塑料模具的磨损机制与失效机理的分析

雷文斌

(甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

在以往的模具生产中，塑料模具使用很短的时间就会出现尺寸精度的不准确和表面粗糙度的下降，这样很容易造成塑料制品质量达不到规定的要求。塑料模具平时使用过程中，很多时候都是在很短的时间内就会出现尺寸精度和表面粗糙度遭到破坏，造成生产的塑料制品质量达不到要求的现象，从而给生产带来很大的经济损失。作者对塑料模具的使用企业进行了一段时间的深入调查和资料统计，分析出塑料模具表面粗糙度下降以及尺寸精度不准确的主要原因[1]：塑料模具往往在使用过程中会受到高温冲蚀和氧化，塑料模具在高温作用下以及表面在腐蚀性的固定颗粒冲刷，很容易遭到高温氧化的破坏，从而造成塑料模具的失效，并且这种失效是永久性和不可恢复性的，严重影响了塑料制品的质量。

1 塑料模具高温冲蚀

1.1 试验设备

作者在对使用塑料模具企业进行实验研究，主要的检测设备包括测试硬度的专用仪器，测试表面粗糙度的专用仪器，等离子的喷涂仪器，加工塑料模具表面的加工设备和处理金属材料的加工设备。

1.2 塑料模具试样(材料)的选取

作者选取了2Cr13、9Cr18Mo塑料模具钢作为研究对象，把这些材料与塑料模具作为对比进行试验。

1.3 试验方案

（1）进行冲蚀和氧化实验，把不同种类的塑料模具进行实验对比。

（2）采用等离子喷涂试验，对塑料模具的表面进行等离子喷涂试验。

（3）进行热处理试验，对塑料模具表面采用热处理加工。

（4）选取在不同工艺下的塑料模具进行使用对比试验。

2 氧化机理

根据实验研究得出，塑料模具的尺寸精度主要影响原因是高温冲蚀，而塑料模具表面粗糙度的主要影响原因有两点，一是高温的冲蚀，二是氧化反应。

2.1 氧化的物理模型

（1）表面氧化模型：从理论上来讲，当粒子在能量低时塑料模具表面的氧化物薄膜是不容易被破坏的，氧化动力学是决定塑料模具表面材料氧化变化的主要因素。这时，塑料模具表面的氧化层起到了一定的保护作用，没有出现冲蚀的现象。但是塑料模具表面的金属保护膜不断流失，氧化保护作用越来越小。如果这个时候，塑料模具表面的氧化物没有发生任何断裂，那么就会在很大程度上减少塑料模具表面的冲击力。因此，塑料模具表面的冲蚀率会有一定程度的下降[2]。

（2）塑脆流失模型：对于一些塑脆流失模型来讲，其表面大多存在一种复合层，这种复合层的氧化物温度是复合层中氧化物的体积分量。因此，塑料模具表面复合层的冲蚀现象也是塑性的，同时也是脆性的，这与塑料模具表面的氧化物含量有着密切的关系，如果氧化物含量很多，那么就是塑性的，如果只有很少的氧化物，那么就是脆性的。氧化皮在整个塑料模具的冲蚀过程中出现，也是脆性的，但是这种氧化皮与塑料模具表面的粘附不牢固。因此，脆性皮层是在达到临界厚度后再进行冲蚀流失的，这与表面氧化模型是不一样的[3]。

2.2 氧化的机制图

通过试验对塑料模具进行一定时间的高温冲蚀后，得出结构：很多塑料模具的表面由于高温冲蚀而造成破坏，其中有四种破坏的机制，分别是冲蚀为主、腐蚀促进冲蚀、腐蚀抑制冲蚀和腐蚀为主，塑料模具表面金属高温冲蚀中失重与环境温度的关系如图1。

图1 塑料模具表面高温冲蚀中材料失重与环境温度的关系

根据机制图还可以发现，在曲线上第二个以腐蚀为主的高温区域内，塑料模型随着环境稳定的上升，表面材料退化率增加了。

3 氧化的主要因素

3.1 温度的影响

在塑料模具表面材料中，对氧化影响很大的因素主要是温度。通过试验研究表明，环境的温度越高，塑料模型表面材料的冲蚀和氧化程度也就越强烈。在稳定达到一定程度后，冲蚀的破坏程度进一步加深。如果塑料模具表面材料的耐冲蚀度非常高，那么氧化程度也就越高，并且温度越高，氧化程度也就越剧烈，粒子流失率也随着增加[4]。

3.2 固体粒子冲击速度的影响

塑料模具表面在氧化过程中，氧气与一些其他的物质会在塑料模具的表面上产生一定程度的反应，这些反应会形成一种氧化膜，这种氧化膜如果形成了，就会阻止氧化破坏塑料模具表面，并且温度对于氧化的影响也在慢慢减小。因此，在塑料模具表面的反应速度和参加反应物成为了氧化的主要原因。

从塑料模具表面金属氧化动力学曲线可以得知五种规律，第一是直线，第二是立方，第三是抛物线，第四是对数，第五是反对数。

3.3 塑料模具材料的影响

塑料模具的材料是十分重要的，选用材料的性能主要包括材料本身的耐腐蚀性和抗氧化性。据有关部门研究得出，塑料模具的材料流失与温度关系非常大。随着模具材料的抗氧化能力不断增强，模具表面流失率也随着减小。对于某种铬钢来讲，通常情况下会在含氧气的地方氧化成一种新的物质（Cr2O3），但是塑料模具在一定的冲蚀条件下也会形成Cr2O3。并且随着铬含量的增高，就越容易形成Cr2O3保护层，Cr2O3保护层可以很好地保护塑料模具[5]。

4 提高塑料模具表面抗高温冲蚀

对于提高塑料模具表面抗高温冲蚀性，由于每种塑料模具材料都有自己的使用环境，不同的使用环境温度也各不一样。因此，塑料模具表面产生的冲蚀和氧化情况也完全不相同。

根据试验的结果得出：如果塑料模具材料中的铬含量越高，则其表面的抗氧化能力也就越强，抗冲蚀能力也越强。如果在塑料模具表面材料中添加金属Cr，那么就会实现对Cr的优先氧化，在氧化后会形成一层薄薄的氧化膜，这种氧化膜会减少冲蚀和氧化。并且随着铬含量的不断增加，塑料模具表面的材料流失方向也随高温的方向移动，因此能提高表面抗氧化和耐腐蚀的能力。

此外，如果对塑料模具表面进行合理的热处理也能提高抗氧化和耐腐蚀的能力。最后，采用塑料模具进行生产时，必须要进行合理的生产工艺，只有这样才能控制温度和塑料粒子的流动速度，这样能减少对塑料模具表面的冲击力，增强氧化能力，减少冲蚀和氧化现象对塑料模具表面的破坏。

［1］刘颖辉，张伟. 基于斯沃软件的注塑模具数控仿真加工实验开发[J]. 科技致富向导，2013(18)：28+55.

［2］龚肖新，芮延年. 塑料模具磨损机制的可行性研究[J]. 机械设计与制造，2010(08)：242～244.

［3］葛付存. 塑料模具的失效机理的原因分析[J]. 信息与电脑(理论版 )，2010(01)：42～43.