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
+ a5 l" x4 `+ n- i; y　　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：
容易取得。
機械加工性良好。
表面加工性良好。
強度、韌性和耐磨性大。
無針孔和沉澱雜質等內部缺陷。
可焊接性。
  q  `( V: @) O熱處理容易、熱變形少。
4 {4 I8 u6 J- {, v% z2 _耐熱性好、熱膨脹係數低。

種類及特性:
% c, @' {5 `) y3 B) |8 }+ [' u　　模具材料的種類很多，在此先將常用的幾種材料作簡介。
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一般構造用輥軋鋼材(SS)
: x% Y9 l5 d  c& a( o$ m; [& m# p* ]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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" \, U: ]: ^& d9 f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。
* ]% m% `; K  M8 y# C　　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。

2 Q  X, }, J' K( W1 n0 g+ t! C碳工具鋼(SK)
, `9 w( x/ a: w: L) t) p- q4 i　　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。

合金工具鋼(SKS、SKD)
4 U2 G) Q" B, A1 B- S3 V　　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。

5 F: p- n) ~. ~% w! n0 s8 i+ y! N高速鋼(SNC)
9 A+ c2 i7 d' s+ ^) Y; V: g+ W　　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。
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鎳鉻鉬鋼(SNCM)
  M3 a# M. W* J. e+ A, H, l　　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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, U. h9 B  M0 \6 h2 f. z- H鉻鉬鋼(SCM)
: B" f- B+ o6 ^$ a　　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。
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/ z7 v% B) F' v9 z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。
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; X4 e5 F2 P5 n8 ~' ^( Q# b8 |軸承用高碳鉻鋼(SUJ)
4 b: }; o3 D  n" z+ V! n' @　　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。
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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
; D! C8 w8 x; Q, ~/ q/ V　　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。
. A4 s. m8 @7 p( m; c/ X　　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。

8 s7 U" Z( M: _9 J9 R正常化
: f2 _5 s3 x9 k& O, ?- l& \2 B. n　　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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7 |8 @! v; k, U9 E9 z* G- ?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。
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7 H' q& g( C- ?消除應力退火
: p' W  C+ b5 v1 h- c5 i　　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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+ }- r4 M* e: s  k# n. i球狀化退火
　　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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! z7 j) b0 g7 G( D. i淬火
! e, W/ ^, h' x" R% v- I　　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.
普通淬火
　　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。
" n! C. B( d5 j9 i　　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。
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. V6 B/ S, p+ {$ P5 r( b! Q5 w麻淬火(marquenching)
0 i6 g. h; L' P) m9 k　　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。

, N* q% k9 \8 @0 c麻回火(martempering)
! [" h$ Q  {, x, 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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回火
+ H. d6 |, `& `& m% {; W1 J　　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。
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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。

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。

　　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
　　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。
9 q. V+ e$ Y$ q: M0 f* ^7 \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。
3 M2 y' E0 D/ {! F5 }& s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。

; @2 e  p4 P$ A' R6 W! @+ c- l' x' h# O高週波硬化
$ _* l  h; D  e: l　　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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火焰淬火
5 F  \4 N! v: K2 D. n. S　　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。
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全面同時淬火法
　　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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+ o3 p4 V; [  u8 E5 _' v. i  k移動淬火法
　　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。
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. `1 P/ i; t7 F  B: c氮化
1 v+ u" J" Z7 f　　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。
3 Y, l# f# a; v/ S+ c& ?　　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。
　　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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& r4 ]( o& d! ?5 F$ |9 d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。

軟氮化法
　　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 L% [% ]9 V# X2 G: n0 b　　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
　　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。
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1 [9 N- e6 e* s; P: H7 x鍍硬鉻
" K! L# S6 U& ~5 b8 e8 s* `4 `0 x; o　　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。
/ W  b, `1 J1 Y+ ~) _7 @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。

無電解鍍鎳
. h* @$ |2 d0 c0 I- ?　　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。
( V; \0 i3 h" n6 m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