模具材料及表面强化技术 第一篇 1绪论+2模具的失效分析

模具失效分析目录1引言模具失效2模具失效形式案例分析及其改进模具磨损失效模具断裂失效模具塑性变形失效3总结4参考文献1引言模具失效冲压模具是冲压生产中必不可少的工艺装备，是技术密集型产品。

冲压件的质量、生产效率以及生产成本等，与模具设计和制造有直接关系。

模具设计与制造技术水平的高低，是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。

生产中的冲压模具经过一定时间使用后，由于种种原因不能再冲出合格的产品，同时又不能修复的现象称为冲压模具的失效。

由于冲压模具类型、结构、模具材料、工作条件的不同，所以冲压模失效的原因也各不相同。

一般为塑性变形、磨损、断裂或开裂、金属疲劳及腐蚀等等。

模具的失效也可分为：正常失效和早期失效模具模具在工作中，与成形坯料接触，并受到相互作用力产生一定的相对运动造成磨损。

当磨损使模具的尺寸、精度、表面质量等发生变化而不能冲出合格的产品时，称为磨损失效，磨损失效是模具的主要失效形式，为冲模的正常失效形式，不可避免。

按磨损机理，模具磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。

①磨粒磨损硬质颗粒存在于坯料与模具接触表面之间，或坯料表面的硬突出物，刮擦模具表面引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。

②黏着磨损坯料与模具表面相对运动，由于表面凹凸不平，黏着部分发生剪切断裂，使模具表面材料转移或脱落的现象称为黏着磨损。

③疲劳磨损坯料与模具表面相对运动，在循环应力的作用下，使表面材料疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。

④腐蚀磨损在摩擦过程中，模具表面与周围介质发生化学或电化学反应，引起表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。

在模具与坯料相对运动过程中，实际磨损情况非常复杂。

工作中可能出现多种磨损形式，它们相互促进，最后以一种磨损形式失效。

冲裁模的工作条件冲裁模具主要用于各种板料的冲切。

从冲裁工艺分析中我们已经得知，板料的冲裁过程可以分为三个阶段：弹性变形阶段塑性变形阶段剪裂阶段对于薄板冲裁模，由于模具受到的冲击载荷不大，在正常的使用过程中，模具因摩擦产生的刃口磨损是主要的失效形式磨损过程可分为初期磨损，正常磨损和急剧磨损三个阶段初期磨损阶段模具刃口与板料相碰时接触面积很小，刃口的单位压力很大，造成了刃口端面的塑性变形，一般称为塌陷磨损, 其磨损速度较快.正常磨损阶段当初期磨损达到一定程度后，刃口部位的单位压力逐渐减轻，同时刃口表面因应力集中产生应变硬化。

第一节模具失效的原因分析塑料模具的失效形式主要体现在以下几个方面：选材、钢料品质、模具设计、模具加工质量、热处理、模具表面处理、模具使用等。

1)表面磨损、局部崩裂、变形及断裂；模具的耐磨性，随着模具硬度的提高而增加，但在硬度相同的情况下，韧性愈好耐磨性愈高，所以，模具硬度越高，冲击性能会下降，会促使磨损裂纹的形成和扩展，从而加速磨损的进程。

要提高耐磨性，必须注意硬度和韧性的良好配合。

2)由于塑料制品的表面粗糙度及精度要求较高，再加上不少塑料中含有氯氟元素，其产生的腐蚀性气体的腐蚀，会加剧模具的磨损失效，所以，因表面磨损造成的模具失效比例大；3)因未调整好低压保护，胶件的压模造成模具表面凹陷的情况也时有发生；4)小型模具在大吨位机台上超载使用时，容易产生表面凹陷、皱纹、堆塌等，特别是在棱角处易产生塑性变形；5)由于塑料制品成型模具形状复杂，存在许多棱角、薄壁等部位，在这些部位会产生应力集中，而发生断裂。

6)模具材质选择不当。

具体见《模具选材原则》。

7)模具工件热处理工艺不良。

从模具失效分析得知，70％的模具失效是由于热处理不当与选材不当造成的。

二、模具失效改善途经：采用正确的钢料热处理工艺与钢料表面处理工艺为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能，除合理选用材料和各种成形工艺外，热处理工艺往往是必不可少的。

热处理加热温度的高低、保温时间的长短、冷却速度的快慢和炉内气氛等工艺参数的选择不当，都会造成淬火开裂或早期失效。

众所周知，磨损、粘结均发生在表面，疲劳、断裂也往往从表面开始，因此，对模具表面的加工质量要求非常高。

但实际上由于加工痕迹的存在，热处理时表面氧化脱碳也在所难免。

因此，模具的表面性能反而比基体差。

采用热处理新技术是提高模具性能的经济而有效的重要措施。

模具热处理工艺包括基体强韧化和表面强化处理。

基体的强韧化在于提高基体的强度和韧度，减少断裂和变形。

表面强化的主要目的的是提高模具表面的耐磨性、耐蚀性和润滑性能。

冲压模用钢的最新研究现状首先冲压模具材料制造冲压模具的材料有钢材、硬质合金、钢结硬质合金、锌基合金、低熔点合金、铝青铜、高分子材料等等。

目前制造冲压模具的材料绝大部分以钢材为主，常用的模具工作部件材料的种类有：碳素工具钢、低合金工具钢、高碳高铬或中铬工具钢、中碳合金钢、高速钢、基体钢以及硬质合金、钢结硬质合金等等。

其中新材料冲压模具使用的材料属于冷作模具钢，是应用量大、使用面广、种类最多的模具钢。

主要性能要求为强度、韧性、耐磨性。

目前冷作模具钢的发展趋势是在高合金钢D2（相当于我国Cr12MoV）性能基础上，分为两大分支：一种是降低含碳量和合金元素量，提高钢中碳化物分布均匀度，突出提高模具的韧性。

如美国钒合金钢公司的8CrMo2V2Si、日本大同特殊钢公司的DC53(Cr8Mo2SiV)等。

另一种是以提高耐磨性为主要目的，以适应高速、自动化、大批量生产而开发的粉末高速钢。

如德国的320CrVMo13，等。

热处理、表处理新工艺为了提高模具工作表面的耐磨性、硬度和耐蚀性，必须采用热、表处理新技术，尤其是表面处理新技术。

除人们熟悉的镀硬铬、氮化等表面硬化处理方法外，近年来模具表面性能强化技术发展很快，实际应用效果很好。

其中，化学气相沉积（CVD）、物理气相沉积（PVD）以及盐浴渗金属（TD）的方法是几种发展较快，应用最广的表面涂覆硬化处理的新技术。

它们对提高模具寿命和减少模具昂贵材料的消耗，有着十分重要的意义。

模具钢钢种的发展冷作模具钢：冷作模具钢主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成型的模具。

如：冷冲裁模具、冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、螺纹压制模具和粉末压制模具等。

冷作模具钢的范围很广，从各种碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢到粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢。

热作模具钢：热作模具钢主要用于制造对高温状态下的工件进行压力加工的模具。

如：热锻模具、热挤压模具、压铸模具、热镦锻模具等。

模具材料及表面强化处理1引言模具是工业生产中必不可少的工具，它们在制造产品的过程中起着至关重要的作用。

模具材料的选择和表面强化处理对于模具的性能和寿命有着重要的影响。

本文将介绍常见的模具材料以及常用的表面强化处理方法。

一、模具材料1.1 铸造模具材料1.1.1 灰铁灰铁常用于生产小型模具，其具有良好的耐磨性和可加工性。

然而，由于其脆性较高，不适用于生产大型模具。

1.1.2 钢钢是最常用的模具材料之一，具有良好的强度和耐磨性。

根据工作条件的不同，可以选择碳素钢、合金钢或工具钢作为模具材料。

1.1.3 铝合金铝合金模具具有较低的密度和良好的导热性能，适用于高速冲压和热压成型。

1.2 塑料模具材料1.2.1 铝合金铝合金模具用于生产小型塑料制品，如手机壳等。

它具有良好的导热性和低重量，适用于高速注塑。

1.2.2 硅橡胶硅橡胶模具适用于制造高精度的塑料制品，如光学镜片。

它具有较低的粘附性和高弹性，便于脱模。

二、表面强化处理方法2.1 热处理热处理是常用的表面强化处理方法之一，通过控制材料的加热和冷却过程，使材料的组织结构得到改善，提高其硬度和耐磨性。

2.2 表面喷涂表面喷涂是一种常见的表面强化处理方法，通过在模具表面喷涂一层具有高硬度和耐磨性的材料，如陶瓷涂层或金属涂层，增加模具的寿命和耐磨性。

2.3 氮化处理氮化处理是一种提高模具硬度和耐磨性的表面强化处理方法。

在高温下，将模具表面与氨气反应，形成氮化层，提高模具的硬度和耐磨性。

2.4 氧化处理氧化处理是一种常用的提高模具抗氧化性能的表面强化处理方法。

通过在模具表面形成氧化层，阻止金属与氧气的直接接触，降低模具的氧化速度。

三、结论模具的材料选择和表面强化处理对于模具的性能和寿命有着重要的影响。

灰铁、钢和铝合金是常用的铸造模具材料，而铝合金和硅橡胶是常用的塑料模具材料。

常见的表面强化处理方法包括热处理、表面喷涂、氮化处理和氧化处理，通过这些方法可以提高模具的硬度、耐磨性和抗氧化性能。

模具材料及模具失效分析一、模具材料模具是工业生产过程中常见的一种工具，用于制造各种产品的零部件。

模具的材料选择非常重要，直接关系到模具的使用寿命和制造成本。

现代模具材料主要包括金属材料和非金属材料两大类。

1.金属材料金属材料通常具有良好的韧性和耐磨性，可以承受较大的应力和变形，常用的金属材料有：(1)工具钢：工具钢是最常见的模具材料之一，具有高硬度、耐磨性好、韧性适中等特点。

根据具体的工作条件和要求，可以选用热处理工具钢、非调质工具钢或高速钢等不同种类的工具钢。

(2)铸造钢：铸造钢适用于大型模具的制造，具有较高的强度和耐磨性。

根据具体需要，可以选择低合金铸造钢、合金钢或特殊耐磨铸造钢等。

(3)铝合金：铝合金具有良好的加工性能和寿命，适用于制造小型模具。

常用的铝合金有铝青铜、铝镁合金等。

2.非金属材料非金属材料通常具有良好的绝缘性能和耐腐蚀性能，可以避免产品受到外部环境的干扰，常用的非金属材料有：(1)塑料模具材料：塑料模具材料具有良好的耐腐蚀性和绝缘性能，适用于制造精密零件。

常用的塑料模具材料有聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氨酯等。

(2)橡胶模具材料：橡胶模具材料具有良好的弹性和耐磨性，适用于制造高要求的橡胶制品。

常用的橡胶模具材料有丁腈橡胶、硅橡胶等。

模具失效是指模具在使用过程中出现的各种损坏、故障和失效现象。

模具失效会导致产品质量下降、生产效率降低等问题。

模具失效通常可以分为以下几个方面进行分析：1.磨损失效：模具在使用过程中，由于受到较大的力和摩擦作用，会产生磨损现象。

磨损主要分为表面磨损和体积磨损两种类型，可以通过表面硬度测试、磨损重量测量等方法进行分析。

2.疲劳失效：模具在长期使用过程中，由于频繁的应力变化和变形，会产生疲劳现象。

疲劳失效一般表现为裂纹、断裂等现象，可以通过金相组织观察、断口形貌分析等方法进行分析。

3.塑性变形失效：模具在使用过程中，由于受到较大的应力和变形，会产生塑性变形现象。

模具失效分析目录1引言模具失效2模具失效形式案例分析及其改进2、1模具磨损失效2、2模具断裂失效2、3模具塑性变形失效3总结4参考文献1引言模具失效冲压模具就是冲压生产中必不可少的工艺装备,就是技术密集型产品。

冲压件的质量、生产效率以及生产成本等,与模具设计与制造有直接关系。

模具设计与制造技术水平的高低,就是衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志之一,在很大程度上决定着产品的质量、效益与新产品的开发能力。

生产中的冲压模具经过一定时间使用后,由于种种原因不能再冲出合格的产品,同时又不能修复的现象称为冲压模具的失效。

由于冲压模具类型、结构、模具材料、工作条件的不同,所以冲压模失效的原因也各不相同。

一般为塑性变形、磨损、断裂或开裂、金属疲劳及腐蚀等等。

模具的失效也可分为:正常失效与早期失效模具模具在工作中,与成形坯料接触,并受到相互作用力产生一定的相对运动造成磨损。

当磨损使模具的尺寸、精度、表面质量等发生变化而不能冲出合格的产品时,称为磨损失效,磨损失效就是模具的主要失效形式,为冲模的正常失效形式,不可避免。

按磨损机理,模具磨损可分为磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损。

①磨粒磨损硬质颗粒存在于坯料与模具接触表面之间,或坯料表面的硬突出物,刮擦模具表面引起材料脱落的现象称为磨粒磨损。

②黏着磨损坯料与模具表面相对运动,由于表面凹凸不平,黏着部分发生剪切断裂,使模具表面材料转移或脱落的现象称为黏着磨损。

③疲劳磨损坯料与模具表面相对运动,在循环应力的作用下,使表面材料疲劳脱落的现象称为疲劳磨损。

④腐蚀磨损在摩擦过程中,模具表面与周围介质发生化学或电化学反应,引起表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。

在模具与坯料相对运动过程中,实际磨损情况非常复杂。

工作中可能出现多种磨损形式,它们相互促进,最后以一种磨损形式失效。

冲裁模的工作条件冲裁模具主要用于各种板料的冲切。

从冲裁工艺分析中我们已经得知,板料的冲裁过程可以分为三个阶段:弹性变形阶段塑性变形阶段剪裂阶段对于薄板冲裁模,由于模具受到的冲击载荷不大,在正常的使用过程中,模具因摩擦产生的刃口磨损就是主要的失效形式磨损过程可分为初期磨损,正常磨损与急剧磨损三个阶段初期磨损阶段模具刃口与板料相碰时接触面积很小,刃口的单位压力很大,造成了刃口端面的塑性变形,一般称为塌陷磨损, 其磨损速度较快、正常磨损阶段当初期磨损达到一定程度后,刃口部位的单位压力逐渐减轻,同时刃口表面因应力集中产生应变硬化。

模具的失效分析№ 1一, 目的1, 模具设计人员必须熟知如何保证模具设计正确,合理,提高模具寿命,降低成本.2, 生产中模具失效时,能分析原因,提出改进措施,也是工艺员应掌握的技能.二, 模具的工作条件1, 工装模具组成凹模 - 冷镦, 正挤, 反挤, 冲孔, 锥形凸模, 切边凹模, 切边凸模,孔类` 螺母用凹模等.套 - 推出销套, 衬套垫 - 带孔垫块轴类冲头–正挤, 反挤, 六方冲头, (螺母冲头), 推出销, 凸模销,光凸模(无孔)销, 轴, 杆.板,块类型 - 垫块,切断刀,送料滚,刀体,钳片,夹子,弹簧板,弹簧片螺旋弹簧–拉,压弹簧碟簧板簧2, 易损件 (服役期短,经常更换的件)冲头, 凹模重点分析易损件–冲头, 凹模.3, 模具工作条件①挤压冲头工作条件–以活塞销为例上冲头上冲头–向下运动, 下冲头–固定不动.挤压中,上冲头受力大于下冲头. 上冲头受力情况如下:A) 向下运动–反挤坯料,冲头受压应力. B)向上运动–脱离坯料,因摩擦力冲头受拉应力. C)可能因冲头偏心,产生弯曲应力.结论: 上冲头受力复杂,易导致失效. 上冲头最大名义压力可达2500 MPa.在尺寸过渡处,由于应力集中, 有时应力更大于此值.② 冷挤压凹模的工作条件 № 2 冷挤压过程中,凹模型腔表面受很大的压力,该压力使凹模产生巨大的切向拉应力.(以下插图)p 0材料力学厚壁筒受力分析理论公式拉应力压应力P 1R 21 - P 0 R 20R 20 -R 21P 1 -P 0R 21 R 20σt σr =()+R 2R 20-R 21()=R 20 -R 21P1R 21 - P 0 R 20-)(R 20-R 21R 2)(R 21 R 20P 1 -P 0①②③④⑤⑥当采用整体模时,如下图P 0 =0 代入①,②式)(R 20 -R 21R 2+=σt R 21 R 20P 1R 20 -R 21P 1R 21=P 1R 21R 20 -R 21(1+R 20R 2)P 1 R 21 R 20R 2R 20 -R 21()-P 1R 21 R 20 -R 21=σr =R 20 -R 21P 1R 21 )R 2R 201-(当R=R 1 时,分别代入公式③,④得σtR1σrR1=)R 21R 201+(R 20 -R 21P 1R 21)R 21R 21-(R 20 -R 21P 1R 21=P 1R 20 -R 21R 20 +R 21==-P 1所以实际应用中,整体式凹模 d外/ d内比值取4-6 符合上面计算结果.σtR0=P1(6R1)2 -R212R21=2 /35 P1=0.0571P1由公式⑦得当R0 = 6 R1时,=0.133P1=2 /15 P12R21(4R1)2 -R21P1=σtR0由公式⑦得3,整体模孔与外径的尺寸关系当R0 = 4 R1时,结论:1,σt切向应力不是均匀分布,靠近内表面处最大,靠近外表面处最小.2,凹模承载能力并非随壁厚的增加而按比例增加.如已知一整体模及 P1 ,R0 ,R1 , 则可求出模中某点应力状态,见下图σtR0σrR0=)R21R201+(R20 -R21P1R21)R20R201-(R20 -R21P1R21=P1R2-R212R21==0当R=R0时,分别代入公式③,④得⑧⑦三,模具失效的基本形式及原因模具失效形式–模具丧失服务能力的某种损伤形式.大多数模具出现损伤后,不会立即丧失服务能力,仅在其中一种损伤发展到足以妨碍模具正常工作或生产出废品时,此模具才停止服役.№ 3(二)模具塑性变形失效原因凸凹模磨损失效是一种正常失效,但有时发生早期磨损失效值得研究.1,模具磨损过程磨损量 mg C①初期磨损阶段 A新模具 B刃口锋利(切边模,冲切模),模孔形状误差(不圆度等),与坯料接触面积小,局部压力大, A以及产生塑性变形,导致磨损速度加快.冲击次数 N②正常磨损阶段 B初期磨损阶段达到一定程度,刃口与工件接触单位压力减轻,不再产生塑性变形,进入摩擦磨损阶段. 在此过程中,由于反复冲击,而模具渐渐趋于疲劳.③过激磨损阶段 C刃口, 模孔呈现疲劳,模具急剧磨损,不能正常工作,甚至因冲击出现表面剥落,剥落硬粒子成为磨粒,加快了磨损速度.2,模具磨损失效原因–基本原因是磨擦№ 6(四) 模具疲劳失效原因1,特征: 在模具某些部位△在模具某些部位,经一定的服役期,萌生了细小的裂纹,并逐渐向纵深扩展.裂纹扩展到一定的尺寸后,严重的削弱模具的承载能力,而引起断裂.疲劳裂纹萌生于应力较大的部位,特别是应力集中的部位(尺寸过渡,缺口,刀痕,磨削裂纹等).△模具通常在高强度,低塑性状态下服役,在模具的微观疲劳断口处,很难观察到典型的疲劳条带,但是其宏观断口上,往往呈现出海滩状形貌.△高碳高合金钢模具,其疲劳断口往往出现粗糙的木纹状条纹.对宏观断口的形貌观察产生严重的干扰.2,疲劳裂纹分析根本原因是循环载荷.疲劳失效过程分两个阶段, ①疲劳裂纹的萌生②疲劳裂纹的扩展.1)疲劳裂纹的萌生①位置–经常在尺寸过渡处, 刀痕处,磨削沟痕处,磨削裂纹处.②萌生机理–见下图模具表面某些微区域内,可先发生滑移,滑移随载荷变化反复进行,到达某一程度后,材料滑移抗力下降,可能从滑移带中挤出金属,成为挤出锋,与此同时形成凹槽.当循环应力较大或晶界相对弱化时,疲劳裂纹可萌生于晶界.疲劳裂纹也可以萌生于粗大的第二相颗粒与基体的界面上.水介质(自来水,盐水等)显著加速疲劳裂纹的萌生和扩展,剧烈降低疲劳寿命.2)疲劳裂纹的扩展–分两个阶段A,扩展第一阶段 : 形成滑移带裂纹源后,沿着与拉伸应力轴成45°角的滑移面扩展.这种切变式扩展称为第一阶段扩展.对钢铁材料,第一阶段扩展为数百微米.如疲劳裂纹萌生于夹杂物,第一阶段扩展的深度仅为数个微米以后就转向垂直于拉应力轴的方向扩展.B,扩展第二阶段 : 疲劳裂纹沿垂直于拉力轴的方向扩展,在此阶段有多种机制,有拉伸,有压缩.3, 冷模具钢对疲劳裂纹萌生扩展的影响模具钢具有很高的屈服强度和很低的断裂韧性.高的屈服强度–有利于推迟疲劳裂纹的萌生.低的断裂韧性–加快疲劳裂纹的扩展,使疲劳裂纹扩展循环数剧烈缩短.№ 74,模具疲劳失效原因№ 8 根本原因是循环载荷,凡促使表面拉应力增大的因素均增加疲劳裂纹的萌生.(五) 模具冷热疲劳失效1,失效形态在极冷,极热条件下服役的模具,锻压数千次或数百次之后,型腔表面出现许多细小裂纹,其形状有网状,放射状,平行状等,这些裂纹仅有数毫米深,不会向纵深扩展,冷热疲劳裂纹经常萌生于刀痕及磨损沟槽,外观呈现直线状.2,模具冷热疲劳失效原因锻压钢件的模具与坯料接触时,表面迅速升温到600℃-900℃而内层尚处于较低的温度,表面层受热而膨胀,但受内层的约束,因而在表面产生压应力,压应力的数值一般均大于模具材料在该状态下的屈服强度,因而引起塑性变形.锻件脱模后,由于向模具表面喷洒冷却剂,使表面急剧冷却而收缩,当表面收缩受到约束时,便产生拉应力,模具表面层中的循环热应力是引起冷热疲劳的根本原因.高温氧化,冷却水的电化学腐蚀以及坯料的摩擦作用,加速了冷热疲劳过程.因此,冷热疲劳过程是极其复杂的物理化学过程.(六) 模具的断裂失效模具在服役过程中,突然出现大裂纹或分离为两部分或数部分使模具立即丧失服务能力,属于断裂失效.常见断裂失效形式有 : 崩牙,崩刃(冲头,搓丝板,滚丝轮等)劈裂,折断(冲头),胀裂等1,模具断裂(折断)失效过程可分一次性断裂和疲劳断裂两类①一次性断裂模具在冲压时突然断裂,称为一次性断裂.主要原因是严重超载或模具材料严重脆化(如过热,过烧,回火不足,严重的应力集中及严重的冶金缺陷等)②疲劳断裂模具在服役中，在应力最大或应力集中处，萌生微裂纹，在冲击力作用下，微裂纹慢慢扩展，模具有效承载面积逐渐缩小，直至外加应力超过模具材料的断裂强度，模具发生断裂或是随裂纹逐渐扩展裂纹尖端的应力强度因子不断增大，直至超过材料的断裂韧性值时，裂纹发生失稳性扩展，模具发生脆性断裂。