2.11 การเลือกใช้วัสดุทำแม่พิมพ์
การออกแบบแม่พิมพ์ฉีดนอกจากการกำหนดขนาดและรูปทรงของชิ้นส่วนต่าง ๆ เพื่อให้แม่พิมพ์สามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพแล้วยังต้องพิจารณาถึงความแข็งแรงของแม่พิมพ์และชิ้นส่วนอื่น ๆ ความคงทนต่อการเสียดสีเพื่อให้แม่พิมพ์มีอายุการใช้งานได้นาน สามารถผลิตชิ้นงานได้มากตามจำนวนที่ต้องการผลิต ทนต่อปฏิกิริยาเคมีที่เกิดจากพลาสติกบางชนิดได้ สามารถตัดเฉือนขึ้นรูปได้ง่ายสามารถชุบแข็งได้และภายหลังการชุบแข็งมีการเปลี่ยนรูปน้อย มีการขยายตัวน้อยเมื่อได้รับความร้อนเพื่อให้ได้ขนาดและรูปทรงของชิ้นงานอยู่ในพิกัดที่กำหนด อีกทั้งราคาของแม่พิมพ์ก็ต้องพิจารณาถึงด้วย สิ่งเหล่านี้เป็นสิ่งจำเป็นที่จะต้องนำมาพิจารณาก่อนเพื่อให้สามารถเลือกใช้วัสดุได้ถูกต้องกับคุณภาพของแม่พิมพ์ที่ต้องการ วัสดุที่ใช้ทำแม่พิมพ์ส่วนใหญ่จะเป็นวัสดุจำพวกเหล็กและโลหะไม่ใช่เหล็กซึ่งพอจะแยกกล่าวได้ ดังนี้
2.11.1 เหล็กนิเกิล - โครเมี่ยมและเหล็กนิเกิล - โครเมี่ยม - โมลิบดินัม (Nickel-chromium steel and nickel-chromium-molybdenum steel)
เหล็กชนิดนี้เป็นเหล็กที่นิยมใช้ทำแม่พิมพ์กันมากที่สุด กรรมวิธีชุบแข็งอาจชุบในน้ำมัน อากาศหรือใช้กรรมวิธีคาร์บูไรซิ่งก็ได้ เหล็กเหล่านี้มีจำหน่ายในลักษณะเป็นเพลากลมหรือแท่งสี่เหลี่ยม โดยปกติจะอบอ่อนเพื่อความสะดวกในการตัดเฉือนขึ้นรูปและชุบผิวแข็งในภายหลังหรืออาจอยู่ในสภาพชุบแข็งมาก่อน แต่ยังสามารถตัดเฉือนขึ้นรูปได้ เหล็กผสมชนิดนี้จะมีส่วนผสมของนิเกิลและโครเมี่ยมต่าง ๆ กัน เช่น เหล็กผสม 1½ และ 2½ เปอร์เซ็นต์ นิเกิล-โครเมี่ยมมีคุณสมบัติแข็งแรงเป็นพิเศษและต้านทานการบิดงอได้ดี เหล็กผสม 1½% นิเกิล-โครเมี่ยมจะสามารถตัดเฉือนขึ้นรูปได้ดีแต่เหล็กผสม 2½ และ 3% นิเกิล โครเมี่ยมจะมีคุณสมบัติด้านความเหนียวเพิ่มขึ้น เหล็กผสม 4 และ 4½% นิเกิล-โครเมี่ยมเป็นเหล็กผสมในกลุ่มนี้ที่ความแข็งแรงสูงและเป็นเหล็กผสมที่นิยมใช้กันมากที่สุด
2.11.2 เหล็กคาร์บอนและโครเมี่ยมสูง (High-carbon high-chromium steels)
เหล็กผสมชนิดนี้จะมีส่วนผสมคาร์บอน 1.25 - 2.5% และโครเมี่ยม 12 - 14% เนื่องจากส่วนผสมของคาร์บอนและโครเมี่ยมที่ไม่แน่นอนจึงไม่นิยมใช้สำหรับแม่พิมพ์ในงานตัดเฉือนขึ้นรูป แต่เหมาะสำหรับแม่พิมพ์ที่ต้องการให้มีการบิดงอเปลี่ยนรูปน้อยและมีความแข็งสูงเพื่อต้านทานการเสียดสีไม่เหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ต้องรับแรงสั่นสะเทือนหรือแรงกระแทก การชุบแข็งสำหรับชิ้นส่วนเล็ก ๆ มักชุบแข็งด้วยลม
2.11.3 เหล็กสเตนเลส (Stainless steels)
เหล็กชนิดนี้จะใช้สำหรับแม่พิมพ์ฉีดที่ต้องการความต้านทานต่อปฏิกิริยาเคมีของพลาสติกบางชนิดโดยเฉพาะ PVC ได้ ซึ่งอาจใช้เหล็กผสมทั่วไปแล้วชุบโครเมี่ยมในภายหลังก็ได้ แต่การใช้เหล็กสเตนเลสมีข้อดีตรงที่ว่าการซ่อมบำรุง ปรับปรุงหรือเปลี่ยนแปลงแม่พิมพ์ในภายหลังไม่ต้องลอกผิวโครเมี่ยมออกและแก้ปัญหาการชุบโครเมี่ยมบริเวณที่เป็นร่องลึกได้ แต่การตัดเฉือนขึ้นรูปเหล็กสเตนเลสจะมีความยากมากว่าเหล็กผสมชนิดอื่น เหล็กสเตนเลสมีอยู่ด้วยกันหลายประเภทแต่มีอยู่เพียงไม่กี่ประเภทที่สามารถชุบแข็งให้สามารถทนแรงดันสูง ๆ ในแม่พิมพ์ได้ ประเภทที่เหมาะสมที่สุดตามมาตรฐาน AISI คือประเภท 400 ซึ่งมีอยู่ด้วยกันหลายเกรด คือ เกรด 420 เป็นเกรดที่ใช้กันมากที่สุด ซึ่งมีส่วนผสมโครเมี่ยม 12 - 14% สามารถชุบแข็งได้ถึง 48 - 52 ร็อดเวล-C ใช้ในกรณีที่การกัดกร่อนและการเกิดสนิมเป็นปัญหาของแม่พิมพ์ เกรด 414 เป็นเหล็กสเตนเลสที่อยู่ในสภาพชุบแข็งมาก่อนที่ความแข็ง 30 - 35 Rc ซึ่งไม่จำเป็นต้องชุบแข็งภายหลังเมื่อทำแม่พิมพ์เสร็จแล้ว เหมาะสำหรับแม่พิมพ์ฉีดที่ใช้งาน ณ ความดันต่ำ ข้อควรระลึกถึงคือ คุณสมบัติการนำความร้อนของเหล็กสเตนเลสจะต่ำกว่าเหล็กที่ไม่ใช่สเตนเลสซึ่งจะช่วยลดปัญหาในการฉีดชิ้นงานที่มีพื้นที่ภาคตัดหนาซึ่งระยะเวลาการฉีดช้า ข้อดีอีกประการหนึ่งของวัสดุชนิดนี้ก็คือใช้ในการแยกส่วนที่ร้อนและเย็นออกจากกัน เช่น ในแม่พิมพ์แบบรูวิ่งร้อน (hot-runner molds) เป็นต้น และคุณสมบัติการนำความร้อนที่ต่ำจึงทำให้พลาสติกหลอมไม่แข็งตัวก่อนที่จะเติมเต็มแบบและสามารถใช้อุณหภูมิหลอมละลายของพลาสติกที่ต่ำกว่าได้
ตารางที่ 2.4 เหล็กสเตนเลสทำแม่พิมพ์ (กำหนดเป็นเปอร์เซ็นต์)
2.11.4 เหล็กท่าแม่พิมพ์อื่น ๆ
นอกเหนือจากเหล็กทำแม่พิมพ์ที่กล่าวมาแล้ว เหล็กชนิดอื่น ๆ เช่น เหล็กคาร์บอน - มังกานีส, เหล็กโครเมียม - วาเนเดียม, เหล็กคาร์บอน - ทังสเตน - โครเมี่ยม เป็นต้น ก็มีการนำมาใช้ในงานทำแม่พิมพ์เช่นกันแต่ไม่แพร่หลายนัก นอกจากนี้เหล็กเหนียว, เหล็กคาร์บอนต่ำ (น้อยกว่า 0.2% คาร์บอน) เหล็กคาร์บอนปานกลาง (0.2 - 0.6% คาร์บอน) และเหล็กคาร์บอนสูง (0.7-1.3% คาร์บอน) ก็มีการนำมาใช้ทำแม่พิมพ์เช่นกัน เนื่องจากเป็นวัสดุราคาถูกซึ่งเหมาะสำหรับชิ้นส่วนที่ไม่ซับซ้อนตัวอย่างการใช้งาน เช่น
SAE. 1020 เป็นเหล็กคาร์บอนต่ำใช้ทำแผ่นยึดแม่พิมพ์ แผ่นหลัง แท่งรอง เป็นต้น
SAE. 4140 ใช้สำหรับทำแผ่นยึดแม่พิมพ์ แผ่นหลัง แท่นรอง เป็นต้น สำหรับแม่พิมพ์ที่ต้องรับแรงดันหรือมีความดันเกิดขึ้น หากเป็นชุดแม่พิมพ์มาตรฐานจะมีเกรดวัสดุให้เลือกใช้ตั้งแต่ SAE 4130 - SAE.4150
ตายางที่ 2.5 เหล็กสําหรับทำแม่พิมพ์ฉีด
เหมาะสำหรับแม่พิมพ์ฉีดทุกชนิดและทุกขนาดที่ขึ้นรูปโดยใช้งานตัดเฉือน โดยปกติจะอยู่ในสภาวะที่ชุบแข็งมาก่อนที่ความแข็งประมาณ 32 - 35 Rc แม่พิมพ์จะต้องนำไปผ่านกรรมวิธีคาร์บูไรซิ่งและชุบแข็ง เมื่อใช้พลาสติกที่มีความหนืดต่ำ เช่น glass filled plastics หรือสำหรับแม่พิมพ์ที่มีอัตราการผลิต 100,000 ชิ้นต่ออิมเพรสชั่น
ใช้กับแม่พิมพ์ขนาดเล็กและใหญ่ เมื่อต้องการทั้งความเหนียวและความแข็งแรง ในระหว่างขบวนการชุบแข็งจะสามารถคงขนาดได้ดีและใช้ทำสลักปลด, ปลอกปลดตลอดจนแผ่นปลด
ใช้สำหรับแม่พิมพ์ขนาดกลางและขนาดเล็ก เมื่อต้องการความแข็งสูง เช่น แม่พิมพ์สำหรับฉีดวัสดุที่ขัดสีผิว (abrasive materials)
ใช้สำหรับแม่พิมพ์ขนาดเล็ก เมื่อการสึกหรอเป็นสาเหตุของปัญหาของแม่พิมพ์และใช้สำหรับแม่พิมพ์ ที่อุณหภูมิใช้งานสูงถึง 750°F และใช้ในการทำปลอกรูฉีด
ใช้สำหรับแม่พิมพ์ขนาดเล็กและขนาดใหญ่ที่ใช้ฉีดวัสดุที่เป็นกรดกัด เช่น PVC, Delvin เป็นต้น และใช้สำหรับแม่พิมพ์ที่มีปัญหาเนื่องจากความขึ้น ทำให้เกิดเป็นสนิมซึ่งเป็นผลให้ผิวของแม่พิมพ์เสียหาย ข้อควรระวังสำหรับกรรมวิธีทางความร้อนหลังจากชุบแข็งแล้วจะต้องให้ความร้อนที่ 750°F เพื่อให้มีความเหนียวและมีความต้านทานต่อการกัดกร่อนดีที่สุด ความแข็งที่ได้จะอยู่ระหว่าง 48 - 52 Rc
โดยทั่วไปใช้ทำแผ่นยึดแม่พิมพ์และแผ่นรองหลังสามารถใช้ทำแม่พิมพ์ที่คุณภาพผิวสำเร็จไม่สูงมากนักโดยปกติจะใช้ในสภาพชุบแข็งก่อนที่ความแข็ง 28 - 32 Rc
ใช้สำหรับแม่พิมพ์ที่มีอุณหภูมิใช้งานสูงกว่า 1000°F แต่ไม่สูงกว่า 1150°F และความแข็งของแม่พิมพ์ต้องสูงกว่า 60 Rc
2.11.5 โลหะทำแม่พิมพ์ที่ไม่ใช่เหล็ก (Nonferrous materials for molds)
ก. เบอริลเลี่ยม-คอปเปอร์ (Beryllium-copper)
เป็นโลหะผสมที่ได้จากการเติมเบอริลเลี่ยมในทองแดง ภายหลังการซุบแข็งจะมีคุณสมบัติความเค้นแรงดึงและความแข็งที่ใกล้เคียงกับเหล็กทำแม่พิมพ์บางชนิดโลหะผสมเบอริลเลี่ยม-คอปเปอร์มีคุณสมบัติในการนำความร้อนสูง ดังนั้นแม่พิมพ์ที่ทำด้วยโลหะผสมชนิดนี้จึงมีระยะเวลาการผลิตชิ้นงานที่สั้นกว่า เพราะภายหลังขั้นตอนการฉีดชิ้นงานจะเย็นตัวลงได้เร็ว โลหะผสมเบอริลเลี่ยม-คอปเปอร์ที่นิยมใช้กันอย่างแพร่หลาย ได้แก่ โลหะผสมเบอริลเลี่ยม-คอปเปอร์ที่มีส่วนผสมของ เบอริลเลี่ยม 2.75%, โคบอลต์ 0.5% และทองแดง 96.75% โลหะผสมดังกล่าวภายหลังการชุบแข็ง (ขึ้นอยู่กับส่วนผสมและกรรมวิธีชุบแข็ง) จะมีคุณสมบัติดังนี้
สัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน
การนำความร้อนที่อุณหภูมิ 20°C
800 - 900 B.Th.U/ตร.ฟุต/นิ้ว/ชั่วโมง
ข. โลหะผสมสังกะสี (Zinc alloys)
แม่พิมพ์ที่ทำจากเหล็กผสมจะมีอายุการใช้งานยาว มีความเที่ยงขนาดและคุณภาพผิวสำเร็จดี แต่ในกรณีที่ความเที่ยงขนาดและคุณภาพของผิวสำเร็จไม่สูงมากนักและจำนวนการผลิตที่มีขีดจำกัด การใช้แม่พิมพ์ที่ทำด้วยเหล็กผสมจะไม่คุ้มค่า หากใช้แม่พิมพ์ที่ทำด้วยโลหะผสมสังกะสีจะได้ประโยชน์มากกว่า โดยเฉพาะการทำแม่พิมพ์ต้นแบบหรือผลิตชิ้นงานทดลองจำนวนน้อยชิ้น การผลิตสินค้าจำพวกเครื่องประดับและตุ๊กตา เป็นต้น ตัวอย่างโลหะผสมสังกะสีที่ใช้กัน ได้แก่ Zn 92% Cu 3.5%, Al 4.0%, Mg 0.04% ซึ่งมีคุณสมบัติดังนี้
ค. โลหะผสมอะลูมินัม (Aluminum alloys)
ส่วนใหญ่ใช้สำหรับทำแม่พิมพ์ฉีดต้นแบบหรือสำหรับแม่พิมพ์ฉีดที่มีจำนวนการผลิตน้อย ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับชิ้นส่วนที่มีการสึกหรอ, ปลอกนำเลื่อนหรือชิ้นส่วนอื่น ๆ ที่สัมผัสกับเหล็ก ซึ่งอาจทำให้เกิดเป็นรอยได้ มีจำหน่ายในลักษณะเป็นแผ่น, แท่งทรงกระบอกหรือรูปเหลี่ยมและเป็นท่อกลม โลหะผสมที่เป็นอะลูมินัม-บรอนซ์ จะมีคุณสมบัติเป็นผิวแบริ่งได้ดีมาก ตัวอย่างโลหะผสมชนิดนี้ได้แก่ Cu 05.5%, Al 10.5%, Fe 3.5% มีคุณสมบัติทางฟิสิกส์ ดังนี้ ความเค้นแรงดึง 105,000 ปอนต์/ตร.นิ้ว อัตราการยึดตัว 14% และความแข็ง 183-192 บริเนล
รูปที่ 2.43 ตัวอย่างการกำหนดวัสดุและคุณภาพสำเร็จของชิ้นส่วนแม่พิมพ์ฉีด
(1) = ปลอกรูฉีด
- เหล็กผสมคาร์บอนสูง
- เหล็ก C.9Mm.1, 25 CrsWs
- เหล็ก AISI หรือ SAE ชนิด L2, 01, 02, A2, A6 หรือ D2
(2) = แผ่นเบ้าด้านอยู่กับที่
- เหล็กเหนียวถ้าส่วนเบ้าเป็นอินเสิร์ต หรือเหล็ก C.2 Cr.1, 2 M0.25 Mn. 1, 0
- สำหรับส่วนเบ้าที่ทำด้วยวิธีอัดขึ้นรูปเย็น จะใช้เหล็กผสมคาร์บอนต่ำที่เป็นเหล็กอ่อนชนิด C.1 Mn. 3 Si.2 Cr.5, 0 Mo.5 หรือ C.07 Mn.2 หรือใช้อินเสิร์ตที่ทำด้วยเบอริลเลี่ยม-คอปเปอร์ (Br.Cu) หรืออินเสิร์ตที่ทำด้วยวิธีเคลือบผิวด้วยไฟฟ้า
- ผิวหน้าของแผ่นเบ้าเป็นผิวเจียระไนเรียบ รูวิ่งและส่วนของเบ้าจะขัดผิวเรียบมัน
(4) = สลักดันกลับ
- หัวสลักยาวปานกลางจะใช้เหล็กเครื่องมือชนิด C1.1 Si. 35 Mn.5 ถ้ายาวมากจะใช้ชนิด C.9 Mn. 1.61 Si.25
(5) = สลักปะทะ
- หัวสลักด้านปะทะจะเจียระไนและปรับผิวเรียบ
- ชุบแข็ง 45 - 50 Rc
(6) = แผ่นยึดด้านหน้า
- ปาดผิวเรียบหรือเจียระไนเรียบ
(7) = แผ่นเบ้าด้านเคลื่อนที่
(10) = สลักดึงแกนรูฉีด
- เหล็กเครื่องมือชนิด C.9 Si.25 Mn.1.6
- ชุบแข็ง 55 - 58 Rc และเจียระไนเรียบ
(12) = เพลานำ
- เหล็กเหนียวหรือเหล็กเครื่องมือชนิด C1.1 Si 35 Mn.5
- ชุบแข็ง 58 - 60 Rc
- เจียระไนเรียบและทำร่องน้ำมันในตำแหน่งที่ต้องการ
(13) = ปลอกนำ
- เช่นเดียวกับเบอร์ 12 ยกเว้นความแข็ง 59 - 62 Rc
(17) = แผ่นยึดด้านหลัง
- ปาดผิวเรียบหรือเจียระไน
สำหรับชิ้นส่วนที่ไม่ได้แสดงในรูป
- ใช้วัสดุเหล็กเหนียวหรือทองแดงและปาดผิวเรียบ
- ใช้เหล็กเครื่องมือชุบแข็งที่ความแข็ง 58 ± 2 Rc และเจียระไนเรียบ
- ยางสำหรับร่องน้ำหล่อเย็น
ตารางที่ 2.6 แผ่นเทียบเกรดเหล็ก
