碳鋼加鎳和鉻，增其韌性與淬火性，回火硬度為22～30HRC，用於成形模板。

鎳鉻鉬鋼(SNCM)
　　鎳鉻鉬鋼SNCM2是淬火性，耐磨性耗性均好，尤其是強度、韌性特別好的鋼材，其用途與高速鋼相同。
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鉻鉬鋼(SCM)
+ y# h, \9 k; L- x" g　　鉻鉬鋼SCM3、SCM4是碳鋼加鉻，鉬的構造用鋼，其強度、韌性優於碳鋼，其價格較SNC及SNCM便宜。

( P3 p" \+ w* ]鋁鉻鉬鋼(SACM)
　　鋁鉻鉬鋼SACM1經氮化處理(氮化層硬度為HRC67)耐磨耗性很高，用於要求硬度和耐磨耗性的滑動部份，如頂出銷等，鋼材本身硬度為HRC20～30。

  ]: k& H; A5 K軸承用高碳鉻鋼(SUJ)
　　軸承用高碳鉻鋼SUJ2為軸承用的鋼材，耐磨耗性、淬火性均良好，其硬度為HRC55～60，用於滑動部份需有相當的硬度和耐耗性。

& R" v2 _) N* t. Q! ~不鏽鋼(SUS)
　　如PVC的塑料，需用耐蝕性高的模具材料，可以增加鉻量，減少碳量的耐蝕性不鏽鋼SUS來製造。

11鈹銅合金
, c) p" E3 y7 b* _2 O8 |; c6 \( H/ u　　含鈹2．5%，含銅97．5%的鈹銅合金，常用來製作形狀複雜的公模或母模。其製作的方法是將熔融的合金注入模型內，然後一直加以壓力直到冷卻為止。
1 c5 T5 `! o1 m( ^　　表一為塑膠模各構件最廣泛應用之材料，及其熱處理狀態及使用之硬度。表二為構造用的合金鋼的化學成份及機械性質。表三為表二所列的模具材料的的特性、用途及使用的場合，此三表可供學習查考，以選取最適用的模材。

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熱處理
　　鋼材經適當的熱處理可顯著增加硬度、強度、韌度、耐磨耗性等機械性質。施行電鍍作表面處理，模具精度提高、表面光亮，使脫模更順利，成品表面光度增加。因此欲模具壽命延長、品質提升，除了事先預選適當的模具材料外，對於加工後，模具的熱處理方法的選定也極其重要，以下分點說明。

: [# l& O7 u9 k/ ?8 q7 Q正常化
　　此項熱處理旨在消除鑄造、鍛造、輥軋等高溫高壓處理所產生的粗晶組織，並將加工所生的內部應力消除。其方法為將工作加熱到變態點AC3或ACm點以上30°～50℃的溫度後，使之在空氣中自然冷卻，如圖1所示。使用大型構造用鋼，在材料經鍛造成模型後，再施以正常化處理。
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退火
　　退火是為了使鋼料軟化，調整結晶組織，除去內部應力。其方法為加熱到AC3或AC1變態點以上30°～50℃，保持適當時間後，在爐中或灰中冷卻，如圖2所示。模具材料退火處理有兩種方式。

消除應力退火
　　目的在除去加工所引起的內部應力。適用於粗切削、中切削或需淬火的模具零件。因淬火時麻田散鐵變態所生的應力將加大，除非先行實施退火消除內部應力，否則將造成巨大的應變，而致淬火罅裂、翹曲。即使不淬火的零件，若經大量粗重切削，不經此項處理的話，也將因加工應力的殘存，而終致尺寸的精度改變或發生翹曲。
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" |1 t9 I1 O+ A' D2 Z3 d; Z3 `6 z球狀化退火
* H( b% K  `5 Q　　目的在改善加工性，增加韌性，防止淬火罅裂，使鋼中的碳化物變成球狀組織。
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8 p( j/ Q6 j6 U# {1 z$ v淬火
　　淬火的目的是為了將鋼硬化、增加強度。其方法為鋼材加熱到AC3或AC1變態點以上約30°～50℃，保持適當時間後，使它在淬火液中急速冷卻，而產生高硬度的麻田散鐵組織.
& G$ ]9 `" ^1 ~1 c: O% J/ y1 i普通淬火
% ^' V4 F: O1 R+ I2 u" v* q! ^　　加熱到變態點以上的溫度後，在水或油中急冷以得麻田散鐵組織。此方法，加熱必需防止過熱及氧化脫碳的現象發生。對於壁厚不均的模具，將會有加熱不均勻。由於各部份的度差發生熱膨脹差，致影響變態點，引起變態差，而致淬火罅裂。因此為了達到均勻加熱，最好用鹽浴或惰性氣爐。
6 {; t1 i; S# t7 r5 |7 f　　氧化、脫碳之防止可採用鹽浴爐或可調整的隋性氣爐。熱處理變形的防止，宜使用淬火溫度低，自硬性大，有氣冷程度的淬火鋼。含大量鉻、鎳的合金鋼、高速鋼具有此一空氣中冷卻而硬化的特性，對於加工後再行熱處理的模具、精度、形狀能保持而不致變形，精密度失掉。

6 e5 O; g3 i) N3 K麻淬火(marquenching)
$ C* y+ q$ h0 D- ~/ |4 D  x1 m　　將待處理的材料加熱到淬火溫度後，投入於溫度為Ms點(冷卻時由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵的開始溫度)的熱鹽浴中，待材料的溫度成為均一後，取出氣冷，緩慢引起麻田散鐵變態、材質變硬，不致發生淬火應力及罅裂，最後再施行回火處理。
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麻回火(martempering)
6 i% d0 n- p8 _2 D+ i7 L　　將材料加熱到淬火溫度後，投入於溫度為Ms點及Mf點(冷卻時由沃斯田鐵轉變為麻田散鐵的終了溫度)間的熱鹽浴內淬火(100～200℃)，長時間保存恆溫，直到變態終了，然後空冷。利用此法淬火者，麻田散鐵自行回火，淬火應力消除，衝擊值得以提高，韌性較回火處理者強。工業界一般皆不等待到恆溫變態終了，即行撈出，如圖示，而後段則採氣冷回火。
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, P4 _7 r' [2 ]/ ]8 M  R回火
　　淬火後的鋼雖然強度大硬度高，但是很脆。假如淬火鋼加熱到A1變態點以下的適當溫度時，不但可以除去淬火鋼的內部應力，又能調節硬度得到適當的強韌性，這種處理叫回火。依照回火之目的，可分為低溫回火與高溫回火兩種。

低溫回火
　　適用於淬火硬度需要相當高的情況下，將高碳鋼加熱於溫度約200℃的低溫，目的應於消除淬火所產生的內部應力。殘留的沃斯田鐵組織不易產生變化，可維持相當高的硬度。

9 R% x0 j2 C6 I' ]$ E2 T高溫回火
　　適用於構造用鋼，將其加熱在溫度500℃～600℃之間使其組織變為有韌性的糙斑鐵。此時可兼顧鋼材的韌度和硬度。

) p& S3 _+ z; M! r% @/ u( }. J, v　　對於施行一次回火，不能得到滿意的機械性質的鋼料如高合金鋼及高速鋼，可施行2～3次的返復回火。
表面處理
' B' x: G" ~' f$ g8 ]4 ?　　表面處理是指以加熱或化學處理的方法，使鋼料表面增加硬度到達某一深度。其方法有滲碳、高週波及火焰淬火、氮化及電鍍。分別敘述如下。
滲透淬火
　　低碳鋼或表面淬火鋼(低鎳鋼、低鎳鉻鋼等低碳合金鋼)在適當的滲碳劑中加熱，使表面起滲碳到某一深度，使成高碳的狀態的表面硬化法。在滲碳劑中以850～900℃加熱8～10小時，則鋼料表面起滲碳約2mm的深度。滲碳完後再施以淬火處理，使滲碳部份硬化。若有不想滲碳的部份，可預先鍍銅以防止。一般滲碳劑可分為固體滲碳、氣體滲碳與液體滲碳等三種。
固體滲碳的滲碳劑使用木炭、焦炭等固體。以木炭粉為主，加入20～30%的碳酸鋇、碳酸鈉等促進劑。
氣體滲碳的滲碳劑為氣體，主要為一氧化碳或甲烷碳化氫，滲碳濃度容易調節，可使滲碳均勻。滲碳能力大，不只表面，連心部也可均勻滲碳。
+ Z* Z$ ~# ~+ _1 p液體滲碳的滲碳劑為溶融的氰化物，將鋼加熱到AC1變態點以上而滲碳。通常薄層硬化是濃度較高的氰化鈉鹽浴中作低溫(850～900℃)處理，而厚層硬化以濃度較低的氰化鈉鹽浴作高溫(900～950℃)的處理。
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高週波硬化
　　藉高週波感應電流將鋼料表面急熱，在到達淬火溫度後，用適當的冷卻劑急冷，稱為高週波淬火。主要用於需具強韌及耐磨耗的機械性質的模具零件，如導銷、復歸銷、斜銷等等。含碳量0．4～0．5%的碳鋼，或合金鋼皆適用於本方法。
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) }2 J7 U* q3 u, Y火焰淬火
. H" Z0 a6 c' z　　以氧氣-乙炔火焰將鋼料表面急速加熱到淬火溫度，再以水急速冷卻而使表面硬化。本方法的特色在於只將外周表面淬火硬化，因此淬火應變小，可應用於各種形狀及大小的鋼製品。淬火方法大致分別有兩種。

# P5 z: V7 {. t9 o全面同時淬火法
" {" B; E: b4 K　　適用於較小面積的處理。全面同時加熱，然後對此加熱到淬火溫度的面進行冷卻以硬化之。
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移動淬火法
+ H: @$ n4 O6 v0 j　　大面積不適宜用全面同時淬火法，乃改用順序移動加熱及冷卻的組合吹管，以行加溫冷卻全面積。也可應用於不易全面淬火的模具的局部淬火、零件的磨擦面，可增高耐磨性，延長模具壽命。

氮化
: a8 N/ {% O, e* S. _8 N　　氮化是在氨氣或含氨的媒體中加熱，增加氮含量而將鋼表面硬化的方法。加熱溫度高時，硬度減低，但氮化深度加深。氯化時間取決於所需氮化深度，大約是50小時0．5mm，標準是100小時0．7mm。鍍錫或鍍鎳的部份，可以防止氮化。
　　氮化用鋼，其標準成份大約是碳0．35～0．45%、鋁1．0～1．3%、鉻1．3～1．8%、鉬0．5%以下，此時的氮化溫度500～500℃，表面硬度為HRC67～70，為一非常硬的氮化層。
; R1 e- k* }$ [, \　　氮化法依其媒劑可分為氣氮化、液體氮化、軟氮化(低溫鹽浴氮化法)。

氣體氮化法
　　被處理的料件裝於氮化箱內，放入於爐中，通入氨氣，溫度為500～550℃左右，氮化時間為50～100小時。此種方法為低溫處理，使熱處理變形接近於無。
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液體氮化法
　　液體氮化法與液體滲碳法之不同點，在於本法是在AC1變態點以下加溫而滲碳法卻在AC1以上，且本法所用之鹽浴含較高的氮量而較少的碳量。將氰化鈉鹽與氰酸鹽和碳酸鹽適當混合，加溫到560℃，將料浸入約2～3小時，即可形成薄層的氮化層，可增耐磨耗性，防止燒焦及耐疲勞性。
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( I+ H  V. `! f3 ~軟氮化法
1 k" V- l9 Q6 I- o; d+ X　　此種方法使用於氰化鉀(KCN)等的鹽浴槽中，溫度在520～570℃的低溫。其處理與液體滲碳法相同，唯溫度較低，且其硬度約只為氣體滲氮的一半，故稱為軟氮法。氮化時間較氣體氮化法為低，約1～2小時。此種方法處理的低碳鋼、中碳鋼其硬度增加有限，約可達到HRC53～59。但其耐磨耗性與耐疲勞性顯著增加。
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離子氮化法(Iron-Nite)
　　為了改進氣體氮化法(硬氮化)，處理時間長、效率低，最外層的氮化物很脆等缺點。德國的Berkard berghaus發明離子氮化法。離子氮化法首先企業化的是西德的Klockner． Ionon． Gmbh。其方法是將待處理的工作裝入電氮化爐內(圖7)，首先將爐內排氣至10-2～10-3T後導入N2氣體(或N2+H2混合氣體)，使爐內保持所需要之處理氣壓(通常10-4～10Torr)。以爐本體作正極，處理工作作負極，將兩極間施加500V～1000V的直流電壓，爐氣便因輝光放電而電離化(即氣體被離子化而成正離子向負極的處理工作表面衝擊)，處理工作表面受到加熱，同時氮化也因此而進行。
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　　處理溫度與一般的氮化溫度一樣，通常在480℃～570℃的溫度範圍內。溫度的控制係以輻射高溫計測定溫度而以電流值控制之，表面氮氣濃度可改變爐內充填的混合氣體(N2+H2)的分壓比而調整之。參圖8離子氮化之處理循環。
8 h8 l0 d4 i; Z& ^* I) G+ D　　電離氣中生成之氮離子便向工作表面快速衝撞，動能轉變成熱能，造成溫度上升。這時由於對氮離子的衝擊及飛濺(spattering)，所產生的排斥作用，Fe、C、O等元素由工作表面被打出來，飛散出來的Fe在放電的電離子中與N離子結合而形成Fe-N的氮化鐵。Fe-N的氮化鐵由於附著作用而附著於表面上，N便向最外層擴散侵入。即最外層的化合物層由於擴散順序發生FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N等組織變化而產生氮化作用。最外層由離子衝擊作用Fe不斷地飛散出來繼續形成氮化物，成為氮氣供應的輸送源而促進氮化的進行。
　　離子氮化的特點為處理溫度低，處理的工件變形小又無公害問題，為最新最進步的表面硬化法。其可處理的材料除了碳鋼、模具鋼、工具鋼、氮化鋼、合金鋼、高速鋼外，過去認為難以處理的不鏽鋼、鈦、鈷等利用本法已能實施良好的表面硬化。參圖10可知經過I．N．處理的材料，可得到極高的表面硬度，並可獲致極優良的耐磨耗性、耐疲勞性、耐蝕性及耐剝離性。
電鍍
  `% Q4 l, P; R7 g　　電鍍是在模具表面被覆其他金屬，以增加表面光度、提高表面硬度，增強耐蝕性的表面處理，以下分述之。

5 {: x) N: G0 u$ M, S0 D鍍硬鉻
1 i7 V/ m( N  Z2 S' p　　將模具欲鍍的部份浸入於無水鉻酸為主的電解液中，通以電流，鉻析出而附著於模具表面。鍍層比普通鍍層厚，約0．01～0．02mm，硬度HRC67～70。使用本處理增進下列優點。罅脫模良好。鍍硬鉻表面光滑如鏡，脫模非常順利。
9 O+ {% G; Q( u, \+ r9 I; I" w" d舐鍍層表面硬，耐磨耗性佳，不易刮傷，硬度高達HRC67～70。竺對鹽酸、稀硫酸以外的化學品有良好的耐蝕性。
竽鍍鉻面有精美的光輝，模具凹穴經此處理，所射出的成品也能具備精美的光澤，提升產品價值。

, b5 t5 b' L  T' f+ I0 \* T" j無電解鍍鎳
　　此法不經電解作用，不像上法，乃純粹的化學方法施行鍍著。鍍著經由附著於模具上的觸媒劑的作用，使鎳被還原，而形成表面鍍著層。此種鍍著的特性為：
罅不致發生電鍍的鍍層厚度差，為一較均勻的鍍著法。
舐表面不生針孔，光滑而硬。鍍層硬度HRC49，經熱處理更可提高HRC64～67。竺密著性良好，不易剝離。竽耐蝕性良好。

wptoday2

介绍的蛮详细的，谢谢！

boyliu007

对加工了解很有用，谢谢楼主呀。

april_green

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lxj1997

谢谢，最好都这样发贴，呵呵