模具材料特性及模具设计－金属粉末／陶瓷

DIN 7710 Plastic成形品尺寸公差规格 射出(Injection)成形品 单位：mm 尺寸范围级别6以下6～1818～3030～5050～8080～120120～180180～350 粗级±0．1±0．1±0．15±0．25±0．4±0．6±0．9±1．2 精密级±0．05±0．08±0．10±0．15±0．20±0．30±0．40±0．60 压缩(Compression)成形品(包含Transler成形品) 　尺寸范围级别6以下6～1818～3030～5050～8080～120120～180180～250250～315315～400400～500 粗级±0．2±0．3±0．4±0．5±0．6±0．8±1±1．3±1．6±2±2．5 中级±0．1±0．1±0．15±0．2±0．3±0．4±0．5±0．7±0．9±1．2±1．5 精密级 ±0．05±0．06±0．08 推孔加三中心间隔10．0 ±0．10±0．15±0．20±0．30±0．40±0．50±0．60±0．80 射出成形品的一般公差 尺寸范围一　般以孔为准之孔以轴为准之轴 10以下±0．1+0．15-0+0-0．2 10～30±0．15+0．2-0+0-0．25 30～50±0．2+0．3-0+0-0．3 50～80±0．3+0．4-0+0-0．4 80～120±0．4+0．5-0+0-0．5 120以上±0．5+0．6-0+0-0．6 钢铁尺寸公差规定 Ｍ切削加工之普通尺寸公差 单位：mm 公称尺寸 尺寸公差 精级中级精级 1以上4以下±0．05±0．1±0．3 4以上16以下±0．07±0．2±0．5 16以上63以下±0．1±0．3±0．7 63以上250以下±0．2±0．5±1．2 250以上1000以下±0．3±0．8±2．0 1000以上2000以下±0．4±1．0±3．0 本中心图面尺寸公差规定如下： a．有注明公差者，请按公差制造。 b．未注明公差者，分述如下： 成品部(Cavity or core)将现制品精度要求，由小数点以下位数来决定，并在图面右下角注明之。 〔例〕 　　无小数点：±0．1 　　小数点一位：0．05 　　小数点二位：0．02 其它模座固定板等未注明公差者，将按照JIS切削加工之普通尺寸公差中线规定如上表，并在右下再注明。 各部零件公差之配合 单位：mm 适合部品基准孔斜　梢导　柱导衬套注口衬套心　　型导　柱(滑动处)面　梢滑　块 　　簪记号尺寸H7P7K7g7f7e7 3以下+0．009-0+0．016+0．008+0．010+0．0-0．002-0．012-0．006 -0．016-0．014-0．024 3～6+0．012-0+0．024+0．012+0．013+0．001-0．004-0．016-0．010 -0．022-0．020-0．032 6～10+0．015-0+0．030+0．015+0．016+0．001-0．005-0．020-0．01 3-0．028-0．025-0．040 10～18+0．018-0+0．036+0．018+0．019+0．000-0．006-0．024-0．0 16-0．034-0．032-0．050 18～30+0．021-0+0．043+0．022+0．023+0．002-0．007-0．028-0．0 20-0．041-0．040-0．061 30～50+0．025-0+0．051+0．025+0．027+0．002-0．009-0．034-0．0 25-0．050-0．050-0．075 50～80+0．030-0+0．062+0．032+0．032+0．002-0．010-0．040-0．0 30-0．060-0．060-0．090 80～120+0．035-0+0．072+0．037+0．038+0．003-0．012-0．047-0． 036-0．071-0．072-0．107 120～180+0．040-0+0．083+0．043+0．043+0．003-0．014-0．054-0 ．043-0．083-0．085-0．125 180～250+0．046-0+0．096+0．050+0．050+0．004-0．015-0．061-0 ．050-0．096-0．100-0．143 250～315+0．052-0+0．108+0．056+0．056+0．004-0．017-0．069-0 ．056-0．108-0．110-0．162 315～400+0．057-0+0．119+0．062+0．061+0．004-0．018-0．076-0 ．062-0．120-0．125-0．182 400～500+0．063-0+0．131+0．068+0．068+0．005-0．020-0．083-0 ．068-0．131-0．135-0．198 500～630+0．070-0-0．022-0．092-0．145-0．215 630～800+0．080-0-0．024-0．105-0．160-0．240 800～1000+0．090-0-0．026-0．116-0．170-0．260 1000～1250+0．105-0-0．028-0．133-0．195-0．300 1250～1600+0．125-0-0．030-0．155-0．220-0．345 1600～2000+0．150-0-0．032-0．182-0．240-0．390 2000～2500+0．175-0-0．034-0．209-0．260-0．435 2500～3150+0．210-0-0．038-0．248-0．290-0．500 资料来源：日本岐阜精机 塑料模用模具材料 　　模具材料的选用是否适宜，对模具的寿命、精度、加工性、价值等有很大的影响。故模具材料的选用一般均依照下列原则： 容易取得。 机械加工性良好。 表面加工性良好。 强度、韧性和耐磨性大。 无针孔和沉淀杂质等内部缺陷。 ）可焊接性。 〉热处理容易、热变形少。 》耐热性好、热膨胀系数低。 种类及特性 　　模具材料的种类很多，在此先将常用的几种材料作一简介。 一般构造用辊轧钢材(SS) 　　一般构造用辊轧钢材SS41、SS50，价廉而容易取得，但质软多针孔，因此用于不需强度、硬度的零件，不适用于模板材料。 机械构造用碳钢(SC、SCK) 　　机械构造用碳钢S25C、S50C、S55C等，价廉而容易取得，加工性也好。S25C用于模具的承板、定位环、竖浇道、衬套、止动螺栓、支持件等，而少用于模板。S50C、S55C原则上回火到硬度9～22HRC，以增其加工性，为标准的模板材料。 　　S9CK、S15CK的含碳量少，因而质软，所以需作表面渗碳，淬火成HRC45～59的硬度来使用。 碳工具钢(SK) 　　碳工具钢有SK3、SK5、SK7等，含碳量为0．6%以上的高碳钢，其淬火硬度是SK3、SK5为HRC50～60，SK7为HRC50～55，H此类钢材耐磨耗性优良，且为较价宜的工具钢，用于有滑动部份需高硬度和耐磨耗性的零件，如导销、衬套、顶出销、复归销等。 合金工具钢(SKS、SKD) 　　常用的合金工具钢有SKS2、SKS3、SKD11、SKD61等。SKS2与SKS3是碳工具钢加铬、钨增加淬火性、耐磨耗性，用于特别要求硬度与耐磨性的成形模板，其硬度HRC55～60。SKD11、SKD61是添加钒取代SKS的钨，其淬火性与耐磨耗性优于SKS，且淬火应变小，其硬度SKD11为HRC55～60，SKD61为HRC45～51，但SKD61的耐热性、韧性都优于SKD11。 高速钢(SNC) 　　此处的高速钢是指SKC2与SNC3的镍铬钢，系为碳钢加镍和铬，增其韧性与淬火性，回火硬度为22～30HRC，用于成形模板。 镍铬钼钢(SNCM) 　　镍铬钼钢SNCM2是淬火性，耐磨性耗性均好，尤其是强度、韧性特别好的钢材，其用途与高速钢相同。 铬钼钢(SCM) 　　铬钼钢SCM3、SCM4是碳钢加铬，钼的构造用钢，其强度、韧性优于碳钢，其价格较SNC及SNCM便宜。 铝铬钼钢(SACM) 　　铝铬钼钢SACM1经氮化处理(氮化层硬度为HRC67)耐磨耗性很高，用于要求硬度和耐磨耗性的滑动部份，如顶出销等，钢材本身硬度为HRC20～30。 轴承用高碳铬钢(SUJ) 　　轴承用高碳铬钢SUJ2为轴承用的钢材，耐磨耗性、淬火性均良好，其硬度为HRC55～60，用于滑动部份需有相当的硬度和耐耗性。 （图1）正常化图解 （图2）退火之图解 不锈钢(SUS) 　　如PVC的塑料，需用耐蚀性高的模具材料，可以增加铬量，减少碳量的耐蚀性不锈钢SUS来制造。 .11铍铜合金 　　含铍2．5%，含铜97．5%的铍铜合金，常用来制作形状复杂的公模或母模。其制作的方法是将熔融的合金注入模型内，然后一直加以压力直到冷却为止。 　　表一为塑料模各构件最广泛应用之材料，及其热处理状态及使用之硬度。表二为构造用的合金钢的化学成份及机械性质。表三为表二所列的模具材料的的特性、用途及使用的场合，此三表可供学习查考，以选取最适用的模材。 热处理 　　钢材经适当的热处理可显著增加硬度、强度、韧度、耐磨耗性等机械性质。施行电镀作表面处理，模具精度提高、表面光亮，使脱模更顺利，成品表面光度增加。因此欲模具寿命延长、品质提升，除了事先预选适当的模具材料外，对于加工后，模具的热处理方法的选定也极其重要，以下分点说明。 正常化 　　此项热处理旨在消除铸造、锻造、辊轧等高温高压处理所产生的粗晶组织，并将加工所生的内部应力消除。其方法为将工作加热到变态点AC3或ACm点以上30°～50℃的温度后，使之在空气中自然冷却，如图1所示。使用大型构造用钢，在材料经锻造成模型后，再施以正常化处理。 退火 　　退火是为了使钢料软化，调整结晶组织，除去内部应力。其方法为加热到AC3或AC1变态点以上30°～50℃，保持适当时间后，在炉中或灰中冷却，如图2所示。模具材料退火处理有两种方式。 消除应力退火 　　目的在除去加工所引起的内部应力。适用于粗切削、中切削或需淬火的模具零件。因淬火时麻田散铁变态所生的应力将加大，除非先行实施退火消除内部应力，否则将造成巨大的应变，而致淬火罅裂、翘曲。即使不淬火的零件，若经大量粗重切削，不经此项处理的话，也将因加工应力的残存，而终致尺寸的精度改变或发生翘曲。 球状化退火 　　目的在改善加工性，增加韧性，防止淬火罅裂，使钢中的碳化物变成球状组织。 淬火 　　淬火的目的是为了将钢硬化、增加强度。其方法为钢材加热到AC3或AC1变态点以上约30°～50℃，保持适当时间后，使它在淬火液中急速冷却，而产生高硬度的麻田散铁组织，如图3所示。模具零件常用的淬火方法有下列三种。 （图3）淬火之图解 普通淬火 　　加热到变态点以上的温度后，在水或油中急冷以得麻田散铁组织。此方法，加热必需防止过热及氧化脱碳的现象发生。对于壁厚不均的模具，将会有加热不均匀。由于各部份的度差发生热膨胀差，致影响变态点，引起变态差，而致淬火罅裂。因此为了达到均匀加热，最好用盐浴或惰性气炉。 　　氧化、脱碳之防止可采用盐浴炉或可调整的隋性气炉。热处理变形的防止，宜使用淬火温度低，自硬性大，有气冷程度的淬火钢。含大量铬、镍的合金钢、高速钢具有此一空气中冷却而硬化的特性，对于加工后再行热处理的模具、精度、形状能保持而不致变形，精密度失掉。 麻淬火(marquenching) 　　如图4所示，将待处理的材料加热到淬火温度后，投入于温度为Ms点(冷却时由沃斯田铁转变为麻田散铁的开始温度)的热盐浴中，待材料的温度成为均一后，取出气冷，缓慢引起麻田散铁变态、材质变硬，不致发生淬火应力及罅裂，最后再施行回火处理。 麻回火(martempering) 　　如图5所示，将材料加热到淬火温度后，投入于温度为Ms点及Mf点(冷却时由沃斯田铁转变为麻田散铁的终了温度)间的热盐浴内淬火(100～200℃)，长时间保存恒温，直到变态终了，然后空冷。利用此法淬火者，麻田散铁自行回火，淬火应力消除，冲击值得以提高，韧性较回火处理者强。工业界一般皆不等待到恒温变态终了，即行捞出，如图标，而后段则采气冷回火。 回火 　　淬火后的钢虽然强度大硬度高，但是很脆。假如淬火钢加热到A1变态点以下的适当温度时，不但可以除去淬火钢的内部应力，又能调节硬度得到适当的强韧性，这种处理叫回火。依照回火之目的，可分为低温回火与高温回火两种。 低温回火 　　适用于淬火硬度需要相当高的情况下，将高碳钢加热于温度约200℃的低温，目的应于消除淬火所产生的内部应力。残留的沃斯田铁组织不易产生变化，可维持相当高的硬度。 高温回火 　　适用于构造用钢，将其加热在温度500℃～600℃之间使其组织变为有韧性的糙斑铁。此时可兼顾钢材的韧度和硬度。 （图4）麻淬火之图解 （图5）麻回火之图解 （图6）回火与机械性能之变化 　　图6为含碳量为0．45%的中碳钢，在不同回火温度下的机械性质。 　　对于施行一次回火，不能得到满意的机械性质的钢料如高合金钢及高速钢，可施行2～3次的返复回火。 表面处理 　　表面处理是指以加热或化学处理的方法，使钢料表面增加硬度到达某一深度。其方法有渗碳、高周波及火焰淬火、氮化及电镀。分别叙述如下。 渗透淬火 　　低碳钢或表面淬火钢(低镍钢、低镍铬钢等低碳合金钢)在适当的渗碳剂中加热，使表面起渗碳到某一深度，使成高碳的状态的表面硬化法。在渗碳剂中以850～900℃加热8～10小时，则钢料表面起渗碳约2mm的深度。渗碳完后再施以淬火处理，使渗碳部份硬化。若有不想渗碳的部份，可预先镀铜以防止。一般渗碳剂可分为固体渗碳、气体渗碳与液体渗碳等三种。 固体渗碳的渗碳剂使用木炭、焦炭等固体。以木炭粉为主，加入20～30%的碳酸钡、碳酸钠等促进剂。 气体渗碳的渗碳剂为气体，主要为一氧化碳或甲烷碳化氢，渗碳浓度容易调节，可使渗碳均匀。渗碳能力大，不只表面，连心部也可均匀渗碳。 液体渗碳的渗碳剂为溶融的氰化物，将钢加热到AC1变态点以上而渗碳。通常薄层硬化是浓度较高的氰化钠盐浴中作低温(850～900℃)处理，而厚层硬化以浓度较低的氰化钠盐浴作高温(900～950℃)的处理。 高周波硬化 　　藉高周波感应电流将钢料表面急热，在到达淬火温度后，用适当的冷却剂急冷，称为高周波淬火。主要用于需具强韧及耐磨耗的机械性质的模具零件，如导销、复归销、斜销等等。含碳量0．4～0．5%的碳钢，或合金钢皆适用于本方法。 火焰淬火 　　以氧气-乙炔火焰将钢料表面急速加热到淬火温度，再以水急速冷却而使表面硬化。本方法的特色在于只将外周表面淬火硬化，因此淬火应变小，可应用于各种形状及大小的钢制品。淬火方法大致分别有两种。 全面同时淬火法 　　适用于较小面积的处理。全面同时加热，然后对此加热到淬火温度的面进行冷却以硬化之。 移动淬火法 　　大面积不适宜用全面同时淬火法，乃改用顺序移动加热及冷却的组合吹管，以行加温冷却全面积。也可应用于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，延长模具寿命。 氮化 　　氮化是在氨气或含氨的媒体中加热，增加氮含量而将钢表面硬化的方法。加热温度高时，硬度减低，但氮化深度加深。氯化时间取决于所需氮化深度，大约是50小时0．5mm，标准是100小时0．7mm。镀锡或镀镍的部份，可以防止氮化。 　　氮化用钢，其标准成份大约是碳0．35～0．45%、铝1．0～1．3%、铬1．3～1．8%、钼0．5%以下，此时的氮化温度500～500℃，表面硬度为HRC67～70，为一非常硬的氮化层。 　　氮化法依其媒剂可分为气氮化、液体氮化、软氮化(低温盐浴氮化法)。 气体氮化法 　　被处理的料件装于氮化箱内，放入于炉中，通入氨气，温度为500～550℃左右，氮化时间为50～100小时。此种方法为低温处理，使热处理变形接近于无。 液体氮化法 　　液体氮化法与液体渗碳法之不同点，在于本法是在AC1变态点以下加温而渗碳法却在AC1以上，且本法所用之盐浴含较高的氮量而较少的碳量。将氰化钠盐与氰酸盐和碳酸盐适当混合，加温到560℃，将料浸入约2～3小时，即可形成薄层的氮化层，可增耐磨耗性，防止烧焦及耐疲劳性。 软氮化法 　　此种方法使用于氰化钾(KCN)等的盐浴槽中，温度在520～570℃的低温。其处理与液体渗碳法相同，唯温度较低，且其硬度约只为气体渗氮的一半，故称为软氮法。氮化时间较气体氮化法为低，约1～2小时。此种方法处理的低碳钢、中碳钢其硬度增加有限，约可达到HRC53～59。但其耐磨耗性与耐疲劳性显著增加。 离子氮化法(Iron-Nite) 　　为了改进气体氮化法(硬氮化)，处理时间长、效率低，最外层的氮化物很脆等缺点。德国的Berkard berghaus发明离子氮化法。离子氮化法首先企业化的是西德的Klockner． Ionon． Gmbh。其方法是将待处理的工作装入电氮化炉内(图7)，首先将炉内排气至10-2～10-3T后导入N2气体(或N2+H2混合气体)，使炉内保持所需要之处理气压(通常10-4～10Torr)。以炉本体作正极，处理工作作负极，将两极间施加500V～1000V的直流电压，炉气便因辉光放电而电离化(即气体被离子化而成正离子向负极的处理工作表面冲击)，处理工作表面受到加热，同时氮化也因此而进行。 （图7）离子氮化装置构成概略图 （图8）离子氮化之处理循环 　　处理温度与一般的氮化温度一样，通常在480℃～570℃的温度范围内。温度的控制系以辐射高温计测定温度而以电流值控制之，表面氮气浓度可改变炉内充填的混合气体(N2+H2)的分压比而调整之。参图8离子氮化之处理循环。 　　参图9，可知硬化的反应程序，是由于在正负两极间的高电压，会使氮气炉产生辉光放电，在 （图9）离子氮化之反应程序 （图10）离子氮化处理后各种材料的硬度分布曲线 图10(续) 电离气中生成之氮离子便向工作表面快速冲撞，动能转变成热能，造成温度上升。这时由于对氮离子的冲击及飞溅(spattering)，所产生的排斥作用，Fe、C、O等元素由工作表面被打出来，飞散出来的Fe在放电的电离子中与N离子结合而形成Fe-N的氮化铁。Fe-N的氮化铁由于附着作用而附着于表面上，N便向最外层扩散侵入。即最外层的化合物层由于扩散顺序发生FeN→Fe2N→Fe3N→Fe4N等组织变化而产生氮化作用。最外层由离子冲击作用Fe不断地飞散出来继续形成氮化物，成为氮气供应的输送源而促进氮化的进行。 　　离子氮化的特点为处理温度低，处理的工件变形小又无公害问题，为最新最进步的表面硬化法。其可处理的材料除了碳钢、模具钢、工具钢、氮化钢、合金钢、高速钢外，过去认为难以处理的不锈钢、钛、钴等利用本法已能实施良好的表面硬化。参图10可知经过I．N．处理的材料，可得到极高的表面硬度，并可获致极优良的耐磨耗性、耐疲劳性、耐蚀性及耐剥离性。 电镀 　　电镀是在模具表面被覆其它金属，以增加表面光度、提高表面硬度，增强耐蚀性的表面处理，以下分述之。 镀硬铬 　　将模具欲镀的部份浸入于无水铬酸为主的电解液中，通以电流，铬析出而附着于模具表面。镀层比普通镀层厚，约0．01～0．02mm，硬度HRC67～70。使用本处理增进下列优点。罅脱模良好。镀硬铬表面光滑如镜，脱模非常顺利。 舐镀层表面硬，耐磨耗性佳，不易刮伤，硬度高达HRC67～70。 竺对盐酸、稀硫酸以外的化学品有良好的耐蚀性。 竽镀铬面有精美的光辉，模具凹穴经此处理，所射出的成品也能具备精美的光泽，提 升产品价值。 无电解镀镍 　　此法不经电解作用，不像上法，乃纯粹的化学方法施行镀着。镀着经由附着于模具上的触媒剂的作用，使镍被还原，而形成表面镀着层。此种镀着的特性为： 罅不致发生电镀的镀层厚度差，为一较均匀的镀着法。 舐表面不生针孔，光滑而硬。镀层硬度HRC49，经热处理更可提高HRC64～67。 竺密着性良好，不易剥离。 竽耐蚀性良好。