1、2022-11-3模具材料概论(1)模具材料概论模具材料概论(1)模具材料概论(1)课程内容提纲课程内容提纲l第第1章章 序言序言l第第2章章 冷作模具材料及热处理冷作模具材料及热处理l第第3章章 热作模具材料及热处理热作模具材料及热处理l第第4章章 塑料模具材料及热处理塑料模具材料及热处理l第第5章章 其它模具材料及热处理其它模具材料及热处理l第第6章章 模具表面处理技术模具表面处理技术模具材料概论(1)第第1 1章章 序言序言l1.1 1.1 模具材料的分类模具材料的分类l1.2 1.2 模具的失效分析模具的失效分析l1.3 1.3 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
2、l1.4 1.4 模具的使用寿命及影响因素模具的使用寿命及影响因素l1.5 1.5 模具材料的性能、选用与发展模具材料的性能、选用与发展模具材料概论(1)模具在现代工业中的作用模具在现代工业中的作用l 随着现代工业技术的发展，为提高产品质量，降低生产随着现代工业技术的发展，为提高产品质量，降低生产成本，提高生产效率和零件材料的利用率，国内外的生产成本，提高生产效率和零件材料的利用率，国内外的生产厂家都在采用各种先进的无切削或少切削加工工艺，如厂家都在采用各种先进的无切削或少切削加工工艺，如精精密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压密冲裁、精密锻造、压力铸造、冷挤压等成形技术来代替等成形技术来代替传
3、统的切削加工工艺。而传统的切削加工工艺。而模具成形技术是首选的工艺手段模具成形技术是首选的工艺手段之之一一，在飞机、汽车、机电产品、家用电器、塑料制品、，在飞机、汽车、机电产品、家用电器、塑料制品、等行业应用广泛。等行业应用广泛。l 模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，直接影响加工模具材料性能的好坏和使用寿命的长短，直接影响加工产品的质量和生产的效益。而模产品的质量和生产的效益。而模具材料的种类、热处理工具材料的种类、热处理工艺、表面处理技术艺、表面处理技术是影响模具使用寿命的极其重要的因素。是影响模具使用寿命的极其重要的因素。因此世界各国均致力于因此世界各国均致力于开发新型模具材料、改进模具
4、的热开发新型模具材料、改进模具的热处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、处理工艺、选用适当的表面处理技术、合理设计模具结构、加强对模具的维护加强对模具的维护等措施来提高模具的寿命等措施来提高模具的寿命模具材料概论(1)模具在现代工业中的作用模具在现代工业中的作用l 建国以来，我国在模具材料方面有了很大的发建国以来，我国在模具材料方面有了很大的发展，初步建立起了具有我国特色的模具材料体系、展，初步建立起了具有我国特色的模具材料体系、包括包括冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢等系等系列材料，并在模具制造业广泛使用。同时，针对列材料，并在模具制造业广泛
5、使用。同时，针对不同的工作条件与环境因素，开发了多种先进的不同的工作条件与环境因素，开发了多种先进的模具材料。模具材料。模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类根据服役条件根据服役条件，模具材料分为，模具材料分为l冷作模具材料冷作模具材料l热作模具材料热作模具材料l塑料模具材料塑料模具材料l其他模具材料其他模具材料模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类 一、冷作模具材料一、冷作模具材料l冷作模具材料应用量大使用面广，其主要性能冷作模具材料应用量大使用面广，其主要性能要求有要求有强度、硬度、韧性和耐磨性强度、硬度、韧性和耐磨性。近年来碳素。近年来碳素工具钢的使用愈来
6、愈少，而高合合钢模具所占的工具钢的使用愈来愈少，而高合合钢模具所占的比例为最高。比例为最高。l国外通用型冷作模具钢的代表钢种有低合金模具国外通用型冷作模具钢的代表钢种有低合金模具钢钢O1（9CrWMn)、中合金模具钢、中合金模具钢A2（Cr5Mo1V)和高碳高铬模具钢和高碳高铬模具钢D3（Cr12)、D2(Cr12Mo1V1)等等模具材料概论(1)钢种钢种牌号举例牌号举例碳素工具钢碳素工具钢T7、T8、T10油淬冷作模具钢油淬冷作模具钢CrWMn,9Mn2V,9SiCr,Cr2空淬冷作模具钢空淬冷作模具钢Cr5Mo1V、Cr6WV、8Cr2MnWMoVS、Cr4W2MoV高碳高铬冷作模具钢高碳
7、高铬冷作模具钢Cr12MoV、Cr12、Cr12MoV1基体钢和低碳高速钢基体钢和低碳高速钢6W6Mo5Cr4V,6Cr4W3Mo2VNb、7W7Cr4MoV硬质合金硬质合金YG6、YG8N、YG8C、YG15、YG25钢结硬质合金钢结硬质合金GT35、TLMW50常用冷作模具材料常用冷作模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类一般指其成分与高速钢淬火组织一般指其成分与高速钢淬火组织中基体化学成分相同的钢中基体化学成分相同的钢一种多相结合材料，耐磨性、硬一种多相结合材料，耐磨性、硬度、机械化强度都较高。不能进度、机械化强度都较高。不能进行切削加工。行切削加工。以高熔点碳化物以高熔点碳化物W
8、C、TiC为硬质相，以碳素工为硬质相，以碳素工具钢、合金工具钢或不锈钢为粘结相通过粉末具钢、合金工具钢或不锈钢为粘结相通过粉末冶金真空烧结轧制而成。既具有合金钢的可锻冶金真空烧结轧制而成。既具有合金钢的可锻造、切削加工、焊接及热处理性能，又具有硬造、切削加工、焊接及热处理性能，又具有硬质合金的高硬度、高耐磨性的特点质合金的高硬度、高耐磨性的特点模具材料概论(1)l 冷作模具钢以高碳合金钢为主，均属热处理强化型钢，冷作模具钢以高碳合金钢为主，均属热处理强化型钢，使用硬度高于使用硬度高于58HRC。l9CrWMn为典型代表的低合金冷作模具钢，仅用于小为典型代表的低合金冷作模具钢，仅用于小批量生产中
9、的简易型模具和承受冲击力较小的试制模批量生产中的简易型模具和承受冲击力较小的试制模具；具；lCrl2型高碳合金钢是大多数模具的选用材料，这类钢型高碳合金钢是大多数模具的选用材料，这类钢的强度和耐磨性较高，韧性较低；的强度和耐磨性较高，韧性较低；l在对模具综合力学性能要求更高的场合，常用的替代在对模具综合力学性能要求更高的场合，常用的替代钢种是钢种是W6Mo5Cr4V2高速钢和基体钢。高速钢和基体钢。1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l由于温度和冷却条件由于温度和冷却条件(有无冷却、如何冷却有无冷却、如何冷却)这两个因这两个因素，热作模具的工作条件远比冷作模具复杂，因而热素，
10、热作模具的工作条件远比冷作模具复杂，因而热作模具用材的系列化，除少数外不如冷作模具用材系作模具用材的系列化，除少数外不如冷作模具用材系列完整。列完整。l热作模具用材的选择，在力学性能方面要兼顾热作模具用材的选择，在力学性能方面要兼顾热强性热强性(热耐磨性热耐磨性)和抗裂纹性能。和抗裂纹性能。但由于加工对象但由于加工对象(热金属热金属)本本身强度不高，故对热作模具材料的屈服强度要求并不身强度不高，故对热作模具材料的屈服强度要求并不高，而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的高，而加工过程中采用的冲击加工方式及不可避免的局部急热急冷特性，对局部急热急冷特性，对韧性韧性提出了较高要求。提出了较高要
11、求。二、热作模具材料二、热作模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类3Cr2W8V，广泛用于制造黑，广泛用于制造黑色和有色金属热挤压模及色和有色金属热挤压模及Cu、Al合金的压铸模，但热稳定性合金的压铸模，但热稳定性差差4Cr5MoSiV1，具有良好的，具有良好的冷热疲劳性，在使用温度不冷热疲劳性，在使用温度不超过超过600时代替时代替H21模具材料概论(1)l 由于塑料模具的工作条件由于塑料模具的工作条件(加工对象加工对象)、制造、制造方法、精度及对耐久性要求的多样性，所以塑方法、精度及对耐久性要求的多样性，所以塑料模具用钢的成分范围
12、很大，各种优质钢都有料模具用钢的成分范围很大，各种优质钢都有可用之处，且形成了范围很广的塑料模具用材可用之处，且形成了范围很广的塑料模具用材料系列。料系列。1.1 模具材料的分类模具材料的分类三、塑料模具材料三、塑料模具材料模具材料概论(1)1.1 模具材料的分类模具材料的分类为避免大、中型精密塑料模具热处理后的变形，为避免大、中型精密塑料模具热处理后的变形，保证模具的精度和使用性能而开发的模具材料。保证模具的精度和使用性能而开发的模具材料。在钢厂经过充分锻打后制成模块预先调质要求的在钢厂经过充分锻打后制成模块预先调质要求的硬度（硬度（3035HRC）后供使用单位制造模具，切）后供使用单位制造
13、模具，切削加工成形后不再进行热处理直接使用削加工成形后不再进行热处理直接使用为避免形状复杂、精密、要长寿为避免形状复杂、精密、要长寿命的塑料模具在热处理过程中变命的塑料模具在热处理过程中变形，这类钢在固溶处理后进行切形，这类钢在固溶处理后进行切削加工，现进行低温时效硬化处削加工，现进行低温时效硬化处理获得要求的力学性能，时效处理获得要求的力学性能，时效处理后不再进行切削加工即可得到理后不再进行切削加工即可得到精度很高的模具成品精度很高的模具成品模具材料概论(1)l在三大类模具材料之外，还有在三大类模具材料之外，还有铸造模具钢铸造模具钢、有有色合金模具材料、玻璃模具材料等，陶瓷模具、色合金模具材
14、料、玻璃模具材料等，陶瓷模具、建材成型模具建材成型模具。另外我国还开发研制了特种新。另外我国还开发研制了特种新型模具用材。型模具用材。四、其他模具材料四、其他模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l通过精密铸造工艺直接得到形状复杂的模具铸通过精密铸造工艺直接得到形状复杂的模具铸件，与传统的模具生产工艺比较可以节省加工件，与传统的模具生产工艺比较可以节省加工工时，降低金属消耗，缩短模具制造周期，降工时，降低金属消耗，缩短模具制造周期，降低模具制造费用。低模具制造费用。l如美国如美国ASTM一一A597铸造工具钢标准中包括铸造工具钢标准中包括7个钢号。其中冷作模具钢个钢号。
15、其中冷作模具钢4种、热作模具钢种、热作模具钢2种、耐冲击工具钢种、耐冲击工具钢1种。种。(一一)铸造模具钢铸造模具钢1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l我国不少部门也开始研制并采用我国不少部门也开始研制并采用精密铸造工艺精密铸造工艺生产模具，生产模具，如东风汽车公司冲模厂已经采用火焰淬火冷作模具钢如东风汽车公司冲模厂已经采用火焰淬火冷作模具钢ZG7CrSiMnMov实型铸造工艺，生产出汽车大型覆盖件冲实型铸造工艺，生产出汽车大型覆盖件冲模的刃口镶块模，取得了良好的使用效果和经济效益。模的刃口镶块模，取得了良好的使用效果和经济效益。东风汽车模具有限公司东风汽车模具有限公司1.
16、1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 我国研制的铸造热锻模用钢我国研制的铸造热锻模用钢JCD钢已经试用于钢已经试用于小型热锻模块，代替小型热锻模块，代替5CrMnMo钢锻造模具。钢锻造模具。l我国研制的铸造锻模钢我国研制的铸造锻模钢ZDM2(3Cr3MoWVSi)钢，采用陶瓷型精密铸造工艺，通过几十种锻模钢，采用陶瓷型精密铸造工艺，通过几十种锻模的生产试用，代替传统的的生产试用，代替传统的5CrNiMo和和3Cr2W8V锻模，取得了较好的使用效果和经济效益。锻模，取得了较好的使用效果和经济效益。1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 随着工业产品的多样化和中小
17、批量生产的增加，随着工业产品的多样化和中小批量生产的增加，一些一些低成本、易加工、制造周期短低成本、易加工、制造周期短以及具有特殊性能以及具有特殊性能的有色金属材料模具也逐渐增多，使用较多的是的有色金属材料模具也逐渐增多，使用较多的是铜、铜、铝、锌铝、锌合金。合金。l 铜铜合金模具的合金模具的抗粘着性和热导件好抗粘着性和热导件好，常用作不锈钢，常用作不锈钢和表面处理钢板的和表面处理钢板的拉伸模和弯曲模具拉伸模和弯曲模具，近年来也用于，近年来也用于注射模。常用作模具的是铍青铜，由于铍是公害元素，注射模。常用作模具的是铍青铜，由于铍是公害元素，最近国外又开发出了含最近国外又开发出了含Ni-Si的的
18、Corson铜合金，这种铜合金，这种析出硬化型合金的特点是高强度和高热导性。析出硬化型合金的特点是高强度和高热导性。(二二)有色合金模具材料有色合金模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 铝合金除用于模具的导板、导柱等构件外，现在铝合金除用于模具的导板、导柱等构件外，现在5000系和系和7000系铝合金也应用于一些小批量生产的系铝合金也应用于一些小批量生产的试制模具，如薄板拉伸、塑料成型、发泡塑料等模具。试制模具，如薄板拉伸、塑料成型、发泡塑料等模具。l 锌合金的熔点较低，易于熔化和铸造锌合金的熔点较低，易于熔化和铸造，切削加工性，切削加工性能好，且可反复回收使用，常
19、常被能好，且可反复回收使用，常常被用作试制模具用作试制模具，主，主要用于薄板拉伸模、弯曲模和铝合金挤压模等。日本要用于薄板拉伸模、弯曲模和铝合金挤压模等。日本近几年又在传统制模用的锌合金基础上，添加近几年又在传统制模用的锌合金基础上，添加Cu、Al、Ti、Be等元素，开发出了新型的锌合金材料。等元素，开发出了新型的锌合金材料。1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l玻璃模具是玻璃制品的主要成型工艺装备。在玻玻璃模具是玻璃制品的主要成型工艺装备。在玻璃制品成型过程中，模具频繁地与璃制品成型过程中，模具频繁地与1100以上以上的熔融玻璃液接触，经受氧化、生长和热疲劳作的熔融玻璃液接
20、触，经受氧化、生长和热疲劳作用。根据玻璃模具的服役条件和失效形式，对模用。根据玻璃模具的服役条件和失效形式，对模具材料的要求具材料的要求以抗氧以抗氧化为最主要指标。通常采化为最主要指标。通常采用用耐热合金耐热合金钢，如钢，如3Cr2W8V、5CrNiMo以及合金以及合金铸铁等。铸铁等。三三)玻璃模具材料玻璃模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)l 除了上述几类模具材料外，还开发研制了特除了上述几类模具材料外，还开发研制了特种模具用材，如种模具用材，如CrMnN系系无磁模具钢无磁模具钢(用于电用于电子产品的无磁模具子产品的无磁模具)、高温玻璃模具钢、高温玻璃模具钢(用于高
21、用于高温餐具、高透光度的车灯、显像管玻璃模壳模温餐具、高透光度的车灯、显像管玻璃模壳模具具)、陶瓷模具、复合材料模具陶瓷模具、复合材料模具等。等。四四)特种新型模具材料特种新型模具材料1.1 模具材料的分类模具材料的分类模具材料概论(1)1.2 模具的失效分析模具的失效分析l模具失效是指模具模具失效是指模具丧失正常的使用功能丧失正常的使用功能，其生产出的，其生产出的产品已成为废品，模具不能通过一般的修复方法产品已成为废品，模具不能通过一般的修复方法(如刃如刃脚、抛磨等脚、抛磨等)使其重新服役的现象。使其重新服役的现象。l1、模具失效既有达到预定寿命的、模具失效既有达到预定寿命的正常失效正常失效
22、，也有远，也有远低于预定寿命的低于预定寿命的非正常失效非正常失效(早期失效早期失效)。非正常失效。非正常失效常常造成人身或设备的恶性事故，并造成经济上的损常常造成人身或设备的恶性事故，并造成经济上的损失，因此应尽量加以避免。失，因此应尽量加以避免。l失效分析的任务失效分析的任务：通过对模具失效进行分析，找出模：通过对模具失效进行分析，找出模具失效的具体原因，则可以采取相应的措施加以改进，具失效的具体原因，则可以采取相应的措施加以改进，以提高模具的使用寿命。以提高模具的使用寿命。模具材料概论(1)l 模具使用寿命是指模具在正常失效前生产出模具使用寿命是指模具在正常失效前生产出的合格产品的数目，若
23、其亦使用过程中经过多的合格产品的数目，若其亦使用过程中经过多次修模，则次修模，则模具的使用寿命为首次寿命与各次模具的使用寿命为首次寿命与各次修模寿命的总和。修模寿命的总和。l模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维设计与制造、模具热处理工艺、模具使用与维护等各项指标的综合体现，在一定程度上反映护等各项指标的综合体现，在一定程度上反映了一个国家或地区的冶金、机械制造等工业水了一个国家或地区的冶金、机械制造等工业水平。平。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 要研究模具的失效问题，就要了解各类模具要
24、研究模具的失效问题，就要了解各类模具的服役条件和失效形式，以便分析其失效原因，的服役条件和失效形式，以便分析其失效原因，合理地选择模具材料，改进模具的设计、加工合理地选择模具材料，改进模具的设计、加工和热处理工艺，提出预防或推迟失效的措施，和热处理工艺，提出预防或推迟失效的措施，不断提高模具的使用寿命。不断提高模具的使用寿命。一、模具主要失效形式一、模具主要失效形式1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l模具的基本失效形式是模具的基本失效形式是断裂及开裂、磨损、疲劳及冷断裂及开裂、磨损、疲劳及冷热疲劳、变形、腐蚀。热疲劳、变形、腐蚀。l模具在工作过程中可能同时出现多种损坏形式，
25、各种模具在工作过程中可能同时出现多种损坏形式，各种损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展，而当某损伤之间又相互渗透、相互促进、各自发展，而当某种损坏的发展导致模具失去正常功能，则模具失效。种损坏的发展导致模具失去正常功能，则模具失效。l 图图11举出了几种常见的模具失效形式。对不同类举出了几种常见的模具失效形式。对不同类型模具，损伤主要形式不同模具出现的损坏形式也在型模具，损伤主要形式不同模具出现的损坏形式也在变化，如冷作模具变化，如冷作模具脆断，热作模具脆断，热作模具冷热疲劳、冷热疲劳、裂纹及变形，而冷、热作模具都可能因磨损而失效。裂纹及变形，而冷、热作模具都可能因磨损而失效。1.2 模具的
26、失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)模具材料概论(1)l了解了模具失效形式，就可以进一步分析模具了解了模具失效形式，就可以进一步分析模具的失效原因，找出影响模具失效的各种因素，的失效原因，找出影响模具失效的各种因素，从而提高模具质量，延缓模具失效。从而提高模具质量，延缓模具失效。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 模具的失效模具的失效般都存在一个变化过程，如断裂失效就般都存在一个变化过程，如断裂失效就可能经历：表面产生缺陷可能经历：表面产生缺陷表面微裂纹表面微裂纹裂纹扩展裂纹扩展最后断裂的变化过程。最后断裂的变化过程。l模具在使用过程中，出现变形、微裂纹、腐蚀等现象模
27、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但没有立即丧失服役能力的现象称为模具损伤模具损伤。l模具在工作时，不同部位承受不同的作用力和不同的模具在工作时，不同部位承受不同的作用力和不同的温度变化，可能同时出现多种不同的损伤形式，温度变化，可能同时出现多种不同的损伤形式，各种各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 模具的失效一般可分为模具的失效一般可分为非正常失效非正常失效(也称早期失效也称早期失效)和和正常失效正常失效两类。两类。l非正常失效发生在
28、模具使用的初期，主要是由模具设非正常失效发生在模具使用的初期，主要是由模具设计和制造过程中的缺陷引起的，失效出现的几率很高，计和制造过程中的缺陷引起的，失效出现的几率很高，且随着模具使用期限的延长而迅速降低。且随着模具使用期限的延长而迅速降低。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀模具使用一定期限后，由缓慢塑性变形、均匀的磨损或疲劳破坏而出现的失效称为正常失效，的磨损或疲劳破坏而出现的失效称为正常失效，模具经过使用初期的考验后即进入正常的使用模具经过使用初期的考验后即进入正常的使用阶段。阶段。l在模具经过了长期使用后，由于使用损伤的大
29、在模具经过了长期使用后，由于使用损伤的大量累积，致使模具发生失效，即达到了模具的量累积，致使模具发生失效，即达到了模具的使用寿命极限。使用寿命极限。l在模具的使用过程中，注意做好经常性的检查、在模具的使用过程中，注意做好经常性的检查、维护和保养工作，可有效地推迟正常失效的到维护和保养工作，可有效地推迟正常失效的到来，有助于提高模具的使用寿命。来，有助于提高模具的使用寿命。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 1过量变形失效过量变形失效 过量弹性变形失效、过量弹性变形失效、过量塑性变形过量塑性变形(如局部如局部塌陷塌陷、局部、局部镦粗镦粗、型腔、型腔涨大涨大等等)失效、蠕变超
30、限等。失效、蠕变超限等。l 2表面损伤失效表面损伤失效 主要包括表面磨损主要包括表面磨损(如如粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、疲劳磨损等粘着磨损、磨料磨损、氧化磨损、疲劳磨损等)失效、表面腐蚀失效、表面腐蚀(如点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷如点腐蚀、晶间腐蚀、冲刷腐蚀、应力腐蚀等腐蚀、应力腐蚀等)失效、接触疲劳失效等。失效、接触疲劳失效等。l 3断裂失效断裂失效 主要有塑性断裂失效、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、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。应力腐蚀断裂失效等。二、模具失效的分类二、模具失效的分类1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料
31、概论(1)l(一一)磨损失效磨损失效l由于模具表面的相对运动，而从模具的接触表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。模具在工作面逐渐失去物质的现象称为磨损。模具在工作中会与坯料的成形表面相接触，产生相对运动中会与坯料的成形表面相接触，产生相对运动而造成磨损，当这种磨损使模具的尺寸发生变而造成磨损，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。常工作时，则称为磨损失效。三、模具的失效机理分析三、模具的失效机理分析1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 磨损有很
32、多种类型，按磨损机理不同可分为磨损有很多种类型，按磨损机理不同可分为磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。磨损、腐蚀磨损等。l 1磨粒磨损磨粒磨损 工件表面的硬突出物和外来硬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称为磨粒磨损。磨粒磨损的机材料脱落的现象称为磨粒磨损。磨粒磨损的机理如图理如图11所示。所示。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)影响磨粒磨损的因素主要有影响磨粒磨损的因素主
33、要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚度度等。等。l磨粒的外形越尖，则磨损量越大；磨粒的外形越尖，则磨损量越大；l磨粒的尺寸越大，模具的磨损量越大，但当磨粒的尺寸达磨粒的尺寸越大，模具的磨损量越大，但当磨粒的尺寸达到一定数值后，磨损量则会稳定在一定的范围内；到一定数值后，磨损量则会稳定在一定的范围内；l磨粒硬度磨粒硬度Ha与模具材料硬度与模具材料硬度 Hm的比值的比值Ha/Hm小于小于l时，时，磨损量较小，比值增加到磨损量较小，比值增加到1以上时，磨损量急剧增加，而以上时，磨损
34、量急剧增加，而后逐渐保持在一定的范围内；后逐渐保持在一定的范围内；l随着模具与工件表面压力的增加，磨损量会不断增加，当随着模具与工件表面压力的增加，磨损量会不断增加，当压力达到一定数值后，由于磨粒的尖角变钝面使磨损量的压力达到一定数值后，由于磨粒的尖角变钝面使磨损量的增加得以减缓；工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越深，增加得以减缓；工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。对模具的磨损量减小。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，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；有利于减少模
35、具的磨损量；l对模具进行表面耐磨处理可以在保证模具具有一定韧性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，提高其耐磨损性能；的条件下，提高其耐磨损性能；l在模具的使用过程中，及时清理模具和工件表面上的磨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，能有效地减少模具的磨粒，可以减少磨粒侵入的几率，能有效地减少模具的磨损。损。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造成粘着点发生断裂面使模具材料发生剥落的现象称为粘着成粘着点发生断裂面使模具材料发生
36、剥落的现象称为粘着磨损。磨损。影响粘着磨损的主要因素：影响粘着磨损的主要因素：材料性质、材料硬度、表面材料性质、材料硬度、表面压力等压力等l选择与工件材料互溶性小的模具材料，可减少两材料之间选择与工件材料互溶性小的模具材料，可减少两材料之间的溶解性，降低粘着磨损量；的溶解性，降低粘着磨损量；l合理选用润滑剂，形成润滑油膜，可以防止或减少两金属合理选用润滑剂，形成润滑油膜，可以防止或减少两金属表面的直接接触，有效地提高其抗粘着磨损能力；表面的直接接触，有效地提高其抗粘着磨损能力；l采用多种表面热处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性质采用多种表面热处理方法，改变金属摩擦表面的互溶性质和组织结构，尽量
37、避免同种类金属相互摩擦，可降低粘着和组织结构，尽量避免同种类金属相互摩擦，可降低粘着磨损。磨损。2粘着磨损粘着磨损1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生的表层在循环应力作用下，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。金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。l在模具和工件的相对运动中，会承受一定的作用力，在模具和工件的相对运动中，会承受一定的作用力，模具的表面和亚表面存在多变的接触压力和切应力，模具的表面和亚表面存在多变的接触压力和切应力，这些应力反复作用一定的周期后这些应
38、力反复作用一定的周期后,模具表面就会产生局模具表面就会产生局部的塑性变形和冷加工硬化现象。在那些相对薄弱的部的塑性变形和冷加工硬化现象。在那些相对薄弱的地方，会由于应力集中而形成裂纹源，并在外力的作地方，会由于应力集中而形成裂纹源，并在外力的作用下扩展，当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交用下扩展，当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交时，便形成磨损剥落。时，便形成磨损剥落。3疲劳磨损疲劳磨损1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 影响疲劳磨损的因素主要有影响疲劳磨损的因素主要有材料的冶金质量、材料硬材料的冶金质量、材料硬度、表面粗糙度度、表面粗糙度等。钢中的气体含量，非金属夹
39、杂物等。钢中的气体含量，非金属夹杂物的类型、大小、形状和分布等是影响疲劳磨损的重要的类型、大小、形状和分布等是影响疲劳磨损的重要因素因素l材料硬度，一般情况下硬度提高，可以增加模具表面材料硬度，一般情况下硬度提高，可以增加模具表面的抗疲劳能力，但硬度过高时又会加快疲劳裂纹的扩的抗疲劳能力，但硬度过高时又会加快疲劳裂纹的扩展，加速疲劳磨损。展，加速疲劳磨损。l材料的表面粗糙，会使接触应力作用在较小的面积上，材料的表面粗糙，会使接触应力作用在较小的面积上，形成很大的接触应力，加速疲劳磨损，因此降低模具形成很大的接触应力，加速疲劳磨损，因此降低模具表面模粗糙度可以提高模具的抗磨损能力。表面模粗糙度可
40、以提高模具的抗磨损能力。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 为了更好地提高模具的抗疲劳能力，应选择为了更好地提高模具的抗疲劳能力，应选择合适的润滑剂，用以润滑模具与工件的表面，合适的润滑剂，用以润滑模具与工件的表面，避免或减少模具与工件材料之间的直接接触，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，减少疲劳磨损量。降低接触应力，减少疲劳磨损量。l其次，可以在常温状态下，通过对模具表面进其次，可以在常温状态下，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受行喷丸、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，有利于提高压变形而产生一定的残
41、余压应力，有利于提高模具的抗疲劳磨损的能力。模具的抗疲劳磨损的能力。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l(1)气蚀气蚀磨损；由于金属表面的气泡发生破裂，产生磨损；由于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称为气蚀磨损。坑的现象称为气蚀磨损。l(2)冲蚀冲蚀磨损：固体和液体的微小颗粒以高速冲击的磨损：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形成麻点或凹坑的现象称为冲蚀磨损。受到损失而形成麻点或凹
42、坑的现象称为冲蚀磨损。l(3)腐蚀腐蚀磨损：在工作过程中，模具表面与其周围的环磨损：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，以及模具与工件之间境介质发生化学或电化学反应，以及模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象称为腐蚀的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。磨损。4其他磨损其他磨损1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l模具在工作中出现较大型纹或部分分离而丧失正常服役能模具在工作中出现较大型纹或部分分离而丧失正常服役能力的现象称为断裂失效。模具断裂通常表现为产生局部碎力的现象
43、称为断裂失效。模具断裂通常表现为产生局部碎块或整个模具断成几个部分。断裂是最严重的失效形式。块或整个模具断成几个部分。断裂是最严重的失效形式。l断裂失效分类，按照断裂的性质脆性断裂和韧性断裂；断裂失效分类，按照断裂的性质脆性断裂和韧性断裂；l按照断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂；按照断裂路径可分为沿晶断裂、穿晶断裂；l按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等。按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等。l由于模具材料多为中、高强度钢，塑性相对较差，断裂时由于模具材料多为中、高强度钢，塑性相对较差，断裂时没有或仅有少量的塑性变形发生，因而经常表现为脆性断没有或仅有少量的塑性变形发生，因而经常表现为
44、脆性断裂。裂。（二（二)断裂失效断裂失效1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l 1一次性断裂一次性断裂 模具在承受很大变形力或在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冲击载荷的作用下，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同，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。可将其分为沿晶断裂和穿晶断裂两种。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l(1)沿
45、晶断裂：是指裂纹沿晶界扩展而造成材料脆沿晶断裂：是指裂纹沿晶界扩展而造成材料脆性断裂的现象。一般情况下晶界处的键合力高于性断裂的现象。一般情况下晶界处的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶断裂。晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶断裂。而造成晶界弱化的基本原因有两个，一是材料的而造成晶界弱化的基本原因有两个，一是材料的性质，二是环境介质或高温的促进作用。性质，二是环境介质或高温的促进作用。l 一般来说，晶界强度与晶内强度都随温度发生变一般来说，晶界强度与晶内强度都随温度发生变化，如图化，如图1-5所示。在某一温度时，晶界强度与晶所示。在某一温度时，晶界强度与晶内强度相等，这一温度称为
46、等强温度。材料温度内强度相等，这一温度称为等强温度。材料温度高于等强温度时易产生沿晶断裂，材料温度低于高于等强温度时易产生沿晶断裂，材料温度低于等强温度时易产生穿晶断裂。等强温度时易产生穿晶断裂。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)1.2 模具的失效分析模具的失效分析沿晶断沿晶断裂裂穿晶断穿晶断裂裂模具材料概论(1)l(2)穿晶断裂穿晶断裂：是指因拉应力作用而引起的沿：是指因拉应力作用而引起的沿特定晶面的断裂，也称为解理断裂。当模具材特定晶面的断裂，也称为解理断裂。当模具材料的韧性较差、存在表面缺陷、承受高的冲责料的韧性较差、存在表面缺陷、承受高的冲责载荷时，易产生穿晶断裂。
47、载荷时，易产生穿晶断裂。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l疲劳断裂是指在较低的疲劳断裂是指在较低的循环载荷循环载荷作用下，工作作用下，工作一段时间后，出裂纹缓慢扩展，最后发生断裂一段时间后，出裂纹缓慢扩展，最后发生断裂的现象。的现象。l疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成，模具的疲劳裂纹萌生于外表面或次表面，形成，模具的疲劳裂纹萌生于外表面或次表面，但其形成方式各有不同。但其形成方式各有不同。2疲劳断裂疲劳断裂1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l(1)裂纹的萌生：疲劳裂纹常常在表面不均匀处、裂纹的萌生：疲
48、劳裂纹常常在表面不均匀处、晶界、夹杂物和第二相处形成。晶界、夹杂物和第二相处形成。l 模具上的模具上的尺寸过渡处、加工刀痕、磨损沟痕尺寸过渡处、加工刀痕、磨损沟痕等易等易产生应力集中，在循环应力作用下易产生滑移变产生应力集中，在循环应力作用下易产生滑移变形，而出现的变形台阶极易成为疲劳裂纹源。形，而出现的变形台阶极易成为疲劳裂纹源。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)l(2)裂纹的扩展：在循环应力的作用下，己形裂纹的扩展：在循环应力的作用下，己形成的裂纹便沿着主滑移面向模具材料内部扩展，成的裂纹便沿着主滑移面向模具材料内部扩展，此时与拉应力轴呈约此时与拉应力轴呈约45的角度，
49、当遇到晶的角度，当遇到晶界时其裂纹扩展位向会稍有改变；当扩展的裂界时其裂纹扩展位向会稍有改变；当扩展的裂纹遇到夹杂物或第二相这样的障碍物时，就会纹遇到夹杂物或第二相这样的障碍物时，就会转向与拉应力轴相垂直的方向扩展。转向与拉应力轴相垂直的方向扩展。1.2 模具的失效分析模具的失效分析模具材料概论(1)影响模具断裂失效的因素：模具结构和模具材料。影响模具断裂失效的因素：模具结构和模具材料。l模具结构模具结构:由于模具成形结构工艺性的要求，在模具零件上由于模具成形结构工艺性的要求，在模具零件上会存在会存在截面突变、凹槽、尖角、圆角半径截面突变、凹槽、尖角、圆角半径等，易产生应力等，易产生应力集中，
50、形成裂纹并导致断裂失效。集中，形成裂纹并导致断裂失效。措施措施:适当增大模具圆角半径、减小凹模深度、减少尖角数适当增大模具圆角半径、减小凹模深度、减少尖角数量、尽量避免截面突变等。量、尽量避免截面突变等。l 模具材料模具材料:冶金质量和加工质量。钢中的非金属夹杂物、冶金质量和加工质量。钢中的非金属夹杂物、中心疏松、白点成分偏析、碳化物大小、形状及分布不理中心疏松、白点成分偏析、碳化物大小、形状及分布不理想均以降低钢的强韧性及疲劳抗力。模具材料的断裂韧度想均以降低钢的强韧性及疲劳抗力。模具材料的断裂韧度越高，则越有利于防止裂纹的萌生及扩展，从而减少模具越高，则越有利于防止裂纹的萌生及扩展，从而减
