1、模具材料模具材料湖南工程学院湖南工程学院：高为国高为国Mold Materials第一章第一章 模具失效与使用寿命模具失效与使用寿命模具失效：模具失效：是指模具丧失正常的使用功能，不能通过一般是指模具丧失正常的使用功能，不能通过一般的修复方法（如刃磨、抛磨等）使其重新服役的现象，分为正的修复方法（如刃磨、抛磨等）使其重新服役的现象，分为正常失效和非正常失效两种。常失效和非正常失效两种。模具使用寿命：模具使用寿命：（也称为模具正常寿命）是指模具在正常（也称为模具正常寿命）是指模具在正常失效前生产出的合格产品的数目，若其在使用过程中经过多次失效前生产出的合格产品的数目，若其在使用过程中经过多次修模
2、，则模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。修模，则模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。第一节第一节 模具的失效分析模具的失效分析模具的失效分析是指对已经失效的模具进行失效过程的模具的失效分析是指对已经失效的模具进行失效过程的分析分析,并研究和分析模具失效的原因以及影响模具失效过程的并研究和分析模具失效的原因以及影响模具失效过程的各种因素。各种因素。一、模具的损伤与失效模具的损伤与失效模具在服役中产生腐蚀、过量塑性变形、表面损伤、开裂模具在服役中产生腐蚀、过量塑性变形、表面损伤、开裂与断裂、冷热疲劳、等损伤破坏后，将会失去原有功能，以致与断裂、冷热疲劳、等损伤破坏后，将会失去原
3、有功能，以致不能正常服役，这些现象均称为失效。不能正常服役，这些现象均称为失效。模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象，但模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象，但没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤。没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤。模具的失效一般可以分为模具的失效一般可以分为非正常失效非正常失效（也称早期失效）和（也称早期失效）和正常失效正常失效两类。两类。模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命而产生的失模具未达到一定工业技术水平公认的使用寿命而产生的失效称为非效称为非正常失效或早期失效正常失效或早期失效。模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀磨损或疲劳模具使用
4、一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀磨损或疲劳破坏而出现的失效称为破坏而出现的失效称为正常失效正常失效。二、模具失效的分类二、模具失效的分类1.1.过量变形失效：过量变形失效：主要包括过量弹性变形失效、过量塑性主要包括过量弹性变形失效、过量塑性变形失效、蠕变超限等。变形失效、蠕变超限等。2.2.表面损伤失效：表面损伤失效：主要包括表面磨损失效、表面腐蚀失效、主要包括表面磨损失效、表面腐蚀失效、接触疲劳失效等。接触疲劳失效等。3.3.断裂失效：断裂失效：主要有塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳主要有塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、蠕变断裂失效、应力腐蚀断裂失效等。断裂失效、蠕变断裂失效、应力
5、腐蚀断裂失效等。三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析（一）磨损失效：（一）磨损失效：由于模具表面的相对运动，而从模具的由于模具表面的相对运动，而从模具的接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损；当这种磨损使模具的接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损；当这种磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能正常工尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能正常工作时，则称为磨损失效。作时，则称为磨损失效。1.磨粒磨损：磨粒磨损：是指工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在是指工件表面的硬突出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象。加工时刮擦模具表面，引起模具表面
6、材料脱落的现象。影响磨粒磨损的因素：影响磨粒磨损的因素：主要主要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度有磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚度等。工件的表面压力、工件厚度等。减少模具磨损量的措施：减少模具磨损量的措施：提高模具材料的硬度，可以提高提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于减少模具的磨损量；对模具进行抵抗磨粒嵌入的能力，有利于减少模具的磨损量；对模具进行表面耐磨处理可以在保证模具具有一定韧性的条件下，提高其表面耐磨处理可以在保证模具具有一定韧性的条件下，提高其耐磨损性能；在模具的使用过程中，及时清理模具和工件表
7、面耐磨损性能；在模具的使用过程中，及时清理模具和工件表面上的磨粒，可以减少磨粒侵入的几率，有效地减少模具的磨损。上的磨粒，可以减少磨粒侵入的几率，有效地减少模具的磨损。2粘着磨损：是指粘着磨损：是指模具与工件表面模具与工件表面因凸凹不平，而使其在相对运动中造成因凸凹不平，而使其在相对运动中造成粘着点发生断裂而使模具材料发生剥落粘着点发生断裂而使模具材料发生剥落的现象。的现象。影响粘着磨损的因素：影响粘着磨损的因素：主要有材料主要有材料性质、材料硬度、表面压力等。性质、材料硬度、表面压力等。减少粘着磨损的措施：减少粘着磨损的措施：选择与工件选择与工件材料互溶性小的模具材料；合理选用润材料互溶性小
8、的模具材料；合理选用润滑剂，形成润滑油膜；采用多种表面热滑剂，形成润滑油膜；采用多种表面热处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性质和组织结构，尽量避免同种类金属相质和组织结构，尽量避免同种类金属相互摩擦，可降低粘着磨损。互摩擦，可降低粘着磨损。3疲劳磨损：疲劳磨损：在循环应力作用下，两接触面相互运动时在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表层金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。产生的表层金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。影响疲劳磨损的因素：影响疲劳磨损的因素：主要有材料的冶金质量、材料硬度、主要有材料的冶金质量、材料硬度、表面粗糙度等。表面粗糙度等。减少疲劳磨损的措
9、施：减少疲劳磨损的措施：选择合适的润滑剂，避免或减少模选择合适的润滑剂，避免或减少模具与工件材料之间的直接接触，降低接触应力；在常温状态下，具与工件材料之间的直接接触，降低接触应力；在常温状态下，通过对模具表面进行喷丸、滚压等处理，使模具的工作表面因通过对模具表面进行喷丸、滚压等处理，使模具的工作表面因受压变形而产生一定的残余压应力，有利于提高模具的抗疲劳受压变形而产生一定的残余压应力，有利于提高模具的抗疲劳磨损的能力。磨损的能力。4气蚀磨损：气蚀磨损：是指由金属表面的气泡发生破裂，产生瞬是指由金属表面的气泡发生破裂，产生瞬间的高温和冲击，使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象。间的高温和冲击，
10、使模具表面形成微小的麻点和凹坑的现象。5冲蚀磨损：冲蚀磨损：固体和液体的微小颗粒以高速冲击的形式固体和液体的微小颗粒以高速冲击的形式反复落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到损失而反复落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到损失而形成麻点或凹坑的现象称为冲蚀磨损。形成麻点或凹坑的现象称为冲蚀磨损。6腐蚀磨损：腐蚀磨损：在工作过程中，模具表面与其周围的环在工作过程中，模具表面与其周围的环境介质发生化学或电化学反应，再加上模具与工件之间的摩境介质发生化学或电化学反应，再加上模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料的脱落现象称为腐蚀磨损。擦作用而引起模具表层材料的脱落现象称为腐蚀磨损。（二）
11、断裂失效：（二）断裂失效：模具在工作中出现较大裂纹或部分分离模具在工作中出现较大裂纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。断裂失效的分类：断裂失效的分类：按照断裂的性质可分为脆性断裂和韧性按照断裂的性质可分为脆性断裂和韧性断裂；按照断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂；断裂；按照断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂、混晶断裂；按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等等。按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等等。1一次性断裂：一次性断裂：模具在承受很大变形力或在冲击载荷的模具在承受很大变形力或在冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断
12、裂称为一次性断作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂称为一次性断裂。一次性断裂的断口呈结晶状，根据裂纹扩展路径的走向不裂。一次性断裂的断口呈结晶状，根据裂纹扩展路径的走向不同，可将其分为沿晶断裂和穿晶断裂两种。同，可将其分为沿晶断裂和穿晶断裂两种。2疲劳断裂：疲劳断裂：疲劳断裂是指在较低的循环载荷作用下，疲劳断裂是指在较低的循环载荷作用下，工作一段时间后，由裂纹缓慢扩展最后发生断裂的现象；包工作一段时间后，由裂纹缓慢扩展最后发生断裂的现象；包括裂纹的萌生、裂纹的扩展和最后断裂三个阶段。括裂纹的萌生、裂纹的扩展和最后断裂三个阶段。（三）塑性变形失效：（三）塑性变形失效：模具在使用过程中由于发
13、生塑性变模具在使用过程中由于发生塑性变形而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效，塑性变形而不能通过修复继续服役的现象称为塑性变形失效，塑性变形失效的主要形式有塌陷、镦粗、弯曲等。形失效的主要形式有塌陷、镦粗、弯曲等。（二）模具失效分析的方法和步骤（二）模具失效分析的方法和步骤 1现场调查与处理现场调查与处理 2模具材料、制造工艺和工作情况调查模具材料、制造工艺和工作情况调查 3模具的工作条件分析模具的工作条件分析 4模具失效的综合分析模具失效的综合分析 5提出防护措施提出防护措施 四、模具的失效分析过程四、模具的失效分析过程 （一）模具失效分析的主要任务（一）模具失效分析的主要任务 1合
14、理选择模具材料合理选择模具材料 2合理设计模具结构合理设计模具结构 3保证加工和装配质量保证加工和装配质量 4严格模具的质量控制严格模具的质量控制 5进行模具的表面强化进行模具的表面强化 6合理的使用、维护和保养模具合理的使用、维护和保养模具 第二节第二节 典型模具的服役条件及失效形式典型模具的服役条件及失效形式一、冷作模具的服役条件及失效一、冷作模具的服役条件及失效冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所冷作模具是指在常温下对材料进行压力加工或其他加工所使用的模具，典型的冷作模具主要有冷冲裁模、冷拉深模、冷使用的模具，典型的冷作模具主要有冷冲裁模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等。挤压
15、模、冷镦模等。1冷冲裁模冷冲裁模 服役条件：服役条件：承受很大的压力，同时还要承受冲击力、剪切承受很大的压力，同时还要承受冲击力、剪切力和弯曲力的作用。力和弯曲力的作用。失效形式：失效形式：最常见是磨损失效，从磨损机理上看，主要是最常见是磨损失效，从磨损机理上看，主要是粘着磨损，同时也伴随有磨粒磨损和疲劳磨损。从磨损的部位粘着磨损，同时也伴随有磨粒磨损和疲劳磨损。从磨损的部位考虑，则可细分为刃口磨损、端面磨损和侧面磨损三种。考虑，则可细分为刃口磨损、端面磨损和侧面磨损三种。2冷拉深模冷拉深模 失效形式：失效形式：主要是磨粒磨损和粘着磨损，有时还会产生主要是磨粒磨损和粘着磨损，有时还会产生咬合、
16、擦伤、变形等失效形式。从失效部位上看，在凹模和咬合、擦伤、变形等失效形式。从失效部位上看，在凹模和压边圈的端面、凸模和凹模的圆角半径处，特别是在压边圈压边圈的端面、凸模和凹模的圆角半径处，特别是在压边圈口部和凹模端面圆角半径以外的区域产生粘着磨损的情况最口部和凹模端面圆角半径以外的区域产生粘着磨损的情况最为严重。为严重。3冷镦模冷镦模在室温条件下工作，塑性变形抗力大，工作环境差，凸模在室温条件下工作，塑性变形抗力大，工作环境差，凸模承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，产承受巨大的冲击压力和摩擦力，凹模承受冲胀力和摩擦力，产生强烈地摩擦。生强烈地摩擦。常见的失效形式是磨损失效和疲
17、劳断裂失效。同时，还可常见的失效形式是磨损失效和疲劳断裂失效。同时，还可能产生凸模的塑性变形和折断；引起凹模的模口胀大、棱角堆能产生凸模的塑性变形和折断；引起凹模的模口胀大、棱角堆塌、腔壁胀裂等损伤，而出现模具的失效。塌、腔壁胀裂等损伤，而出现模具的失效。4冷挤压模冷挤压模 冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的冷挤压模是使金属坯料在强大而均匀的近似于静挤压力的作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。冷挤压常分为作用下，产生塑性变形流动而形成产品的模具。冷挤压常分为正向挤压、反向挤压、复合挤压和径向挤压四种类型正向挤压、反向挤压、复合挤压和径向挤压四种类型，其失效，其失效形式主要
18、有塑性变形失效、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断形式主要有塑性变形失效、磨损失效、凸模折断失效、疲劳断裂失效及纵向开裂失效等，对于冷挤压凹模有时还会产生胀裂裂失效及纵向开裂失效等，对于冷挤压凹模有时还会产生胀裂失效。失效。二、热作模具的服役条件及失效形式二、热作模具的服役条件及失效形式 热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进行压力热作模具是指将金属坯料加热到再结晶温度以上进行压力加工的模具。典型的热作模具有锤锻模、压力机锻模、热挤压加工的模具。典型的热作模具有锤锻模、压力机锻模、热挤压模、热冲裁模、压铸模等。模、热冲裁模、压铸模等。1锤锻模锤锻模：在其服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作在其
19、服役时不仅要承受冲击力和摩擦力的作用，还要受到很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，同时用，还要受到很大的压应力、拉应力和弯曲应力的作用，同时也受到交替的加热和冷却作用。主要失效形式为磨损失效、断也受到交替的加热和冷却作用。主要失效形式为磨损失效、断裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效等。裂失效、热疲劳开裂失效及塑性变形失效等。2压力机锻模：压力机锻模：热应力及其变化幅度均大于锤锻模，同热应力及其变化幅度均大于锤锻模，同时，模具型腔表面所经受的氧化腐蚀也较严重。失效形式主要时，模具型腔表面所经受的氧化腐蚀也较严重。失效形式主要有脆性断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以有脆性断裂失效
20、、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔的表面氧化腐蚀失效等。及模具型腔的表面氧化腐蚀失效等。3热挤压模：热挤压模：承受的冲击载荷很小，而承受的静载荷很承受的冲击载荷很小，而承受的静载荷很大。凸模承受巨大的压力、附加弯矩和一定的拉应力；凹模型大。凸模承受巨大的压力、附加弯矩和一定的拉应力；凹模型腔表面承受变形坯料很大的接触压力和很大的切向拉应力，再腔表面承受变形坯料很大的接触压力和很大的切向拉应力，再加上热应力的作用，使凹模的受力极为复杂。同时存在较大的加上热应力的作用，使凹模的受力极为复杂。同时存在较大的磨损。失效形式主要有断裂失效、冷热疲劳失效、塑性变形失磨损。失效形式主要有断裂
21、失效、冷热疲劳失效、塑性变形失效、磨损失效以及模具型腔表面的氧化失效等。效、磨损失效以及模具型腔表面的氧化失效等。4压铸模：压铸模：压铸模的型腔表面要承受液态金属的压力、压铸模的型腔表面要承受液态金属的压力、冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸件脱模后还要对模具型腔表冲刷、侵蚀和高温作用，每次压铸件脱模后还要对模具型腔表面进行冷却和润滑，而使模具承受频繁的急冷、急热作用。失面进行冷却和润滑，而使模具承受频繁的急冷、急热作用。失效形式主要有粘模失效、侵蚀失效、热疲劳失效、磨损失效等。效形式主要有粘模失效、侵蚀失效、热疲劳失效、磨损失效等。三、塑料模具的服役条件及失效形式三、塑料模具的服役条件及失效形式
22、 塑料模具是用于成型塑料制品的模具，按成型固化不同分塑料模具是用于成型塑料制品的模具，按成型固化不同分为热固性塑料模和热塑性塑料模两类。为热固性塑料模和热塑性塑料模两类。塑料模一般有凸模、凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环塑料模一般有凸模、凹模、型芯、镶块、成型杆和成型环等，这些零部件构成了塑料模的型腔，用来成型塑料制品的各等，这些零部件构成了塑料模的型腔，用来成型塑料制品的各种表面，它们直接与塑料相接触种表面，它们直接与塑料相接触,经受其压力、温度、摩擦和经受其压力、温度、摩擦和腐蚀等作用。腐蚀等作用。在服役过程中，可产生磨损失效、腐蚀失效、塑性变形失在服役过程中，可产生磨损失效、腐蚀失效、塑
23、性变形失效、断裂失效、疲劳失效及热疲劳失效等。效、断裂失效、疲劳失效及热疲劳失效等。一、模具结构对使用寿命的影响一、模具结构对使用寿命的影响 1模具型腔的过渡圆角半径的影响模具型腔的过渡圆角半径的影响 第三节第三节 模具的使用寿命及其影响因素模具的使用寿命及其影响因素模具正常失效前生产出合格产品的数目称为模具的正常使模具正常失效前生产出合格产品的数目称为模具的正常使用寿命，简称模具寿命。模具首次修复前生产出合格产品的数用寿命，简称模具寿命。模具首次修复前生产出合格产品的数目称为模具的首次寿命；模具一次修复后到下一次修复前生产目称为模具的首次寿命；模具一次修复后到下一次修复前生产出合格产品的数目
24、称为模具的修模寿命，模具寿命是模具的首出合格产品的数目称为模具的修模寿命，模具寿命是模具的首次寿命与各次修模寿命的总和。次寿命与各次修模寿命的总和。2模具型腔结构的影响模具型腔结构的影响 模具型腔大多含有过渡圆角，过渡圆角的合理性对模具的模具型腔大多含有过渡圆角，过渡圆角的合理性对模具的使用寿命影响很大。使用寿命影响很大。3模具工作部位角度的模具工作部位角度的影响影响采用组合式结构的模具，也是避免出现模具型腔的开裂有采用组合式结构的模具，也是避免出现模具型腔的开裂有效措施之一。效措施之一。二、模具工作条件对使用寿命的影响二、模具工作条件对使用寿命的影响1成形件的材质、状态和温度成形件的材质、状
25、态和温度 2成形设备特性成形设备特性 3成形过程中的润滑和冷却成形过程中的润滑和冷却 三、模具材料对使用寿命的影响三、模具材料对使用寿命的影响 1材料的类别材料的类别 2硬度硬度 3冶金质量冶金质量 4热处理工艺热处理工艺 四、模具热处理与表面强化对使用寿命的四、模具热处理与表面强化对使用寿命的影响影响采用最佳的热处理工艺和表面强化技术，保证热处理和表采用最佳的热处理工艺和表面强化技术，保证热处理和表面强化质量是充分发挥模具材料潜力、提高模具使用寿命的关面强化质量是充分发挥模具材料潜力、提高模具使用寿命的关键。模具零件的预备热处理包括退火、正火、调质处理等工艺键。模具零件的预备热处理包括退火、正火、调质处理等工艺方法，而其最终热处理主要是淬火和回火工艺。方法，而其最终热处理主要是淬火和回火工艺。五、模具制造工艺对使用寿命的影响五、模具制造工艺对使用寿命的影响 1模具零件的加工精度模具零件的加工精度 2模具型腔的表面粗糙度模具型腔的表面粗糙度 3模具工作部位硬度的均匀性模具工作部位硬度的均匀性 4模具的装配精度模具的装配精度
