模具材料及強(qiáng)化技術(shù)

1、1,參考教材： 1.模具材料.高為國.機(jī)械工業(yè)出版社.2006.1 2.模具材料與使用壽命.模具實(shí)用技術(shù)叢書編委會.機(jī)械工業(yè)出版社.2004.9主講人：饒曉曉 email:raoxiaoxiao00@126.com tel:13636184234,,2,課程內(nèi)容提綱,第1章 序言第2章 冷作模具材料及熱處理第3章 熱作模具材料及熱處理第4章 塑料模具材料及熱處理第5章 其

2、它模具材料及熱處理第6章 模具表面處理技術(shù),3,第1章 序言,1.1 模具材料的分類1.2 模具的失效分析1.3 典型模具的服役條件及失效形式1.4 模具的使用壽命及影響因素1.5 模具材料的性能、選用與發(fā)展,4,模具在現(xiàn)代工業(yè)中的作用,隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，為提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率和零件材料的利用率，國內(nèi)外的生產(chǎn)廠家都在采用各種先進(jìn)的無切削或少切削加工工藝，如精密沖裁、精密鍛造、壓力鑄造、

3、冷擠壓等成形技術(shù)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削加工工藝。而模具成形技術(shù)是首選的工藝手段之一，在飛機(jī)、汽車、機(jī)電產(chǎn)品、家用電器、塑料制品、等行業(yè)應(yīng)用廣泛。 模具材料性能的好壞和使用壽命的長短，直接影響加工產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的效益。而模具材料的種類、熱處理工藝、表面處理技術(shù)是影響模具使用壽命的極其重要的因素。因此世界各國均致力于開發(fā)新型模具材料、改進(jìn)模具的熱處理工藝、選用適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砑夹g(shù)、合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)對模具的維護(hù)等措施來提高模具的壽命

4、,5,模具在現(xiàn)代工業(yè)中的作用,建國以來，我國在模具材料方面有了很大的發(fā)展，初步建立起了具有我國特色的模具材料體系、包括冷作模具鋼、熱作模具鋼、塑料模具鋼等系列材料，并在模具制造業(yè)廣泛使用。同時，針對不同的工作條件與環(huán)境因素，開發(fā)了多種先進(jìn)的模具材料。,6,1.1 模具材料的分類,根據(jù)服役條件 ，模具材料分為冷作模具材料熱作模具材料塑料模具材料其他模具材料,7,1.1 模具材料的分類,一、冷作模具材料冷作模具材料應(yīng)用量大．使用面

5、廣，其主要性能要求有強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性。近年來碳素工具鋼的使用愈來愈少，而高合合鋼模具所占的比例為最高。國外通用型冷作模具鋼的代表鋼種有低合金模具鋼O1（9CrWMn)、中合金模具鋼A2（Cr5Mo1V)和高碳高鉻模具鋼D3（Cr12)、D2(Cr12Mo1V1)等,8,,常用冷作模具材料,1.1 模具材料的分類,一般指其成分與高速鋼淬火組織中基體化學(xué)成分相同的鋼,一種多相結(jié)合材料，耐磨性、硬度、機(jī)械化強(qiáng)度都較高。不能進(jìn)行切削加

6、工。,以高熔點(diǎn)碳化物WC、TiC為硬質(zhì)相，以碳素工具鋼、合金工具鋼或不銹鋼為粘結(jié)相通過粉末冶金真空燒結(jié)軋制而成。既具有合金鋼的可鍛造、切削加工、焊接及熱處理性能，又具有硬質(zhì)合金的高硬度、高耐磨性的特點(diǎn),9,冷作模具鋼以高碳合金鋼為主，均屬熱處理強(qiáng)化型鋼，使用硬度高于58HRC。9CrWMn為典型代表的低合金冷作模具鋼，僅用于小批量生產(chǎn)中的簡易型模具和承受沖擊力較小的試制模具；Crl2型高碳合金鋼是大多數(shù)模具的選用材料，這類鋼的強(qiáng)度和

7、耐磨性較高，韌性較低；在對模具綜合力學(xué)性能要求更高的場合，常用的替代鋼種是W6Mo5Cr4V2高速鋼和基體鋼。,1.1 模具材料的分類,10,由于溫度和冷卻條件(有無冷卻、如何冷卻)這兩個因素，熱作模具的工作條件遠(yuǎn)比冷作模具復(fù)雜，因而熱作模具用材的系列化，除少數(shù)外不如冷作模具用材系列完整。熱作模具用材的選擇，在力學(xué)性能方面要兼顧熱強(qiáng)性(熱耐磨性)和抗裂紋性能。但由于加工對象(熱金屬)本身強(qiáng)度不高，故對熱作模具材料的屈服強(qiáng)度要求并不高

8、，而加工過程中采用的沖擊加工方式及不可避免的局部急熱急冷特性，對韌性提出了較高要求。,二、熱作模具材料,1.1 模具材料的分類,11,1.1 模具材料的分類,3Cr2W8V，廣泛用于制造黑色和有色金屬熱擠壓模及Cu、Al合金的壓鑄模，但熱穩(wěn)定性差,4Cr5MoSiV1，具有良好的冷熱疲勞性，在使用溫度不超過600℃時代替H21,,,,,12,由于塑料模具的工作條件(加工對象)、制造方法、精度及對耐久性要求的多樣性，所以塑料模具用鋼的成分

9、范圍很大，各種優(yōu)質(zhì)鋼都有可用之處，且形成了范圍很廣的塑料模具用材料系列。,1.1 模具材料的分類,三、塑料模具材料,13,1.1 模具材料的分類,為避免大、中型精密塑料模具熱處理后的變形，保證模具的精度和使用性能而開發(fā)的模具材料。在鋼廠經(jīng)過充分鍛打后制成模塊預(yù)先調(diào)質(zhì)要求的硬度（30~35HRC）后供使用單位制造模具，切削加工成形后不再進(jìn)行熱處理直接使用,為避免形狀復(fù)雜、精密、要長壽命的塑料模具在熱處理過程中變形，這類鋼在固溶處理后進(jìn)行切

10、削加工，現(xiàn)進(jìn)行低溫時效硬化處理獲得要求的力學(xué)性能，時效處理后不再進(jìn)行切削加工即可得到精度很高的模具成品,14,在三大類模具材料之外，還有鑄造模具鋼、有色合金模具材料、玻璃模具材料等，陶瓷模具、建材成型模具。另外我國還開發(fā)研制了特種新型模具用材。,四、其他模具材料,1.1 模具材料的分類,15,通過精密鑄造工藝直接得到形狀復(fù)雜的模具鑄件，與傳統(tǒng)的模具生產(chǎn)工藝比較可以節(jié)省加工工時，降低金屬消耗，縮短模具制造周期，降低模具制造費(fèi)用。如美國A

11、STM一A597鑄造工具鋼標(biāo)準(zhǔn)中包括7個鋼號。其中冷作模具鋼4種、熱作模具鋼2種、耐沖擊工具鋼1種。,(一)鑄造模具鋼,1.1 模具材料的分類,16,我國不少部門也開始研制并采用精密鑄造工藝生產(chǎn)模具，如東風(fēng)汽車公司沖模廠已經(jīng)采用火焰淬火冷作模具鋼ZG7CrSiMnMov實(shí)型鑄造工藝，生產(chǎn)出汽車大型覆蓋件沖模的刃口鑲塊模，取得了良好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。,,,東風(fēng)汽車模具有限公司,1.1 模具材料的分類,17,我國研制的鑄造熱鍛模用鋼JC

12、D鋼已經(jīng)試用于小型熱鍛模塊，代替5CrMnMo鋼鍛造模具。我國研制的鑄造鍛模鋼ZDM—2(3Cr3MoWVSi)鋼，采用陶瓷型精密鑄造工藝，通過幾十種鍛模的生產(chǎn)試用，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的5CrNiMo和3Cr2W8V鍛模，取得了較好的使用效果和經(jīng)濟(jì)效益。,1.1 模具材料的分類,18,隨著工業(yè)產(chǎn)品的多樣化和中小批量生產(chǎn)的增加， 一些低成本、易加工、制造周期短以及具有特殊性能的有色金屬材料模具也逐漸增多，使用較多的是銅、鋁、鋅合金。 銅

13、合金模具的抗粘著性和熱導(dǎo)件好，常用作不銹鋼和表面處理鋼板的拉伸模和彎曲模具，近年來也用于注射模。常用作模具的是鈹青銅，由于鈹是公害元素，最近國外又開發(fā)出了含Ni-Si的Corson銅合金，這種析出硬化型合金的特點(diǎn)是高強(qiáng)度和高熱導(dǎo)性。,(二)有色合金模具材料,1.1 模具材料的分類,19,鋁合金除用于模具的導(dǎo)板、導(dǎo)柱等構(gòu)件外，現(xiàn)在5000系和7000系鋁合金也應(yīng)用于一些小批量生產(chǎn)的試制模具，如薄板拉伸、塑料成型、發(fā)泡塑料等模具。

14、鋅合金的熔點(diǎn)較低，易于熔化和鑄造，切削加工性能好，且可反復(fù)回收使用，常常被用作試制模具，主要用于薄板拉伸模、彎曲模和鋁合金擠壓模等。日本近幾年又在傳統(tǒng)制模用的鋅合金基礎(chǔ)上，添加Cu、Al、Ti、Be等元素，開發(fā)出了新型的鋅合金材料。,1.1 模具材料的分類,20,玻璃模具是玻璃制品的主要成型工藝裝備。在玻璃制品成型過程中，模具頻繁地與1100℃以上的熔融玻璃液接觸，經(jīng)受氧化、生長和熱疲勞作用。根據(jù)玻璃模具的服役條件和失效形式，對模具材料

15、的要求以抗氧化為最主要指標(biāo)。通常采用耐熱合金鋼，如3Cr2W8V、5CrNiMo以及合金鑄鐵等。,三)玻璃模具材料,1.1 模具材料的分類,21,除了上述幾類模具材料外，還開發(fā)研制了特種模具用材，如CrMnN系無磁模具鋼(用于電子產(chǎn)品的無磁模具)、高溫玻璃模具鋼(用于高溫餐具、高透光度的車燈、顯像管玻璃模殼模具)、陶瓷模具、復(fù)合材料模具等。,四)特種新型模具材料,1.1 模具材料的分類,,22,1.2 模具的失效分析,模具失效是指模具

16、喪失正常的使用功能，其生產(chǎn)出的產(chǎn)品已成為廢品，模具不能通過一般的修復(fù)方法(如刃腳、拋磨等)使其重新服役的現(xiàn)象。1、模具失效既有達(dá)到預(yù)定壽命的正常失效，也有遠(yuǎn)低于預(yù)定壽命的非正常失效(早期失效)。非正常失效常常造成人身或設(shè)備的惡性事故，并造成經(jīng)濟(jì)上的損失，因此應(yīng)盡量加以避免。失效分析的任務(wù)：通過對模具失效進(jìn)行分析，找出模具失效的具體原因，則可以采取相應(yīng)的措施加以改進(jìn)，以提高模具的使用壽命。,23,模具使用壽命是指模具在正常失效前生產(chǎn)出

17、的合格產(chǎn)品的數(shù)目，若其亦使用過程中經(jīng)過多次修模，則模具的使用壽命為首次壽命與各次修模壽命的總和。模具壽命是在一定時期內(nèi)模具材料性能、模具設(shè)計(jì)與制造、模具熱處理工藝、模具使用與維護(hù)等各項(xiàng)指標(biāo)的綜合體現(xiàn)，在一定程度上反映了一個國家或地區(qū)的冶金、機(jī)械制造等工業(yè)水平。,1.2 模具的失效分析,24,要研究模具的失效問題，就要了解各類模具的服役條件和失效形式，以便分析其失效原因，合理地選擇模具材料，改進(jìn)模具的設(shè)計(jì)、加工和熱處理工藝，提出預(yù)防或

18、推遲失效的措施，不斷提高模具的使用壽命。,一、模具主要失效形式,1.2 模具的失效分析,25,模具的基本失效形式是斷裂及開裂、磨損、疲勞及冷熱疲勞、變形、腐蝕。模具在工作過程中可能同時出現(xiàn)多種損壞形式，各種損傷之間又相互滲透、相互促進(jìn)、各自發(fā)展，而當(dāng)某種損壞的發(fā)展導(dǎo)致模具失去正常功能，則模具失效。 圖1—1舉出了幾種常見的模具失效形式。對不同類型模具，損傷主要形式不同模具出現(xiàn)的損壞形式也在變化，如冷作模具——脆斷，熱作模具—

19、—冷熱疲勞、裂紋及變形，而冷、熱作模具都可能因磨損而失效。,1.2 模具的失效分析,26,,,,27,了解了模具失效形式，就可以進(jìn)一步分析模具的失效原因，找出影響模具失效的各種因素，從而提高模具質(zhì)量，延緩模具失效。,1.2 模具的失效分析,28,模具的失效—般都存在一個變化過程，如斷裂失效就可能經(jīng)歷：表面產(chǎn)生缺陷→表面微裂紋→裂紋擴(kuò)展→最后斷裂的變化過程。模具在使用過程中，出現(xiàn)變形、微裂紋、腐蝕等現(xiàn)象但沒有立即喪失服役能力的現(xiàn)象稱

20、為模具損傷。模具在工作時，不同部位承受不同的作用力和不同的溫度變化，可能同時出現(xiàn)多種不同的損傷形式，各種損傷形式之間又會相互滲透、相互促進(jìn)、不斷累積。,1.2 模具的失效分析,29,模具的失效一般可分為非正常失效(也稱早期失效)和正常失效兩類。非正常失效發(fā)生在模具使用的初期，主要是由模具設(shè)計(jì)和制造過程中的缺陷引起的，失效出現(xiàn)的幾率很高，且隨著模具使用期限的延長而迅速降低。,1.2 模具的失效分析,30,模具使用一定期限后，由緩慢

21、塑性變形、均勻的磨損或疲勞破壞而出現(xiàn)的失效稱為正常失效，模具經(jīng)過使用初期的考驗(yàn)后即進(jìn)入正常的使用階段。在模具經(jīng)過了長期使用后，由于使用損傷的大量累積，致使模具發(fā)生失效，即達(dá)到了模具的使用壽命極限。在模具的使用過程中，注意做好經(jīng)常性的檢查、維護(hù)和保養(yǎng)工作，可有效地推遲正常失效的到來，有助于提高模具的使用壽命。,1.2 模具的失效分析,31,1．過量變形失效 ————過量彈性變形失效、過量塑性變形(如局部塌陷、局部鐓粗、型腔漲大等)失

22、效、蠕變超限等。 2．表面損傷失效—— 主要包括表面磨損(如粘著磨損、磨料磨損、氧化磨損、疲勞磨損等)失效、表面腐蝕(如點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、沖刷腐蝕、應(yīng)力腐蝕等)失效、接觸疲勞失效等。 3．?dāng)嗔咽?——— 主要有塑性斷裂失效、脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效、應(yīng)力腐蝕斷裂失效等。,二、模具失效的分類,1.2 模具的失效分析,32,(一)磨損失效由于模具表面的相對運(yùn)動，而從模具的接觸表面逐漸失去物質(zhì)的現(xiàn)象稱為磨損。模具在

23、工作中會與坯料的成形表面相接觸，產(chǎn)生相對運(yùn)動而造成磨損，當(dāng)這種磨損使模具的尺寸發(fā)生變化或使模具表面的狀態(tài)發(fā)生改變而使其不能正常工作時，則稱為磨損失效。,三、模具的失效機(jī)理分析,1.2 模具的失效分析,33,磨損有很多種類型，按磨損機(jī)理不同可分為磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損、氣蝕和沖蝕磨損、腐蝕磨損等。 1．磨粒磨損 工件表面的硬突出物和外來硬質(zhì)顆粒在加工時刮擦模具表面，引起模具表面材料脫落的現(xiàn)象稱為磨粒磨損。磨粒磨損的機(jī)理如圖1—

24、1所示。,1.2 模具的失效分析,34,,1.2 模具的失效分析,35,影響磨粒磨損的因素主要有磨粒的形狀和大小、磨粒硬度與模具材料硬度的比值、模具與工件的表面壓力、工件厚度等。磨粒的外形越尖，則磨損量越大；磨粒的尺寸越大，模具的磨損量越大，但當(dāng)磨粒的尺寸達(dá)到一定數(shù)值后，磨損量則會穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)；磨粒硬度Ha與模具材料硬度 Hm的比值Ha/Hm小于l時，磨損量較小，比值增加到1以上時，磨損量急劇增加，而后逐漸保持在一定的范

25、圍內(nèi)；隨著模具與工件表面壓力的增加，磨損量會不斷增加，當(dāng)壓力達(dá)到一定數(shù)值后，由于磨粒的尖角變鈍面使磨損量的增加得以減緩；工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越深，對模具的磨損量減小。,1.2 模具的失效分析,36,提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于減少模具的磨損量；對模具進(jìn)行表面耐磨處理可以在保證模具具有一定韌性的條件下，提高其耐磨損性能；在模具的使用過程中，及時清理模具和工件表面上的磨粒，可以減少磨粒侵入的幾率

26、，能有效地減少模具的磨損。,,,1.2 模具的失效分析,37,由于模具與工件表面的凸凹不平，使其在相對運(yùn)動中造成粘著點(diǎn)發(fā)生斷裂面使模具材料發(fā)生剝落的現(xiàn)象稱為粘著磨損。 影響粘著磨損的主要因素：材料性質(zhì)、材料硬度、表面壓力等選擇與工件材料互溶性小的模具材料，可減少兩材料之間的溶解性，降低粘著磨損量；合理選用潤滑劑，形成潤滑油膜，可以防止或減少兩金屬表面的直接接觸，有效地提高其抗粘著磨損能力；采用多種表面熱處理方法

27、，改變金屬摩擦表面的互溶性質(zhì)和組織結(jié)構(gòu)，盡量避免同種類金屬相互摩擦，可降低粘著磨損。,2．粘著磨損,1.2 模具的失效分析,38,,1.2 模具的失效分析,39,在循環(huán)應(yīng)力作用下，兩接觸面相互運(yùn)動時產(chǎn)生的表層金屬疲勞剝落的現(xiàn)象稱為疲勞磨損。在模具和工件的相對運(yùn)動中，會承受一定的作用力，模具的表面和亞表面存在多變的接觸壓力和切應(yīng)力，這些應(yīng)力反復(fù)作用一定的周期后,模具表面就會產(chǎn)生局部的塑性變形和冷加工硬化現(xiàn)象。在那些相對薄弱的地方，會

28、由于應(yīng)力集中而形成裂紋源，并在外力的作用下擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到金屬表面或與縱向裂紋相交時，便形成磨損剝落。,3．疲勞磨損,1.2 模具的失效分析,40,影響疲勞磨損的因素主要有材料的冶金質(zhì)量、材料硬度、表面粗糙度等。鋼中的氣體含量，非金屬夾雜物的類型、大小、形狀和分布等是影響疲勞磨損的重要因素材料硬度，一般情況下硬度提高，可以增加模具表面的抗疲勞能力，但硬度過高時又會加快疲勞裂紋的擴(kuò)展，加速疲勞磨損。材料的表面粗糙，會使接觸應(yīng)力作用

29、在較小的面積上，形成很大的接觸應(yīng)力，加速疲勞磨損，因此降低模具表面模粗糙度可以提高模具的抗磨損能力。,1.2 模具的失效分析,41,為了更好地提高模具的抗疲勞能力，應(yīng)選擇合適的潤滑劑，用以潤滑模具與工件的表面，避免或減少模具與工件材料之間的直接接觸，降低接觸應(yīng)力，減少疲勞磨損量。其次，可以在常溫狀態(tài)下，通過對模具表面進(jìn)行噴丸、滾壓等處理，使模具的工作表面因受壓變形而產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力，有利于提高模具的抗疲勞磨損的能力。,1.2

30、模具的失效分析,42,(1)氣蝕磨損；由于金屬表面的氣泡發(fā)生破裂，產(chǎn)生瞬間的高溫和沖擊，使模具表面形成微小的麻點(diǎn)和凹坑的現(xiàn)象稱為氣蝕磨損。 (2)沖蝕磨損：固體和液體的微小顆粒以高速沖擊的形式反復(fù)落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到損失而形成麻點(diǎn)或凹坑的現(xiàn)象稱為沖蝕磨損。(3)腐蝕磨損：在工作過程中，模具表面與其周圍的環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，以及模具與工件之間的摩擦作用而引起模具表層材料脫落的現(xiàn)象稱為腐蝕磨損。,4．其他

31、磨損,1.2 模具的失效分析,43,,1.2 模具的失效分析,44,模具在工作中出現(xiàn)較大型紋或部分分離而喪失正常服役能力的現(xiàn)象稱為斷裂失效。模具斷裂通常表現(xiàn)為產(chǎn)生局部碎塊或整個模具斷成幾個部分。斷裂是最嚴(yán)重的失效形式。斷裂失效分類，按照斷裂的性質(zhì)脆性斷裂和韌性斷裂；按照斷裂路徑可分為沿晶斷裂、穿晶斷裂；按照斷裂機(jī)理可分為一次性斷裂和疲勞斷裂等。由于模具材料多為中、高強(qiáng)度鋼，塑性相對較差，斷裂時沒有或僅有少量的塑性變形發(fā)生，因

32、而經(jīng)常表現(xiàn)為脆性斷裂。,（二)斷裂失效,1.2 模具的失效分析,45,,1.2 模具的失效分析,46,1．一次性斷裂 模具在承受很大變形力或在沖擊載荷的作用下，產(chǎn)生裂紋并迅速擴(kuò)展所形成的脆性斷裂稱為一次性斷裂。一次性斷裂的斷口呈結(jié)晶狀，根據(jù)裂紋擴(kuò)展路徑的走向不同，可將其分為沿晶斷裂和穿晶斷裂兩種。,1.2 模具的失效分析,47,(1)沿晶斷裂：是指裂紋沿晶界擴(kuò)展而造成材料脆性斷裂的現(xiàn)象。一般情況下晶界處的鍵合力高于晶內(nèi)，只有在晶

33、界被弱化時才會產(chǎn)生沿晶斷裂。而造成晶界弱化的基本原因有兩個，一是材料的性質(zhì)，二是環(huán)境介質(zhì)或高溫的促進(jìn)作用。 一般來說，晶界強(qiáng)度與晶內(nèi)強(qiáng)度都隨溫度發(fā)生變化，如圖1-5所示。在某一溫度時，晶界強(qiáng)度與晶內(nèi)強(qiáng)度相等，這一溫度稱為等強(qiáng)溫度。材料溫度高于等強(qiáng)溫度時易產(chǎn)生沿晶斷裂，材料溫度低于等強(qiáng)溫度時易產(chǎn)生穿晶斷裂。,1.2 模具的失效分析,48,,1.2 模具的失效分析,沿晶斷裂,穿晶斷裂,49,(2)穿晶斷裂：是指因拉應(yīng)力作用而引起的沿特

34、定晶面的斷裂，也稱為解理斷裂。當(dāng)模具材料的韌性較差、存在表面缺陷、承受高的沖責(zé)載荷時，易產(chǎn)生穿晶斷裂。,1.2 模具的失效分析,50,疲勞斷裂是指在較低的循環(huán)載荷作用下，工作一段時間后，出裂紋緩慢擴(kuò)展，最后發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。疲勞裂紋總是在應(yīng)力最高、強(qiáng)度最弱的部位上形成，模具的疲勞裂紋萌生于外表面或次表面，但其形成方式各有不同。,2．疲勞斷裂,1.2 模具的失效分析,51,(1)裂紋的萌生：疲勞裂紋常常在表面不均勻處、晶界、夾雜物和第

35、二相處形成。 模具上的尺寸過渡處、加工刀痕、磨損溝痕等易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在循環(huán)應(yīng)力作用下易產(chǎn)生滑移變形，而出現(xiàn)的變形臺階極易成為疲勞裂紋源。,1.2 模具的失效分析,52,(2)裂紋的擴(kuò)展：在循環(huán)應(yīng)力的作用下，己形成的裂紋便沿著主滑移面向模具材料內(nèi)部擴(kuò)展，此時與拉應(yīng)力軸呈約45°的角度，當(dāng)遇到晶界時其裂紋擴(kuò)展位向會稍有改變；當(dāng)擴(kuò)展的裂紋遇到夾雜物或第二相這樣的障礙物時，就會轉(zhuǎn)向與拉應(yīng)力軸相垂直的方向擴(kuò)展。,1.2 模具的失

36、效分析,53,影響模具斷裂失效的因素：模具結(jié)構(gòu)和模具材料。模具結(jié)構(gòu):由于模具成形結(jié)構(gòu)工藝性的要求，在模具零件上會存在截面突變、凹槽、尖角、圓角半徑等，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋并導(dǎo)致斷裂失效。 措施:適當(dāng)增大模具圓角半徑、減小凹模深度、減少尖角數(shù)量、盡量避免截面突變等。 模具材料: 冶金質(zhì)量和加工質(zhì)量。鋼中的非金屬夾雜物、中心疏松、白點(diǎn)成分偏析、碳化物大小、形狀及分布不理想均以降低鋼的強(qiáng)韌性及疲勞抗力。模具材料的斷裂韌度越高

37、，則越有利于防止裂紋的萌生及擴(kuò)展，從而減少模具的斷裂失效。,1.2 模具的失效分析,54,模具在使用過程中由于發(fā)生塑性變形而不能通過修復(fù)繼續(xù)服役的現(xiàn)象稱為塑性變形失效。主要形式有塌陷、撤粗、彎曲等。,（三）塑性變形失效,1.2 模具的失效分析,55,,模具在工作時一般承受很大的不均勻應(yīng)力，當(dāng)模具的某些部位所承受的應(yīng)力超過工作溫度下模具材料的屈服強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生塑性變形而造成模具的失效。在室溫下工作的模具是否會產(chǎn)生塑性變形失效，主

38、要取決于模具的載荷與室溫屈服強(qiáng)度；而在高溫下工作的模具是否會產(chǎn)生塑性變形失效，主要取決于模具的工作溫度和模具材料的高溫強(qiáng)度。,溫度對塑性變形的影響,1.2 模具的失效分析,56,由于模具的受力復(fù)雜，工作條件苛刻，在使用過程中可能同時出現(xiàn)多種損傷形式，各種損傷交互作用，最后形成了一種主要的失效形式。例如，磨損溝痕可能成為裂紋的發(fā)源地，由磨損形成的裂紋在應(yīng)力作用下發(fā)生擴(kuò)展就會產(chǎn)生斷裂；,1.2 模具的失效分析,57,模具產(chǎn)生局部磨損后

39、，便會使其承載能力下降，將造成另一部分承受過大的應(yīng)力而產(chǎn)生塑性變形；局部塑性變形會改變模具零件之間的正常配合關(guān)系，均勻的承載狀況被打破，將會造成模具的不均勻磨損，也可能由于應(yīng)力集中的出現(xiàn)而產(chǎn)生裂紋，造成模具的過早斷裂。,1.2 模具的失效分析,58,了解模具的主要失效形式，尋找其失效的具體原因和主要影響因素,掌握各種失效形式所占的比例以及各種失效模具的使用壽命，并從理論加以分析與綜合，以便為合理的選樣模具材料、優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、正

40、確制定模具制造工藝以及為新型模具材料的研制和新工藝的開發(fā)等提供指導(dǎo)性數(shù)據(jù)，并且可據(jù)此項(xiàng)測模具夜特定工作條件下的使用壽命。,四、模具的失效分析過程,1.2 模具的失效分析,59,(一)模具失效分析的主要任務(wù) 模具失效分析的任務(wù)就是要正確判斷模具失效的性質(zhì)、分析模具失效的原出、提出防止模具失效的具體措施。模具失效性質(zhì)的判斷主要依據(jù)失效模具的形貌特征、應(yīng)力狀態(tài)、材料強(qiáng)度和環(huán)境因素等，而模具失效原因的分析和防止模具失效措施的提出，主要

41、從以下幾個方面考慮。,1.2 模具的失效分析,60,1．合理選擇模具材料2．合理設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu) 3．保證加工和裝配質(zhì)量4．嚴(yán)格模具的質(zhì)量控制5．進(jìn)行模具的表面強(qiáng)化6．合理地使用、維護(hù)和保養(yǎng)模具,分析原因與措施應(yīng)考慮的幾個方面,1.2 模具的失效分析,61,1．現(xiàn)場調(diào)查與處理 進(jìn)行模具失效的現(xiàn)場調(diào)查，主要包括對模具現(xiàn)場的保護(hù)、觀察模具失效的形式與部位、了解生產(chǎn)設(shè)備的使用狀況和操作工藝、詢問具體操作情況和模具

42、失效過程、統(tǒng)計(jì)模具的壽命、收集并保存失效的模具等(保護(hù)斷口)，以供失效分析用。,（二）模具失效分析的方法和步驟,1.2 模具的失效分析,62,采用化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測定、金相組織分析、無損探傷等方法，復(fù)查材料的化學(xué)成分和冶金質(zhì)量。通過翻閱有關(guān)技術(shù)資料和檢測報(bào)告、檢查同批原材料、詢問生產(chǎn)人員等方式，詳細(xì)了解模具的材質(zhì)狀況、鍛造質(zhì)量、機(jī)械加工質(zhì)量、熱處理和表面處理質(zhì)量、裝配質(zhì)量等情況，核實(shí)各個環(huán)節(jié)是否符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定以及模具設(shè)計(jì)和工

43、藝上的技術(shù)要求。查閱模具工作記錄、檢修與維護(hù)記錄、了解生產(chǎn)設(shè)備的工作狀況及被加工坯料的實(shí)際情況，調(diào)查有關(guān)模具的使用條件和具體使用狀況，了解模具按操作規(guī)程操作時有無異?，F(xiàn)象等。,2．模具材料、制造工藝和工作情況調(diào)查,1.2 模具的失效分析,63,模具的工作條件包括模具的受載狀況、丁作溫度、環(huán)境介質(zhì)、組織狀態(tài)等。受載狀況包括載荷性質(zhì)、載荷類型、應(yīng)力分市、應(yīng)力集中狀況、是否存在最大應(yīng)力以及最大應(yīng)力的大小及分布等；模具的工作溫度包括工作

44、溫度的高低、工作溫度的變化幅度、熱應(yīng)力的大小等；環(huán)境介質(zhì)包括介質(zhì)的種類、含量、均勻性以及是否帶有腐蝕性等；組織狀態(tài)包括模具的組織類型、組織的穩(wěn)定性、組織應(yīng)力的大小與分布等。,3、模具的工作條件分析,1.2 模具的失效分析,64,對失效的模具進(jìn)行損傷處的外觀分析、斷口分析、金相分析、無損探傷等，了解模具損傷的種類，尋找模具損傷的根源．觀察損傷部位的表面形貌和幾何形狀、斷口的特征、模具的內(nèi)部缺陷、金相組織的組成及特征．結(jié)合各部分的分析

45、結(jié)果，綜合判斷模具的失效原因以及影響模具失效過程的各種因素。,4．模具失效的綜合分析,1.2 模具的失效分析,65,模具失效的原因一般有模具的工作環(huán)境、模具質(zhì)量、操作人員的水平和經(jīng)驗(yàn)、生產(chǎn)管理制度等，其中最主要的是模具質(zhì)量。因此，在分析模具失效原因時，應(yīng)特重點(diǎn)放在主要影響模具質(zhì)量的制造過程方面，制造過程方面的原因主要有模具材料的選擇與冶金質(zhì)量問題、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理、毛坯鍛造質(zhì)量差、存在機(jī)械加工缺陷、熱處理工藝選擇不當(dāng)、模具裝配精

46、度不高和維護(hù)不良等。,1.2 模具的失效分析,66,在實(shí)際生產(chǎn)中，模具的工作條件和工作環(huán)境往往比較復(fù)雜，因而其失效形式以及引起模具失效的原因也是多種多樣的，對其進(jìn)行失效分析的具體方法和步驟也各不相同。只要掌握了模具失效分析的一般規(guī)律，充分利用已有的技術(shù)資料和分析手段對失效模具進(jìn)行綜合分析，就能淮確找出其失效原因。,1.2 模具的失效分析,67,通過對失效模具進(jìn)行綜合分析，找出引起模具失效的原因，有針對性地提出防護(hù)措施，避免或減少該

47、種失效的重復(fù)發(fā)生。但是，同一模具可能有不同的損傷出現(xiàn)，而最終先導(dǎo)致模具失效的形式可能是其中的一種。當(dāng)我們采取相應(yīng)的措施防止了該種形式的失效以后．則另外一種失效形式又可能成為主要的失效形式．又需要我們采取另外的措施去解決新出現(xiàn)的失效問題，直到獲得滿意的程度。,5．提出防護(hù)措施,1.2 模具的失效分析,,68,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,一、冷作模具的服役條件及失效形式 冷作模具是指在常溫下對材料進(jìn)行壓力加工或其他加

48、工所使用的模具。典型的冷作模只主要有冷沖裁模、冷拉深模、冷擠壓模、冷鐓模等。各類冷作模具都是在常溫下對工件材料施力，使其產(chǎn)生變形或分離，從而獲得一定形狀、尺寸和性能的成品件。由于各類冷作模具的具體服役條件不同，則其失效形式也有各自不同的特點(diǎn)。,69,1．冷沖裁模 冷沖裁模的工作對象：鋼板、有色金屬板材或其他板材冷沖裁模的主要工作部位：凸模(沖頭)和凹模的刃口，靠它們對金屬板料施加壓力，使其產(chǎn)生彈性變形、塑性變形和分離的過程。

49、模具受力形式：凸模的壓力通常大于凹模，在沖裁軟質(zhì)薄板時，凸模承受的壓力并不大；在沖裁中、厚鋼板，尤其是在厚鋼板上沖裁小孔時，凸模所承受的單位壓力很大，同時，還要承受沖擊力、剪切力和彎曲力的作用。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,70,模具最常見的失效形式：磨損失效。從磨損機(jī)理上看，主要是粘著磨損，同時也伴隨有磨粒磨損和疲勞磨損；從磨損的部位考慮，則可細(xì)分為刃口磨損、端面磨損和側(cè)面磨損三種。薄板沖裁模受載荷較小，其失效形式主要是

50、磨損，只有在熱處理不當(dāng)或操作失誤的情況下，才可能出現(xiàn)脆性斷裂失效；而厚板沖裁模（t＞1.5mm）則受載荷較大，其失效形式除了磨損以外，還可能發(fā)生塑性變形、斷裂或崩刃等失效,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,71,冷拉深模是將板材進(jìn)行延伸使之成為一定尺寸、形狀產(chǎn)品的模具。冷拉深模的工作對象：鋼板、有色金屬板材或其他板材，冷拉深模工作狀況：凸模、凹模和壓邊圈的工作部位均無鋒利的尖角，模具零件的受力不像冷沖裁模那樣限定在較小的范圍內(nèi)

51、，凸模和凹模之問的間隙一般比板材厚度大，模具較少出現(xiàn)應(yīng)力集中；模具在工作時不易產(chǎn)生偏載，所承受的沖擊力很小.模具受力形式：凸模承受壓力和摩擦力，凹模承受徑向張力和摩擦力。模具的主要失效形式：磨粒磨損和粘著磨損，有時還會產(chǎn)生咬合、擦傷、變形等失效形式。,2．冷拉深模,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,72,3．冷鐓模 冷鐓模是在沖擊力的作用下將金屬棒狀坯料鐓成一定形狀和尺寸產(chǎn)品的冷作模具，主要用來加工各種形狀的螺釘、鉚釘、螺

52、栓和螺母等的毛坯。模具受力形式：在冷鐓加工過程中，沖擊頻率高(60~120次／min)，沖擊力大，金屬坯料受到強(qiáng)烈地鐓擊，同時，模具也同樣受到短周期沖擊載荷的作用；由于是在室溫條件下工作的，塑性變形抗力大，工作環(huán)境差，凸模承受巨大的沖擊壓力和摩擦力，凹模承受沖脹力和摩擦力，產(chǎn)生強(qiáng)烈地摩擦。冷鐓模最常見的失效形式：磨損失效和疲勞斷裂失效。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,73,冷擠壓模是使金屬坯料在強(qiáng)大而均勻的近似于靜擠壓力的

53、作用下，產(chǎn)生塑性變形流動而形成產(chǎn)品的模具。根據(jù)金屬坯料的流動方向與凸模運(yùn)動方向之間的關(guān)系，可將冷擠壓分為正向擠壓、反內(nèi)擠壓、復(fù)合擠壓和徑向擠壓四種類型，如圖l—9所示。,4．冷擠壓模,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,74,圖1-9 金屬擠壓類型示意圖a)正擠壓 b)反擠壓 c)復(fù)合擠壓 4)徑向擠壓,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,75,模具受力狀況：在進(jìn)行冷擠壓加下時，金屬坯料承受強(qiáng)烈的三向壓應(yīng)力，同時產(chǎn)生很

54、大的摩擦力。一般在擠壓鋼材時，正擠壓力約為2000一2500MPa，反擠壓力為3000—32500MPa；在擠壓有色金屬材料時，其擠壓力也會達(dá)到1000MPa。在擠壓時形成的摩擦功和變形能會轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生擠壓中的熱效應(yīng)，導(dǎo)致模具的局部表面產(chǎn)生400℃以上的高溫；此外，出于金屬坯料端面不平整、凸模與凹模之間的間隙不均勻和中心線不一致等因素，還會使凸模在擠壓時承受很大的偏載或橫向彎曲載荷。冷擠壓模的失效形式：塑性變形失效、磨損失效、凸模

55、折斷失效、疲勞斷裂失效及縱向開裂失效等，對于冷擠壓凹模有時還會產(chǎn)生脹裂失效。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,76,熱作模具是指將金屬坯料加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行壓力加工的模具，典型的熱作模具有錘鍛模、壓力機(jī)鍛模、熱擠壓模、熱沖裁模、壓鑄模等。各種熱作模具在工作時既承受機(jī)械載荷，又承受熱載荷，且在循環(huán)狀態(tài)下上作。由于被加工材料的不同和使用的成形設(shè)備不同，模具的工作條件有較大差別，因此，熱作模具的失效形式也就各不相同。,二、熱作

56、模具的服役條件及失效形式,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,77,錘鍛模是在模鍛錘上使用的熱作模具受力狀況：（1）在其服役時不僅要承受沖擊力和摩擦力的作用，還要承受很大的壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力的作用，同時也受到交替的加熱和冷卻作用。（2）錘鍛模模塊尾部呈燕尾狀，易形成應(yīng)力集中，會在燕尾的凹槽底部形成型紋而造成開裂現(xiàn)象。在模具的工作過程中，由于熱載荷的循環(huán)作用，在反復(fù)地加熱和冷卻的交替作用下，將會產(chǎn)生熱疲勞裂紋，導(dǎo)致模具的失

57、效。,1．錘鍛模,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,78,（3）若錘鍛模在機(jī)械載荷與熱載荷的共同作用下，會有其型腔表面形成復(fù)雜地磨損過程，其中包括粘著磨損、熱疲勞磨損、氧化磨損等。另外，當(dāng)鍛件的氧化皮末清除或未很好清除時，也會產(chǎn)生磨粒磨損。模具的失效部位：型腔中的水平面和臺階易產(chǎn)生塑性變形失效，側(cè)面易產(chǎn)生磨損失效，型腔深處和燕尾的凹角半徑處因易萌生裂紋而產(chǎn)生斷裂失效。錘鍛模的主要失效形式：磨損失效、斷裂失效、熱疲勞開裂失效及塑

58、性變形失效等。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,79,壓力機(jī)鍛模在服役時，承受巨大的壓力，當(dāng)模具在曲柄壓力機(jī)和水壓機(jī)上工作時，所承受的壓力主要是靜壓力，而沖擊力較小。模具工作狀況：與錘鍛模相比，熾熱的金屬坯料在型腔中停留的時間較長，壓力機(jī)鍛模的型腔溫度明顯比錘鍛模要高，受熱更嚴(yán)重。所以，壓力機(jī)鍛模中的熱應(yīng)力及其變化幅度均大于錘緞模，同時，模具型腔表面所經(jīng)受的氧化腐蝕也較嚴(yán)重。壓力機(jī)鍛模的失效形式：脆性斷裂失效、冷熱疲勞失效、

59、塑性變形失效、磨損失效以及模具型腔的表面氧化腐蝕失效等。,2．壓力機(jī)鍛模,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,80,熱擠壓模是使被加熱的金屬坯料在高溫壓應(yīng)力狀態(tài)下成形的一種模具受力狀況：（1）擠壓時承受壓縮應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，脫模時承受一定的拉應(yīng)力作用，模具和金屬坯料的接觸時間長，受熱溫度比熱鍛模高；（2）為防止模具的溫度升高，需要對模具(特別是凸模)進(jìn)行冷卻，工件脫模后，每次用潤滑劑和冷卻介質(zhì)涂抹模具的工作表面，而使擠壓模具經(jīng)常

60、受到急冷、急熱的交替作用；（3）熱擠壓模承受的沖擊載荷很小，而承受的靜載荷很大，凸模承受巨大的壓力，還承受很大的附加彎矩，在凸模脫模時還要承受一定的拉應(yīng)力；（4）凹模型腔表面承受變形坯料很大的接觸壓力，沿模壁存在很大的切向拉應(yīng)力，而且大都分布不均勻，內(nèi)加上熱應(yīng)力的作用，使凹模的受力極為復(fù)雜；（5）由于熱擠壓變形時的變形率較大，金屬坯料塑性變形時的金屬流動，對模具型腔表面產(chǎn)生的摩擦比錘鍛模劇烈得多，且由于硬顆粒(如氧化皮)的存在將導(dǎo)

61、致摩擦的進(jìn)一步加劇。,3．熱擠壓模,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,81,熱擠壓模的主要失效形式：斷裂失效、冷熱疲勞失效塑性變形失效、磨損失效以及模具型腔表面的氧化失效等。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,82,熱沖裁模是主要用于沖切模鍛件的飛邊和連皮的模具工作狀況：熱沖裁模具主要由凸模和凹模組成，工作時模具的刃口部分承受擠壓、摩擦和一定的沖擊載荷，同時還因?yàn)榻饘倥髁仙系膫鳠岫郎?，但由于所使用的鍛壓設(shè)備不同，所加工的

62、金屬坯料的尺寸不同，使各類熱沖裁模的刃口部位所承受的熱載荷與機(jī)械載荷有很大的區(qū)別主要失效形式：刃口的熱磨損失效、崩刃失效、卷邊失效和斷裂失效等。,4．熱沖裁模,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,83,壓鑄模是利用壓鑄機(jī)在高溫下使金屬壓鑄成形的一種模具。工作狀況：（1）壓鑄模的型腔表面要承受液態(tài)金屬的壓力、沖刷、侵蝕和高溫作用，每次壓鑄件脫模后還要對模具的型腔表面進(jìn)行冷卻和潤滑，而使模具承受頻繁的急冷、急熱的作用。（2）由于

63、不同材料的熔化溫度有很大差別，因此，用于不同材料的壓鑄模其工作條件的苛刻程度和使用壽命有很大區(qū)別。在壓鑄鋅合金時，壓鑄模型腔表面的溫度不超過400℃，熱載荷較小，模具的工作壽命較長；在壓鑄鋁合金時，壓鑄模的型腔表面溫度可達(dá)600 ℃左右，且熔融的鋁合金液體很容易粘附鋼鐵材料，使用時必須在模具的形腔表面反復(fù)涂抹防粘涂料，由此便造成了模具型腔表面的溫度波動。,5．壓鑄模,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,84,（3）在壓鑄銅合金時，模

64、具的型腔表面溫度可達(dá)到750℃以上，由于銅合金液體溫度高，而且銅合金的熱導(dǎo)性好，模具的型腔表面受到銅合金液體的反復(fù)沖刷，并且急冷、急熱的溫度變化幅度較大，產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。壓鑄時的壓應(yīng)力和脫膜時的拉應(yīng)力的反復(fù)作用下，模具的主要失效形式為熱疲勞龜裂；型腔中結(jié)構(gòu)凸起的小尺寸部分，也可能因?yàn)槭軣彳浕a(chǎn)生塑性變形失效。由此可見，銅合金壓鑄模的使用壽命遠(yuǎn)比鋁合金、鋅合金壓鑄模的使用壽命要低。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,85,（4）

65、在壓鑄鐵合金時，模具的型腔表面溫度會高達(dá)1000℃以上，且鐵合金液體對模具型腔表面的沖刷作用更厲害，因而鐵合金壓鑄模在服役時型腔表面的氧化、腐蝕會更嚴(yán)重，也更易于產(chǎn)生變形和熱裂，模具的使用壽命格會更低。壓鑄模的主要失效形式：粘模失效、侵蝕失效、熱疲勞失效、磨損失效等。當(dāng)模具的型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜并存在應(yīng)力集中時，模具也會在熱載荷與機(jī)械載荷的共同作用下出現(xiàn)斷裂失效。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,86,塑料模具是用于成型塑料制品的模具

66、，根據(jù)成型方法的不向，一般可分為注射模、壓縮模、壓注模、擠出模和氣動成型模等。其中以注射模應(yīng)用最廣，通常用于熱塑件塑料制件的成型；其次是壓縮模和壓注模，多用于熱固性塑料制品的成型；另外，擠出模主要用于生產(chǎn)熱塑性塑料的型材，氣動成型模主要用于生產(chǎn)中空塑料容器。,三、塑料模具的服役條件及失效形式,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,87,,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,88,注射成型工藝,1.3 典型模具的服役條件及失效形式

67、,89,壓縮成型工藝,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,90,,壓注成型工藝,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,91,,擠塑成型工藝,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,92,,吹塑成型工藝,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,93,1．塑料模的服役條件 塑料模一般有凸模、凹模、型芯、鑲塊、成型桿和成型環(huán)等，這些零部件構(gòu)成了塑料模的型腔，用來成型塑料制品的各種表面，它們直接與塑料相接觸，經(jīng)受其壓力、溫度、摩擦和腐蝕

68、等作用。塑料模按成型固化不同分為熱固性成型塑料模和熱塑性成型塑料模兩類。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,94,(1)熱固性塑料模的工作溫度為150一250℃，工作壓力為2000一8000MPa，物料以固體粉末狀態(tài)或預(yù)制坯料狀態(tài)進(jìn)入模具型腔。受力大、易磨損、受熱、有時有腐蝕?？蓧褐聘鞣N膠木粉，一般含有大量的固體填料，多以粉末狀態(tài)直接放入模具則腔，經(jīng)過熱壓成型，受力大，磨損較嚴(yán)重。,1.3 典型模具的服役條件及失效形式,95,