模具选材教材

學習目標：一、使用參考資料查表下，能夠自己選用正確的模具材料。二、使用參考資料查表下，能夠正確說明腐蝕性模具所使用的模具材料。材料選用：模具材料的選用適當與否，不但會直接影響到模具壽命、精度、加工性、價值與成本等有很大之影響，而且也會影響到製成品的品質。近年來塑膠模具隨著各種塑膠成品的迫切需要，不但年年直線增加，而且在內容上也顯著地趨向於產量化，專業化以及精密化，為了達到模具品質的要求，除了模具在加工過程中之技術與設備為必備的條件外，對於模具所採用的材料也愈來愈有嚴格的要求。茲將模具材料的要求條件的種類、用法分述於後。在設計模具時，設計人員需先對目前市面上及廠內現有的模具材料，徹底的有所了解。模具所用的材料通常大部都是屬於金屬材料，所以在選用模具材料時應考慮到產品的壽命，所採用的樹脂、模具的構造、零件的設計、製造價格、成形品的外觀、物性、尺寸精度以及物理與化學性能等因素。茲將選用模具材料的幾個原則提供給大家作參考。一、機械加工性好銑削加工、研磨加工、放電加工等模具主要加工的加工性良好。二、耐摩耗性佳此為影響模具壽命及模具精度的主要因素。三、韌性好模具零件薄肉部分或受衝擊部分需具此特性。四、耐蝕性優視成形材料有些會產生腐蝕性氣體，故模具須能耐這些氣體。五、熱處理特性好熱處理變形要小。六、價廉具市埸性，能快速而便宜地購得。七、表面加工性良好研磨性好，容易獲得鏡面，刻字等加工性佳，且無組織不一、硬度不勻等缺點。樹脂種類及模具材料選擇之關係：樹脂所要求模具鋼料之特性，諸如耐磨損性、耐腐蝕性、鏡面特性或預硬化特性等等，必須事先予以明確化，以便能夠適當地選用各種鋼材。模具鋼材之基本特性，基本上以耐磨損性材料、耐腐蝕性材料、鏡面拋光型材料以及預硬鋼材等分類。下列敘述其特徵及其改良等級鋼材之情形。一、耐磨損性鋼材針對一些混有玻璃纖維(glassfiber)或金屬粉末之強化型樹脂，其模具必須要求使用高強度及耐磨損性之材料。以前多使用SKD11等類似之材料，要求的是極小限度的熱處理變形量，現在，漸漸地被HPM31等鋼材所代替。請翻至下頁表一樹脂用模具鋼材依用途之選用基準用途代表的樹脂以及製品模具鋼材之要求特性適用之鋼材種類一般熱可塑性，熱硬化性樹脂一般聚醛樹脂耐隆類ABS電氣零件齒輪，軸承機械零件散熱器柵板高強度+耐磨損性HPM2HPM1FDAC以需求而定DACHPM31PP(聚丙烯)電扇用葉片基座紋理ABS汽車用內裝飾板音響器材護蓋上述+蝕紋加工性HPM2,HPM1精密飾紋用HPM17,HPM50透明物壓克力樹汽車尾燈上述+高級拋光加工性HPM17,HPM50HPM38(高級拋光)HPM1(一般拋光)混入玻璃纖維可塑性，熱硬化性樹脂熱可塑性PE(聚乙烯)ABSPC電子零件汽車用內裝飾板電動工具外殼高度之耐磨損性HPM1DACSLD熱硬化性碳酸樹脂尿素樹脂氮化石灰樹脂齒輪類，電氣零件餐具化粧品UL規格用(添加難燃劑型等)ABC聚苯乙烯電視機外殼，陰極射線管覆蓋音響器材基板適度之強度+耐蝕性HPM38PVC聚氯乙烯電話器，漏水管，絕緣管，接頭耐蝕性HPM38請翻至下頁二、耐腐蝕性聚氯乙烯類(polyvinylchloride)、難燃樹脂、氟素樹脂、發泡樹脂等，均要求模具鋼材的耐腐蝕性。三、鏡面加工特性光學用塑膠鏡片，大形透明覆蓋零件類以及彩色樹脂用於表現鮮明色色彩之射出成形時，都需要高度的鏡面加工特性。這種鋼材首先要求的必要條件是不允許發生氣泡的特性，因此鏡面加工用鋼料，通常多係樹脂成形用專用鋼材，而且係採用特殊溶解法製造而成。四、預硬化型鋼料預硬鋼（調質鋼），在模具直接加工後即可使用，可以避免因熱處理時所發生的一切困擾。而且由於硬度分佈均一之故，鏡面加工及蝕紋加工時不容易發生不均之現象。五、非磁性用磁性塑膠(成形時，由於射出成形作業中磁場對模具鋼料之影響，因此應選用非磁性特性之鋼料為宜，適當之鋼料有YHD50(HRC42-47)、(SUS304+氮化)等良好的非磁性及高耐磨損性。蝕刻加工所必要使用的鋼材施以蝕紋加工的製成品，從汽車到家電、化粧品、其他塑廣泛地被使用著。所使用的模具也由超大型至小型等種類繁多。此類蝕紋加工所使用鋼材的必要條件乃在於一品質的表面加工特性。蝕紋的加工原理，乃是利用化學葯品，因浸蝕作用而使模具表面產生各種花紋的飾樣。浸蝕程度所引起飾紋之不同，可依飾紋樣板來決定，通常可分類為一般飾紋、皮革飾紋、精密飾紋等。蝕刻加工用的鋼材特性條件有：一、良好的淬火特性，可以獲得由外至內均一的熱處理硬度。二、鋼材中所含一次析出碳化物粒子應當分布均勻且細小。三、鋼材中偏析存在的非金屬介在物成分應保持最低限度，亦即鋼料應採用特殊溶解法之製造材料。鋼料中應不存有快削之元素。或是調節快削成分元素及各合金成分之含請翻至下頁請翻至下頁量，以使快削之特性消失時亦可。需要耐蝕性之模具所必須使用之鋼材：聚氯乙烯樹脂以及家庭電器製品所使用的難燃性樹脂，或密合墊、電線絕緣套等所使用的氟素樹脂，或其它發泡性樹脂原料等等。塑料在射出成形時，常引發腐蝕性之氣體，都屬於易於在成型中引發腐蝕氣體的樹脂原料。這些樹脂原料所使用的模具腐蝕問題，便自然而然地發生了。耐腐蝕最好的對策是使用不銹鋼料。最近則除了耐蝕性之外，更結合了耐磨損性、熱處理變形防止特性等考慮因素。要求鏡面加工時必要使用之模具鋼材：光學用塑膠鏡片、大型透明覆蓋等必須具備透明特性的樹脂以及化粧品盒等使用具備色彩之樹脂等，都必須使用一些能夠加工得到鮮明表面或高度鏡面加工特性，再兼具適當的機械特性等模具鋼材。一、不利於鏡面加工特性之各種因素(一)非金屬性介在物因特殊溶解法所製成鋼料中所存在的矽酸鹽、鋁、硫化錳等化學物都會給與鏡面加工特性不利之影響。改善之方法，可改用真空溶解法等特殊法來製造鋼料。(二)因熱處理而變為粗劣之組織及氣孔淬火用之鋼材，在加熱至淬火必要溫度以上而施以淬火冷卻時，即產生晶粒之粗化，而使組織形成粗大劣化之現象。使用這種熱處理後之鋼料，施以鏡面加工時，極可能產生縐紋狀等略為起伏狀態之表面。此時，若再加以熱處理產生脫碳時，則在施加鏡面加工時，將會發現氣孔現象。脫碳氣孔將分布於拋光之全體加工之鏡面上，無纖維狀態是其特徵之一。(三)淬火組織之變化S50C、SCM3級之鋼料於淬火後，在鋼材表層及內部組織之間，有相當之差異的硬度分布狀態，因此很難在研磨時獲得均一之鏡面特性如圖３所示。這種現象與特殊鋼料所不同的是，由於淬火性較差之故，使得鋼材心部（中心部）極易產生肥粒鐵及層狀的波來鐵之故。二、鏡面加工特性及材料鏡面加工特性，原則上雖然受到合金元素成分的多寡及模具鋼材硬度之影響，但基本上被施以高硬度處理之鋼材，較易達到鏡面性提高的要求。鏡面特性之分辨可以由圖４中，容易地加工區別，其中最佳鏡面特請翻至下頁請翻至下頁請翻至下頁性的鋼材YAG，在光學鏡片的使用上最具備優良的性能。其次是，使用在泛用塑膠鏡片或影碟機，或光碟(雷射)唱盤中等高級鏡面需求的產品模具上的HPM38亦是極為優秀的鋼料。圖4HPM系列鋼材的鏡面加工特性區分三、機械性質及材料何謂具備快削性的模具用鋼材：近年來由於塑膠模具已逐漸應用在類似汽車、家電器具、事務機器等大型製品上，因此在需求增加而導致模具鋼材，除了要求縮短進貨期限以外，並要求減少熱處理上的工時，結果導致預硬鋼材的大量使用。但是如果使用現有普通構造用鋼時，當施以預先硬化熱理而達到HRC30~40以上時，則必大大地減少低其被削性，結果導致加工工時的提高。鋼料表面處理之種類及其特性：隨著最近樹脂材本身高強度化、耐熱化等特性長足的進步，模具鋼料則更被要求比以往更高的耐磨性、耐蝕性，但是。由於要在耐磨性及耐蝕性達到兩全其美的境界，仍舊非常困難之故，最終的作法，只好依靠合併使用表面處理的方法。很幸運的是，最近的表面處理技術顯示飛躍的進步，種種表面處理上的技術問題，如耐磨性、耐蝕性、耐氧化性、密著性、因表面處理加熱引起的變形、耐燒焦性、耐疲勞強度等已逐漸地被解決。表五顯示表面處理法之種類，碳化物皮膜鍍膜處理法之比較，表面處理之硬及硬化深度等表面處理方法之特性比較.光學鏡片高靭性用耐蝕用鏡面用HPM17HPM2HPM1HPM50HPM31HPM38YAG耐磨損用精密熱處理用汽車家電用品一般模具鏡面用精密飾紋用33405060#14000800030001000鏡面加工(砂粒編號)硬度(HRC)請翻至下頁請翻至下頁表五表面熱處理的方法分類表面處理法供給物形成層化學的方法廣散滲碳固體滲碳、氣體滲碳、離子滲碳、氯酸鹽滲碳、真空滲碳。C碳化物+擴散層氮化氣體氮化、氣體軟氮化、氯酸鹽化、離子氮化。N氮化物+擴散層滲碳S硫化物滲硫氮化硫化法S+N硫化物+氮化物水蒸氣處理O氧化物滲硼滲矽滲鋁滲鉻粉末法，塗附法溶融氯化鹽浸漬，溶融氯化鹽電解BSiAlCr硼擴散層矽擴散層鋁擴散層鉻固溶體溶融氯酸鹽法(厚膜)(TD程序)金屬碳化物物理的方法蒸著化學蒸著(CVD)金屬鹽碳酸氣+氮氣氧氣碳化物氮化物氧化物電鍍電氣鍍膜，無電解鍍膜金屬電鍍金屬層蒸著真空蒸著噴射法離子鍍膜(PVD)活性化反應蒸著反應性噴射高週波噴射RF離子鍍膜HCD離子鍍膜金屬碳酸氣+氮氣氧氣碳化物氮化物氧化物放電硬化浸透處理WCWC+擴散層溶射氣體溶射、電弧溶射、電氣溶線溶射、粉未溶射。金屬、碳化物、氧化物金屬、碳化物、氧化物鍍金金屬混合物離子注入金屬合金層表面熱處理高週波淬火、火焰淬火、電射淬火硬化層一、表面處理方法之種類現在，較被採用於塑膠模具上鋼材的表面處理方法以屬於擴散法的氮化表面處理，及溶融鹼性槽浸透法為主。其他如物理的蒸著鍍模之PVD法及化學蒸著鍍膜的CVD法也漸漸被採用。二、碳化物皮膜處理法之比較溶融氯化鹽法，CVD，PVD之表面皮膜處理法之比較如表７所示。三、表面處理之硬度及硬化深度基本上使用浸透處理法所得到的多為較低硬度之表面。但是硬化深度卻較深。相反的，蒸著處理法之硬度較高，但硬化深度卻較淺。（如圖６）四表面處理方法之比較塑模鋼材表面處理之結論如表七敘述一般，對於需要良好耐磨損，耐腐蝕等塑膠模具，以碳化物被覆的處理法較為適當，而一般耐磨損，一般耐腐蝕的塑膠模具來說則可以使用通常採用的氮化表面處理法。表七碳化物被覆處理法之比較溶融鹽法CVDPVD方法處理溫度800~1100C800~1100C600C以下處理時間2~8hr1~3hr約1hr被覆物質VC，NbC，37CCrBFe2，Fe-Cr碳化物、氮化物氧化物、硼化物碳化物、氮化物氧化物、硼化物被處理材形狀複雜形狀可複雜形狀可對蒸發源言，陰極部份無法產生著之作兼用化學成分銅(0.3%C以上)低融點物質不同玻璃、非鐵等均可後處理可處理並同時淬火，高速鋼要再淬火再回火。必須再淬火再回火(工具鋼使用時)高速鋼處理後即可使用。不必高溫回火(500C以上)之鋼種需要再淬火再回火。變形小徑材5大徑材10(有熱理處變形)3~5(有熱處理變形)很少被覆模特性膜厚數~10數數~數mm程度A~數硬度HV1000以上(依鍍膜物質而不同)HV1000以上(依鍍膜物質而不同)HV1000以上(依鍍膜物質而不同)密著性良好(有擴散層)良好(有擴散層)密著性仍有不安定之現象請翻至下頁請翻至下頁對於精密耐磨損，耐蝕型的塑膠模具，可以使用PVD表面處理方法，但是對於一些在射出成形時局部感受大熱量之沖擊時的大型模具，由於模具構造複雜之故，於鎖模時，在合模線上極易產生偏負載而發生應力集中的現象。此種狀況，以使用浸透處理法或CVD方法較佳。圖６各種表面處理法之硬度及硬化深度之關係表八各種表面處理方法之特性比較處理法特性氮化碳化物被覆浸硼電鍍鉻浸透溶融鹽CVDPVD耐磨損性~~耐燒焦性~~~靭性疲勞強度~~~耐熱性~~~耐蝕性~耐剝離性熱處理變形形狀、大小之限制(最佳，良好、普通、不佳)00.20.44000300020001000PN1碳