1. Tìm hiểu sự khác biệt giữa “sắt”, “thép” và “gang”
Trước khi nói về vật liệu thường dùng trong chế tạo khuôn mẫu, hãy hiểu sự khác biệt giữa “sắt”, “thép” và “gang”.
Sự khác biệt đó chính là lượng cacbon chứa trong vật liệu.
- Sắt (sắt tinh khiết): lượng cacbon rất ít, dưới 0,0218%
- Thép (steel): lượng cacbon dưới 2%
- Thép cacbon thấp (khoảng dưới 0,3% cacbon)
- Thép cacbon trung bình (khoảng 0,3 – 0,765% cacbon)
- Thép cacbon cao (trên 0,765% cacbon)
được phân thành 3 loại trên
- Gang: lượng cacbon trên 2%
Lượng cacbon chứa trong kim loại ảnh hưởng đến các tính chất cơ học như độ bền và độ cứng của vật liệu.
Nếu lượng cacbon nhiều thì vật liệu trở nên cứng hơn. Ngược lại, nếu cacbon ít thì vật liệu sẽ có độ dẻo dai (đàn hồi tốt) nhưng mềm hơn.
Thép được sử dụng rất rộng rãi, bởi nó có độ bền và độ dẻo dai. Ví dụ tiêu biểu là kiếm Nhật. Trong ngành ô tô, thép được dùng làm các chi tiết như trục khuỷu (crankshaft), vỏ tua bin (turbine case)…
Gang thì cứng nhưng giòn. Nó được chế tạo bằng phương pháp đúc (casting). Trong ô tô, gang được dùng làm block động cơ, nắp cống (manhole cover), van gang,…
2. Vật liệu thép thường dùng trong chế tạo khuôn mẫu
Vật liệu dùng cho khuôn nhựa thường là thép (steel).
Thép có các đặc tính:
- Độ đàn hồi cao
- Độ dẻo dai cao
- Độ bền động tốt
- Truyền nhiệt tốt
Nên rất thích hợp làm vật liệu cho khuôn mẫu.
Ngoài cacbon, thép còn được thêm các nguyên tố kim loại như:
- Crom (Cr)
- Molypden (Mo)
- Tungsten (W)
- Vanadi (V)
để cải thiện tính chất, gọi là thép hợp kim dụng cụ.
Vật liệu khuôn nhựa thường dùng các loại thép hoặc thép hợp kim dụng cụ sau:
- Thép azrolled: hệ SC, SCM
- Thép tiền luyện (pre-hardened): SC, SCM, SCM cải tiến, SUS, SKD61 cải tiến
- Thép tôi và tôi lại (hardened & tempered): SKD11 cải tiến, SUS
- Thép xử lý lão hóa (aged): Maraging steel, thép phi từ, SUS
Khi đặt làm khuôn, cần chỉ định loại vật liệu sử dụng.
Việc chọn vật liệu khuôn dựa trên các yếu tố:
- Độ bền bỉ (độ chịu mòn, độ bền)
- Khả năng chống ăn mòn
- Khả năng chống mài mòn
- Chi phí làm khuôn
Ngoài ra còn có thể chọn vật liệu thép khác nhau tùy theo loại vật liệu nhựa cần gia công. Dưới đây là vật liệu thép do MISUMI khuyến nghị theo loại nhựa:
| Loại nhựa | Ví dụ sản phẩm | Tính chất yêu cầu cho nhựa | Tính chất yêu cầu cho thép | Loại thép khuyến nghị |
|---|---|---|---|---|
| Nhựa nhiệt dẻo | PP, ABS | Kháng va đập | Dễ xử lý bề mặt | S50C, SCM440 |
| PS, PMMA, ABS | Đèn, vật dụng mỹ phẩm | Tính thẩm mỹ, dễ xử lý bề mặt | SKD61 tiền luyện | |
| POM, PA | Bánh răng, bạc đỡ | Chịu mài mòn | Chịu mài mòn | SKD61 tiền luyện |
| PC, PMMA | Ống dẫn sáng, thấu kính | Độ trong suốt, truyền sáng | Độ bóng bề mặt | SUS420J2 loại tăng cứng kết tủa |
| PC, PMMA | Đĩa CD, DVD | Truyền sáng, khúc xạ phức tạp | Độ bóng bề mặt, chống ăn mòn | SUS420J2 |
| PVC | Ống mưa | Chống cháy | Chống ăn mòn | SUS |
| ABS chống cháy | Tủ TV, linh kiện điện tử | Chống cháy | Chống ăn mòn | SUS420J2 tiền luyện |
| PBT-GF, PA-GF | Vỏ máy ảnh, linh kiện điện tử | Độ bền | Chịu mài mòn | SKD11 tiền luyện |
| PA có bột từ tính | Con lăn máy in, cảm biến | Khả năng tạo hình, tính từ | Phi từ, chịu mài mòn | Thép phi từ |
| Đúc magiê | Vỏ laptop, vỏ điện thoại | Độ bền, nhẹ | Chịu nhiệt, chịu mài mòn | Thép phi từ |
| Nhựa nhiệt cứng | Phenolic, melamine | Chịu nhiệt, chịu mài mòn | Chịu mài mòn | SKD11 tiền luyện |
| Phenolic, polyester không bão hòa | Công tắc, đầu nối | Chịu nhiệt, chống cháy, chịu mài mòn và ăn mòn | Chịu mài mòn, chống ăn mòn | SUS420J2, SKD11 |
| Epoxy | Đóng gói IC, transistor | Cách điện | Chịu mài mòn, chống ăn mòn | SUS420J2, SKD11 |
(Nguồn: trang web MISUMI)
https://jp.misumi-ec.com/tech-info/categories/plastic_mold_design/pl07/c0496.html
3. Về mold base và các bộ phận nhỏ (insert)
Kích thước và hình dạng khuôn sẽ được quyết định dựa theo sản phẩm cần gia công, tuy nhiên sẽ dùng các chi tiết tiêu chuẩn hóa ở mức độ nhất định.
Các chi tiết tiêu chuẩn này gọi là mold base (Đế khuôn).
Sử dụng mold base có sẵn trên thị trường giúp rút ngắn thời gian chế tạo và giảm chi phí khuôn. Phần lớn mold base sẽ được dùng cho toàn bộ khuôn ngoại trừ phần insert .
Do đó, vật liệu khuôn đắt tiền thường chỉ được dùng cho phần insert.
4. Các thương hiệu thép dùng cho khuôn nhựa
Thép dùng cho khuôn nhựa được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất khác nhau, mỗi hãng có thương hiệu riêng để sản xuất và bán. Ngay cả khi cùng tiêu chuẩn thép, đặc tính và phương pháp xử lý nhiệt cũng có thể khác nhau.
Hai loại thép thường dùng cho cavity (khoang) và core (lõi) của khuôn là thép tiền luyện (pre-hardened steel) và thép tôi và tôi lại (hardened & tempered steel).
Ngoài ra, thép không gỉ (stainless steel) cũng được sử dụng nhưng do là thép cứng nên thường dùng cho các khuôn yêu cầu độ bền và khả năng chống ăn mòn cao.
Các ký hiệu bắt đầu bằng SC, SK, SUS là tên gọi theo tiêu chuẩn JIS (Nhật Bản). Các nhà sản xuất thép sẽ có tên sản phẩm tương ứng với các mã này.
Danh sách các loại thép dùng cho khuôn
| Phân loại | Độ cứng khi sử dụng (HRC) | Tương đương JIS | Nhà sản xuất thép |
|---|---|---|---|
| Thép Azrolled | 13 | SC series | S50C, S55C |
| 13 | SCM series | SCM435, SCM440 | |
| Thép tiền luyện | 13 | SC series | KTSM2A, KTSM21, KTSM22, PXZ |
| AUK1, KPM1, KPMAX, SD17, SD18, SD18T | |||
| 28 | SCM series | KTSM31, PDS3, AUK11, SD61 | |
| 33 | SCM cải tiến | KTSM3M, HPM2, HPM7, PX5, PX7, PLMAX, IMPAX | |
| KPM30, SD70, SD100 | |||
| SUS series | HPM38, S-STAR, STAVAX, 420M | ||
| SUS series (dễ gia công) | HPM77, G-STAR, RAMAX-S | ||
| 40 | SCM cải tiến | HPM-MAGIC | |
| SKD61 cải tiến | FDAC, DH2F, ORVAR-S, AUD61, KAP90F | ||
| Loại tăng cứng kết tủa | HPM1, HPM-PRO, CENA1 | ||
| NAK55, NAK80 | KAP65, KAP88 | ||
| Thép tôi và tôi lại | 50 | SKD61 series | DAC, DHA1, ORVAR, SKD61, KDA |
| 56~62 | SKD11 series và khác | SLD, HPM31, DC11, PD613 | |
| AUD11, KD11, SKD11 cải tiến, SLD8, DC53, SLEIPNER, AUD15, KD21 | |||
| SKD12 series | RIGOR, KD12 | ||
| Thép không gỉ (inox) tiền luyện | 33 | SUS420J2 series | HPM38, S-STAR, STAVAX, 420M |
| SUS series (dễ gia công) | HPM77, G-STAR, RoyAlloy, RAMAX | ||
| 35 | SUS630 series | PSL, NAK101, U630 | |
| 40 | SUS630 series | PSL | |
| 52 | SUS420J2 series | HPM38, S-STAR, STAVAX, KSP1 | |
| 57 | SUS440C series | SUS440C, ZDP282 (bột), SUS440C DEX-P1 (bột), ELMAX (bột), KSP2 | |
| Thép xử lý lão hóa (aging steel) | 53 | YAG, MAS1C, KMS18-20 | |
| 43 | HPM75, NMS1 |
5.Lời kết
Việc lựa chọn vật liệu thép phù hợp cho khuôn nhựa đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo chất lượng, độ bền và hiệu suất sản xuất của khuôn. Sự khác biệt về thành phần cacbon và các nguyên tố hợp kim ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học như độ cứng, độ bền, độ dẻo dai và khả năng chống mài mòn, chống ăn mòn của vật liệu.
Thép tiền luyện và thép tôi luyện là hai nhóm vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong chế tạo cavity và core của khuôn, trong khi thép không gỉ được ưu tiên cho những ứng dụng đòi hỏi khả năng chống ăn mòn cao. Các nhà sản xuất thép lớn trên thế giới cũng cung cấp nhiều chủng loại thép với các thương hiệu riêng, đáp ứng đa dạng nhu cầu kỹ thuật khác nhau.
Bên cạnh đó, việc sử dụng các thành phần tiêu chuẩn hóa như mold base giúp tối ưu hóa chi phí và rút ngắn thời gian chế tạo khuôn, trong khi insert thường được làm từ vật liệu cao cấp hơn để đảm bảo hiệu quả sử dụng lâu dài.
Hiểu rõ đặc tính của từng loại vật liệu và lựa chọn hợp lý theo yêu cầu sản phẩm và môi trường làm việc sẽ giúp gia công khuôn đạt được hiệu quả cao nhất, đảm bảo sản phẩm nhựa có chất lượng tốt, tuổi thọ khuôn lâu dài và giảm thiểu chi phí sản xuất.
