任清海1，翁楠2
（1安阳职业技术学院 机电工程系，河南，安阳，455000 2河南机电高等专科学校，机械工程系 河南，新乡，453000）
摘要：表面磨损、塑性变形及断裂是注塑模具成型部件在力和热作用下的主要失效形式。作者在对这三种失效分析的基础上，通过目前新研制的注塑模具钢举例的方式，详细叙述了注塑模成型部件材料选择新发展。
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关键词 ：注塑模具；成型部件；失效分析；材料选择
1 引言
注塑模具是塑料加工中和塑料成型机配套，赋予塑料制品以完整结构和精确尺寸的工具[1]。而注塑模具的成型部件是构成模具型腔而直接形成塑件的部件，是注塑模具的关键部件。成型部件由凸模（型芯）和凹模组成，其中凸模形成制品的内表面，凹模形成制品的外表面形状，因此，其的失效直接影响塑件的成型质量。为此，本文从成型部件的失效形式分析着手，着重讲述了注塑模材料选择的新发展。
2 注塑模具成型部件的失效分析
注塑模具在力和热的作用下工作会产生各种形式的失效。其中，注塑模具成型部件的主要失效形式为表面磨损、塑性变形及断裂。国内外相关研究表明造成这些失效的众多因素中，模具所使用的材料与热处理是主要因素，其比例大约占70%，所以模具材料的选择在整个模具生命周期内占有非常重要的地位。
注塑模具成型部件的主要失效形式有表面磨损失效、局部塑性变形失效和断裂失效。
表面磨损失效在注塑模具成型部件的失效中占有绝对地位，这是由注射成型工艺的特点决定的。注塑模成型部件的表面磨损可分为磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。其中磨粒磨损是由于熔融的塑料中存在的硬质颗粒刮擦模具表面引起成型部件表面材料脱落造成的。比如，当塑料中含有云母粉、硅砂、玻璃纤维等固体无机物填料时，会明显加剧模具的磨损，这不仅会使型腔表面粗糙度迅速恶化，也会使剧模具型腔尺寸急剧变化。疲劳磨损是由于循环应力作用而造成的模具表面材料脱落。由注塑成型过程可知，模具型腔表面在注射压力和熔融塑料热的交变作用下重复着加压加热、卸压冷却的过程，从而模具材料表面在结构应力和热应力交变下产生疲劳磨损。腐蚀磨损是在熔融的塑料注射充模过程中模具表面与周围介质发生化学反应而引起的表层材料脱落。比如，由于塑料中存在氯、氟等元素，会受热分解析出强腐蚀性气体，侵蚀模具表面，从而造成模具表面的磨损失效。
局部塑性变形失效是因为模具材料的韧性与强度不足或回火不足，型腔表面形成的硬化层过薄，当熔融的塑料进入模具型腔内时，型腔表面持续受热和受压，导致应力分布地不均匀，引起表面皱纹、凹陷、麻点，从而造成注塑模局部产生塑性变形失效。
断裂失效是注塑模具中一种危害性大的失效形式。根据葛里菲斯理论可知，造成断裂的裂纹扩展是能量转换的结果。形状复杂的注塑模成型部件由于结构、温差而产生的结构应力、热应力或回火不足，在使用温度下，使残余奥氏体转变成马氏体，引起局部体积膨胀产生内部组织应力促使裂纹扩展而发生断裂失效。如成型部件存在有多的棱角、薄边，这些部位容易产生应力集中，造成韧性不足，形成裂纹，在循环结构应力和热应力作用下进而扩展发生断裂。
从以上注塑模具三种失效形式可知: 选用具有良好性能的注塑模具材料，可以有效地避免模具的失效，提高使用寿命。故注塑模具成型部件材料的选择应满足以下性能要求[2，3]:
1)具有较高的耐热性能、良好的导热性及较低的热膨胀率，这样才能保证注塑模具成型部件在工作过程中的精度和微小变形，减少温升值。
2）具有足够的强度，以便在较大的注射成型压力下不产生塑性变形，甚至不产生较大的变形。
3）具有良好的耐磨性、较高的硬度、足够的硬化深度和足够的心部强韧性。
4）具有良好的锻造工艺性和焊接性能。
5）具有良好的耐腐蚀性，最大限度地降低因成型过程中塑料受热析出的腐蚀性气体腐蚀模具表面。
6）具有优良的切削加工性、研磨抛光性能，保证模具的各种精度。
7）对于精密注塑模具，应具有热处理变形小和足够的的淬透性、优良的表面处理性能。
3、注塑模成型部件材料选择新发展
注塑模成型部件对钢材的质量和性能特殊要求高且比较特殊。例如: 热处理变形小，研磨与抛光性能好，光洁度高，有较强的花纹刻蚀性，尺寸稳定，有别于其他模具材料，尤其是型腔复杂，高精度的注塑模具对模具的选材有更高的要求。现有的国产传统的模具钢从品种质量、性能等方面都不能满足注塑模具发展的需求，因此，一些新型的综合性能良好的塑料模具钢得以开发研制[4]。
P4410（3Cr2NiMo）是P20钢的改进型[2]，具有良好的切削加工性能和抛光性能。其在30～36HRC的预硬态下使用，可以有效预防热处理变形，并且淬透性好，适于制造大型、复杂、精密塑料模具。该钢在渗氮、渗硼、表面镀铬等处理后可获得更高表面硬度、耐磨性和耐腐蚀性，可用于制作高精密的塑料模具。
2 5 C r N i 3 M o A l 是时效硬化钢， 是在参考国外同类钢的基础上进行国产化改进设计的注塑模具钢。该钢具有良好的切削加工性和电加工性，且渗氮性好，时效变形率低，镜面研磨性好，可获得Ra0.2～0.025μm表面粗制度，且具有良好的表面光刻浸蚀性，另外该钢还具有焊接修补性好，时效后焊缝硬度和基体硬度相近，并且焊缝可切削加工。该钢主要用于制作变形率要求在5%以下，镜面要求高或表面要求光刻花纹工艺的精密塑料模具。
8Cr2S钢是一种易切削注塑模具钢，具有热处理工艺简便、淬透性好、切削性好、镜面研磨性抛光性、表面处理性好以及良好的渗氮性等特性。该钢经研磨抛光后能获得最高表面粗糙度为Ra0.1μm。该钢可用于各种注塑模具成型部件。
5NiSCa钢属于高韧性易切削塑料模具钢[5]，其在预硬态下具有良好的韧性和切削加工性。其还具有良好的镜面抛光性， 表面粗糙度可达到Ra0.2～0.1μm，并且使用过程中有很强的表面粗糙度保持能力。该钢的花纹蚀刻性能好，淬透性强，在50HRC以上的高硬度下具有热处理变形小和韧性好的特点，并具有较好的阻止裂纹扩展的能力。因此，该钢主要用作型腔复杂、质量要求高的塑料模具。
06钢（06Ni6CrMoVTAl）是一种低镍的马氏体时效钢，具有热处理变形小、研磨表面粗糙度值低、切削性能好、渗氮性强、可焊接性强等突出优点。该钢可用于化工、仪表、轻工、电器、航空航天等塑料制品成型模具。
PMS是一种新型的析出硬化型镜面塑料模具钢，其热处理后为贝氏体和马氏体的混合体[6]，具有良好的冷热加工性能、焊接性和综合力学性能，并且热处理工艺简便，变形小，淬透性高，表面强化能力强。可用于各种光学塑料镜片、高镜面、高透明度的注射模具以及外观要求极高的光洁、光亮家用电器塑料模。PMS钢还具有良好的渗氮性能，通过渗氮可提高模具表面硬度、耐磨性、抗咬合性。因此，也可用于注塑玻璃纤维增强塑料的精密模具。
SM1（Y55CrNiMnMoV）和SM2（Y20CrNiALMnMo）是两种调质时效型塑料模具钢，具有良好的锻造性能和综合力学性能，容易进行切削加工，性能稳定、综合性能大大优于45钢。目前以广泛应用在电子、仪表、家电、玩具、日用品等塑料模具。
PCR（0Cr16NiCu3Nb）是一种新型的析出硬化不锈钢，淬火后获得单一的板条状马氏体，经时效处理后，可获得较好的综合力学性能和良好的耐腐蚀性。该钢作为耐蚀塑料模具钢广泛用于制作含氟、氯等具有腐蚀能力的塑料模具上，并且能获得光亮的塑件表面质量。
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参考文献：
[1]马新生，王保华．模具设计基础[M]．北京：北京邮电大学出版社，2012.5.
[2]模具实用技术丛书编委会. 模具材料与使用寿命[M]．北京：机械工业出版社，2000.4.
[3]张蓉，钱书琨．模具材料及表面工程技术[M]．北京：化学工业出版社，2008.
[4]谌玮，段兰兰．塑料模具失效分析与选用[J]．企业文化?中旬刊，2012，(8)：23-27.
[5]赵蓓蓓．初探塑料模具材料现状及发展方向[J]．科技资讯，2009，(34)：249-250.
[6]赵昌胜．PMS钢在精密复杂塑料模具中的应用及热处理[J]．模具制造，2013，(7)：87-89.
作者简介：任清海，男，1976年出生，硕士研究生，研究方向：注塑成型过程数值化计算及可视化，工程师，先后在企业高校从事模具设计制造10多年，开发过多套塑料模具，发表论文15篇，其中EI 8篇，中文核心5篇。