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模具材料特性及模具設計1 o! W9 @! ]6 C* W; _
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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:8 k+ Q4 q# f' d& j. ^! z
容易取得。7 X. [$ j1 ]7 g
機械加工性良好。/ m# k# |# a# B5 O# I3 Q
表面加工性良好。) V3 x9 ~ D( e I) ~+ h' y+ e
強度、韌性和耐磨性大。$ p" R( w& c! N& ~/ p& @8 D" u/ l
無針孔和沉澱雜質等內部缺陷。 e+ [% \" [# @; y
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。2 H/ q6 ^1 ~ Z: ^# p# E4 i! ^9 S, `
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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。
2 y2 m; z, {( m( [0 ?2 C' q F: ^5 j/ k9 L# B% X# o$ o
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) E2 E4 O) w$ |% E" X8 W
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。, ]8 G6 I8 D0 w" m! g1 B! E) O
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。* \0 ?# R' m* a/ F O+ V, I0 Y$ F
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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。8 {9 }8 ^( T" a4 X4 o) b# d
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)& }2 S9 Z" M, S3 p- b# T
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)% c" S! h Q) B9 H9 N' g5 T/ _
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。& O* p+ o) A6 I
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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2 ^' g: d& r9 f( @- o
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。 t* ~+ e) P; \
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& n$ D4 I9 ^6 J4 Y4 ]
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/ H+ v0 n3 y% w1 m
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.+ D, P1 b! S. a2 q. L; }
普通淬火- F1 ?) R2 [- p% c! @0 ]6 K' B
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+ q1 N! M3 o D
, 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3 Z. z2 T! T- f- w
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。 m( k. ^, o9 [4 ~
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高溫回火& g6 t, R8 l: \* q
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。* Y; y- [: R4 ^) }; V
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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。& r( P5 s, M' U/ ^' q( l% F o
表面處理' |( |' j3 i- `- R; a5 z: v
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, T# ^: b0 g# l* V0 w$ j/ m2 f2 B
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。9 x4 c3 o) p" h4 T8 ?4 m
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。7 q' `2 O# H8 e U
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。' v& ^( S" N& P# j) y [6 B+ X
; @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 H4 \0 _3 g3 ]& W- y1 c5 v$ y
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& u7 z1 ?! ]1 ^. v9 `7 b
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。 I, x% k ?$ R; r: R8 P0 ^0 B
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)。; q. z3 T7 ]$ v6 T9 G0 \
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氣體氮化法4 W# X4 T! R0 p+ t
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2 e7 r& ^- e; L3 v0 H* H! [, T
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。6 L0 U# t. c* q4 }) M u
2 C6 S' J! G, C9 o' y; _* u: [. s! f
軟氮化法* D- x3 W3 m' T* c* \
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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