模具材料与性能

第一节零件失效分析 第二节材料选择原则 第三节模具材料与性能 第一节零件失效分析 任何零件均具有一定的设计功能与寿命 当其在使用过程中 因零件的外部形状尺寸和内部组织结构发生变化而失去原有的设计功能 使其低效工作或无法工作或提前退役的现象即称为失效 失效分析的目的就是要分析零件的失效原因并提出相应的防止和改进措施 其结论对零件的设计 选材 加工与使用都有重大的指导意义 就选材而言 由于选材过程在很大程度上依赖于对以往使用经验的分析 特别是对失效原因和机制的分析 找出零件的最薄弱环节 进而可直接确定零件的某种 或某些 必要性能 并推断出材料应达到的性能指标 一 基本概念 零件失效形式多种多样 通常按零件的工作条件及失效的特点将失效分为四大类 即过量变形 断裂 表面损伤和物理性能降级 对结构材料的失效而言 前三种是最主要的 其中断裂失效 尤其是脆性断裂 因其危险性而易受重视 且研究最多 疲劳断裂最普遍 是断裂失效的主要方式 对于功能材料 物理性能降级是其主要失效形式 但也存在断裂与腐蚀 磨损等问题 失效形式不同 则对材料的主要性能要求也不相同 如零件发生过量弹性变形失效时 其主要性能应是材料的刚度 刚性 就选材而言 应选高弹性模量 E G 的材料 二 失效形式 造成零件失效的原因错综复杂 多种多样 一般将其分为四个主要方面 设计材料加工使用见表14 2 三 失效原因 表14 2零件失效的主要原因 失效原因 设计与失效之间关系密切 如结构形状不合理导致的应力集中 安全系数选择过大或过小均是常见的设计错误 一 设计 失效原因 材料是零件安全工作的基础 因材料而导致失效的原因主要表现在两方面 其一是选材不当 这是最重要的原因 其二是材质欠佳 如各种冶金缺陷 气孔 疏松 夹杂物 杂质含量等 的存在且超过规定的标准 二 材料 失效原因 产品在加工制造过程中 若不注意工艺质量 则会留下各种冷 热加工缺陷而导致零件早期失效 如各种裂纹缺陷 铸 锻 焊 热与磨削裂纹 组织不均匀缺陷 粗大组织 带状组织等 表面质量 刃痕等 与有害残余应力分布等 三 加工 失效原因 零件安装时配合不当 对中不良等 维修不及时或不当 操作违反规程均可导致工件在使用中失效 据报道 在260例压力容器失效中 属操作不当而造成失效的高达75 应该说明的是 工件失效的原因可能是单一的 也有可能是多种因素共同作用的结果 但每一失效事件均应有一导致失效的主要原因 据此可提出防止失效的主要措施 四 使用 失效分析工作涉及到多门学科知识 其实践性极强 快速准确的分析结果要求有正确的失效分析方法 一般认为失效分析的基本步骤如下 一 调查取证 调查取证是失效分析最关键 最费力 也是必不可少的程序 主要包括两方面内容 其一是调查并记录失效现场的相关信息 收集失效残骸或样品 其二是查询有关背景资料 如设计图样 加工工艺等文件 使用维修情况等 四 失效分析的基本步骤与方法 失效分析的基本步骤与方法 对所收集的资料 证据进行整理 并从零件的设计 加工及使用等多方面进行分析 为后续试验明确方向 二 整理分析 对失效试样进行宏观与微观断口分析以及必要的金相分析 确定失效的发源地与失效形式 初步指示可能的失效原因 三 断口分析 失效分析的基本步骤与方法 包括成分及均匀性分析 组织及均匀性观察 与失效方式有关的各种性能指标的测试等 并与设计要求进行比较 找出其不符合规范之处 四 成分组织性能的分析与测试 综合各方面的证据资料及分析测试结果 判断并确定失效的具体原因 提出防止与改进措施 写出报告 五 综合分析得出结论 第二节选材原则 研究和制造有竞争性的优质产品 最重要的要求之一就是选择产品中不同零件所用的各种材料和与之相宜的加工方法的最佳组合 由于所能采用的材料和加工方法很多 因而材料的选用常常是一个复杂而困难的判断 优化过程 毫无疑问 所选材料应满足产品 零件 使用的需要 经久耐用 易于加工 经济效益高 选材一般应遵循三个基本原则 使用性能 工艺性能和经济性能 它们是辩证的统一体 在大多数情况下 使用性能是选材的首要原则与依据 然后再综合考虑工艺性能和经济性能 得出优化结果 一 使用性能简要分类 使用性能是材料满足使用需要所必备的性能 它是保证零件的设计功能实现 安全耐用的必要条件 是选材的最主要原则 不同用途的零件要求的使用性能是不同的 见表14 3 对结构零件而言 其使用性能要求以力学性能为主 物理性能和化学性能要求为辅 对功能元件而言 其使用性能则以各种功能特性为主 以力学性能 化学性能为辅 一 使用性能选材原则 使用性能选材原则 一 使用性能简要分类 表14 3使用性能要求的简单分类 使用性能选材原则 1 分析零件的工作条件 确定其使用性能 零件的工作条件分析包括 受力情况 如载荷性质 静载 动载 交变载荷 形式 拉压 弯曲 扭转 剪切 分布 均匀分布 集中分布 与大小 应力状态 含残余应力 工作环境 如工作温度 常温 高温 低温或变温 工作介质 有无腐蚀介质 润滑剂 其它特殊要求 如导热性 密度 重量要求 与磁性等 在全面分析工作条件的基础上确定零件的使用性能 如交变载荷下要求疲劳性能 冲击载荷下工作要求韧性 酸碱等腐蚀介质中工作则要求耐蚀性等 二 按使用性能选材的具体方法与步骤 使用性能选材原则 2 进行失效分析 确定主要使用性能 在工程应用中 失效分析能暴露零件的最薄弱环节 找出导致失效的主导因素 直接准确地确定零件必备的主要使用性能 如过去人们认为发动机曲轴的主要使用性能是高冲击抗力 韧性 必须采用锻钢制造 而失效分析结果表明 曲轴的失效形式主要是疲劳断裂 以疲劳抗力为主要性能要求来设计制造曲轴 其质量和寿命可显著提高 故可采用价格便宜 工艺简单的球墨铸铁来制造 二 按使用性能选材的具体方法与步骤 使用性能选材原则 3 将零件的使用性能要求转化为对材料性能指标和具体数值的要求 通过分析 计算 将使用性能要求指标化 量化 例如使用性能要求为 高硬度 时 应将其转化为如 60HRC 或 62 66HRC 等 再按这些性能指标数据查找有关手册中各类材料的性能数据及大致应用范围 进行判断 选材 二 按使用性能选材的具体方法与步骤 材料的工艺性能可定义为材料经济地适应各种加工工艺而获得规定的使用性能和外形的能力 二 工艺性能选材原则 一 金属材料的工艺性能 总体来说 金属材料能适应的加工工艺方法最多 且工艺性能良好 这也是金属材料广泛应用的原因之一 但不同类型 不同成分和组织的金属材料对不同的加工方法表现出来的工艺性能是不同的 甚至有着相当大的差异 工艺性能选材原则 1 铸造性能凡相图上液 固相线间距越小 越接近共晶成分的合金均具有较好的铸造性能 因此铸铁 铸造铝合金 铸造铜合金的铸造性能优良 在应用最广泛的钢铁材料中 铸铁的铸造性能优于铸钢 在钢的范围中 中 低碳钢的铸造性能又优于高碳钢 故高碳钢较少用作铸件 一 金属材料的工艺性能 工艺性能选材原则 2 压力加工性能包括变形抗力 变形温度范围 产生缺陷的可能性及加热 冷却要求等 一般来说 铸铁不可压力加工 而钢可以压力加工 但工艺性能有较大差异 随着钢中碳及合金元素的含量增高 其压力加工性能变差 故高碳钢或高碳高合金钢一般只进行热压力加工 且热加工性能也较差 如高铬钢 高速钢等 高温合金因合金含量更高 故热压力加工性能更差 变形铝合金和大多数铜合金 像低碳钢一样具有较好的压力加工性能 一 金属材料的工艺性能 工艺性能选材原则 3 焊接性能钢铁材料的焊接性随其碳和合金元素含量的提高而变差 因此钢比铸铁易于焊接 且低碳钢焊接性能最好 中碳钢次之 高碳钢最差 铝合金 铜合金的焊接性能一般不太好 应采用一些高级的焊接方法 如氩弧焊 或特殊措施进行焊接 一 金属材料的工艺性能 工艺性能选材原则 4 机械加工性能主要指切削加工性和磨削加工性 其中切削加工性最重要 一般来说 材料的硬度越高 加工硬化能力越强 切屑不易断排 刀具越易磨损 其切削加工性能就越差 在钢铁材料中 易切削钢 灰铸铁和硬度处于180 230HBS范围的钢具有较好的切削加工性能 而奥氏体不锈钢 高碳高合金钢 如高铬钢 高速钢 高锰耐磨钢 的切削加工性能较差 铝合金 镁合金及部分铜合金具有优良的切削加工性能 一 金属材料的工艺性能 工艺性能选材原则 5 热处理工艺性能这里需要强调的是 必须首先区分是否可进行热处理强化 如纯铝 纯铜 部分铜合金 单相奥氏体不锈钢一般不可热处理强化 对可热处理强化的材料而言 热处理工艺性能相当地重要 一 金属材料的工艺性能 工艺性能选材原则 与金属材料相比 高分子材料的加工工艺路线较简单 其主要工艺为成型加工 且工艺性能良好 所用工具为成型模 其中主要为塑料模 具体的成型方法很多 如注射成型 吹塑成型 挤压成型等 高分子材料也易于进行切削加工 但因其导热性能较差 在切削过程中应注意工件温度急剧升高而导致的软化 热塑性塑料 和烧焦 热固性塑料 现象 少数情况下 高分子材料还可进行焊接与热处理 其工艺简单易行 二 高分子材料的工艺性能 工艺性能选材原则 陶瓷材料硬而脆且导热性较差 其制品的工艺路线也比较简单 主要工艺为成形 包括高温烧结 根据陶瓷制品的材料 性能要求 形状尺寸精度及生产率不同 可选用粉浆成形 压制成形 挤压成形 可塑成形等方法 陶瓷材料的切削加工性能极差 除极少数陶瓷外 如氮化硼陶瓷 其它陶瓷均不可切削加工 陶瓷虽可磨削加工 但其磨削性能也不佳 且必须选用超硬材料砂轮 如金刚石砂轮 陶瓷也可进行热处理 但因导热性与耐热冲击性差 故加热与冷却时应小心 否则极易产生裂纹 三 陶瓷材料 质优 价廉 寿命高 是保证产品具有竞争力的重要条件 这就要求工程师正确处理产品的技术性与经济性 或者说功能与成本 两者间的关系 在选择材料和制定相应的加工工艺时 应考虑选材的经济性原则 这对适应经济全球化的形势 对量大面广的民用产品的开发与应用 显得尤为重要 所谓经济性选材原则 主要是指选择价格便宜 加工成本低的材料 其中材料成本问题是经济性选材原则的核心 三 经济性能选材原则 第三节模具材料与性能一 模具材料概述 1 模具材料在模具工业中的地位模具是制造技术的核心 工业要发展 首先要发展模具工业 模具作为国民经济的基础工业 涉及机械 汽车 轻工 电子 化工 冶金 建材等各个行业 量大面广 品种繁多 模具是工业之母 模具性能好坏 寿命高低 直接影响产品的质量和经济效益 而模具材料与热处理 表面处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素 所以 目前世界各国都在不断地开发模具新材料 改进热处理工艺和表面强化技术 2 模具材料的分类 模具材料的品种繁多 分类方法也不尽相同 由于模具钢是制造模具的主要材料 所以我们可将材料分类如下 根据模具的工作条件不同 一般把模具钢分为三类 1 冷作模具钢2 热作模具钢3 塑料模具钢 3 模具材料的主要性能指标 1 强度 表征材料变形抗力和断裂抗力的性能指标 2 硬度 衡量材料软硬程度的性能指标 实际上它是表征着材料对变形和接触应力的抗力 3 塑性 衡量模具钢塑性通常采用断后伸长率 和断面收缩率 两个指标 4 韧性 材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的特性 反映了模具的脆断抗力 5 疲劳抗力 材料在交变载荷作用下抵抗疲劳破坏的性能指标 a 洛氏硬度HRb 布氏硬度HBc 维氏硬度HV 4 模具的失效形式 模具失效是指模具丧失正常工作能力 具体是指模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修复方法 刃磨 抛磨 使其重新服役的现象 模具寿命是指模具自正常服役至必然失效期间内所能完成制件加工的次数 模具的主要失效形式是断裂 过量变形 表面损伤和冷热疲劳 5 影响模具寿命的主要因素 1 模具结构设计对模具寿命的影响 2 模具材料对模具寿命的影响 3 模具制造质量对模具寿命的影响 4 模具的热处理质量与表面强化对模具寿命的影响 5 模具的使用对模具寿命的影响 a 模具零件加工精度的影响b 模腔表面粗糙度的影响c 模具硬度均匀性的影响d 模具装配精度的影响 a 机床设备的特性 b 被加工材料的性质 c 模具的安装和使用条件 d 模具的操作规程及维护 二 冷作模具零件的失效形式 冷作模具主要有如下几种类形 冷冲裁模 冷挤压模 冷镦模 拉深模 冷弯曲模等 冷作模具的材料有 冷作模具钢 硬质合金 铸铁 铜合金 锌基合金等 冷作模具主要用于完成金属和非金属材料的冲裁 弯曲 拉深 镦锻 挤压等工序 由于加载形式和被加工材料的性质 规格不同 因而各种模具的工作条件差别很大 故其失效形式也不相同 一 冷作模具的工作条件 1 冷冲裁模的工作条件冷冲裁模主要用于各种板材的冲切及成形 模具的工作部位是凸 凹模的刃口 刃口工作时受到压力及摩擦力的作用 根据被切板料的厚度 冷冲裁模具分为薄板冲裁模 板厚 1 5mm 和厚板冲裁模 板厚 1 5mm 两种 在冲裁软质薄板时 冲头的压力并不大 在冲裁中 厚钢板时 尤其是在厚钢板上冲小孔 冲头所承受的单位压力很大 对模具要求更高 一 冷作模具的工作条件 2 冷弯曲模的工作条件冷弯曲模主要用于各种金属零件的弯曲成形 作用于模具的力量不很大 但对那些模具的形状过于复杂 而造成巨大的应力集中时 则要求具有高的断裂抗力 一 冷作模具的工作条件 3 冷拉深模的工作条件冷拉深模主要用于软质板材的冷拉深成形 这一工序的工作应力不大 要求模具的工作面保持较低数值粗糙度不发生粘附磨损和擦伤 如果被拉深的板材较薄 强度较低 塑性较高 模具承受载荷较轻时 属于轻载拉深 如被拉深材料强度较高或板材较厚时 则模具承受载荷较大 属于重载拉深 一 冷作模具的工作条件 4 冷镦模的工作条件冷镦成形工艺主要用在紧固件 滚动轴承 滚子链条 汽车零件等 零件的冷镦成形在冷镦机上进行 冷镦频率为60 120次 min 冲击力从300KN到2500K 冷镦凸模承受强烈的冲击力 又由于被镦材料硬度不均 坯料端面不平 冷镦机精度不够等原因 还可使凸模产生弯曲应力 凸模表面还承受剧烈的冲击性摩擦 可使凸模面磨损 冷镦凹模的型腔承受冲击性胀力 型腔表面还承受强烈的摩擦和压力 一 冷作模具的工作条件 5 冷挤压模的工作条件冷挤压成形时 凸模受到巨大的压应力 当毛坯端面不平整 凸模和凹模不同心时 凸模必然会受到弯曲应力的作用 此外 脱模时由于毛坯与凸模之间的摩擦 使凸模还受到拉应力的作用 因此 在多种作用力的叠加作用下 在凸模应力集中处 极易发生脆性断裂 折断 劈裂 等 同时 凹模内壁受到变形金属的强烈摩擦 容易导致磨损 此外 凹模还受到切向应力的作用 有胀裂的可能 二 冷作模具的失效形式 1 冷作模具的主要失效形式 1 断裂失效 2 变形失效 3 磨损失效 4 咬合失效 5 啃伤失效 1 断裂失效模具在使用中突然出现裂纹或发生破损而失效 按其损坏情况可分为局部破损 剥落 崩刃 掉牙等 和整体性破损 如碎裂 断裂 胀裂 劈裂等 它们的特点是破损大多产生在受力最大的工作部位 或是在截面变化的应力集中处 按断裂过程特征可分为脆性断裂和疲劳断裂两种形式 1 脆断失效 主要是由于模具存在冶金缺陷 2 疲劳断裂失效 主要是由于循环应力所造成 其断裂过程要比脆断失效缓慢的多 2 变形失效模具在使用过程中发生塑性变形 失去原有的几何形状 通常发生在硬度偏低或淬硬层太薄的模具 具体表现为凸模镦粗 弯曲 凹模型腔下沉塌陷 棱角堆塌 模孔胀大等 3 磨损失效冷作模具在工作时 坯料沿着模具表面既滑动又流动 使模具与坯料间产生了很大摩擦力 造成模具表面被划出或多或少的凹凸痕迹 这些痕迹与坯料表面的凹凸不平相咬合 在模具表面逐渐产生了机械破损而磨损 如果在凸凹模之间夹有细而硬的夹杂物如氧化物等 将导致模具磨损加剧 以致于使模具和坯料表面刮伤或黏着等 在模具中常遇到的磨损形式有 磨料磨损 黏着磨损 腐蚀磨损和疲劳磨损等 磨料磨损 外来硬质颗粒存在于工件与模具接触表面之间 刮擦模具表面 引起模具表面材料脱落的现象 黏着磨损 工件和模具表面相对运动时 由于表面凸凹不平 黏着的结点发生剪切断裂 使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象 疲劳磨损 两接触表面相对运动时 在循环应力作用下 使表层金属疲劳脱落的现象 疲劳磨损的外载有机械载荷与热载荷 因此疲劳磨损可分为机械疲劳磨损和冷热疲劳磨损 另外 疲劳磨损的派生模式 气蚀磨损和冲蚀磨损气蚀磨损 金属表面的气泡破裂 产生瞬间的冲击和高温 使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象 冲蚀磨损 液体与固体微小颗粒高速落到模具表面 反复冲击模具表面 使模具表面局部材料流失 形成麻点和凹坑的现象 以上两种磨损在注塑模具和压铸模具中易出现 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 再加上摩擦力机械作用引起表层材料脱落的现象 注意 在模具与工件 坯件 相对运动中 摩擦磨损的情况很复杂 磨损一般不只是以一种形式存在 往往是多种形式并存 并互相促进 4 咬合失效当坯料与模具表面接触时 在高压摩擦下 润滑油膜破坏 发生咬合 此时 金属坯料 冷焊 在模具型腔表面上 使后续加工的工件表面就会被冷焊在型腔表面的金属瘤划出道痕 造成工件表面粗糙度值变大 甚至出现沟槽 在弯曲 拉深 冷镦 冷挤压等成形中 咬合是最常见的一种失效形式 当工件表面出现划痕和拉沟时 模具必须进行研磨与抛光 特别是在拉深成形中出现咬合现象时 模具必须经过修整后才能继续生产 5 啃伤失效当冲头与凹模直接碰撞时 将出现啃伤失效 其表现形式为模具刃口崩裂 使冲件的毛刺突然增大 一旦出现啃伤后 模具的修磨量剧增到0 5 0 2mm 才能去除损伤部分恢复锐利的刃口 2 各类冷作模具的失效特点 1 冷冲裁模 2 冷拉深模 3 冷镦模 4 冷挤压模 二 冷作模具的失效形式 1 冷冲裁模磨损是冲裁模最基本的失效形式 当刃口磨损严重时 会使冲件产生毛刺 此时模具就会因磨损超差而不能再用 当冲件厚度大或具有较强的磨粒磨损作用或咬合倾向时 都会加快磨损失效 薄板冷冲裁模的主要失效形式是磨损 极少情况是脆断失效 脆断的原因主要是热处理不当或操作失误 厚板冲裁模除磨损外 还可能发生崩刃 断裂等 2 冷拉深模在拉深外观要求光滑的各种仪表 电器 汽车 轻工产品的工件时 模具主要是由于咬合而失效 黏附是拉深过程常出现的问题 是造成模具咬合失效的重要原因 模具表面越硬 越光洁 如在润滑条件较好的条件下拉深 则越不易发生黏附现象 3 冷镦模冷镦模主要的失效方式是开裂 折断 即由韧性不足引起的损伤占有很大比例 因上述原因导致的失效占90 以上 材料韧性不足极大影响着模具寿命 4 冷挤压模冷挤凸模的失效形式有折断 疲劳断裂 塑性变形及磨损 凹模的失效形式主要是胀裂及磨损 三 冷作模具材料的性能要求 冷作模具在工作中由于承受拉伸 压缩 弯曲 冲击 疲劳等机械力的作用 从而发生脆断 堆塌 磨损 咬合 啃伤 软化等现象 因此 冷作模具材料应具有高的磨损抗力 断裂抗力 疲劳抗力 抗咬合能力等 1 冷作模具材料的主要性能指标 1 耐磨性能 2 变形抗力 3 断裂抗力 4 咬合抗力 5 受热软化抗力 三 冷作模具材料的性能要求 1 耐磨性能材料的耐磨性能好坏与材料的硬度及组织有关 一般条件下 材料的硬度愈高 耐磨性愈好 另外 软的基体与分布均匀的硬质点的材料组织 其耐磨性能较好 2 变形抗力表征冷作模具材料变形抗力的指标 主要有硬度 拉伸屈服点 压缩屈服点 弯曲屈服点 1 硬度 在一定硬度范围内 硬度与变形抗力成正比 实践表明 在同一硬度条件下 不同冷作模具材料在使用过程中所表现的变形抗力 有明显的差别 因此单纯用硬度指标并不能充分反映各种模具材料的变形抗力 2 压缩屈服点 压缩屈服点是衡量冷作模具材料变形抗力的主要指标 3 弯曲屈服点 弯曲试验的优点是测试方便 应变量的绝对值大 能灵敏地反映出不同钢材之间 以及在不同热处理条件下的变形抗力的差别 3 断裂抗力1 一次性脆断抗力 能表征一次性脆断抗力的指标为 一次冲击断裂功 抗压强度和抗弯强度 上述指标可反映冲头在过载时的断裂抗力 2 疲劳断裂抗力 由在一定的循环载荷下所表现的断裂循环次数或在规定的循环次数导致试样断裂的载荷值来表征 可用下列指标来反映 小能量多次冲击断裂功或多次冲击断裂寿命 拉 压疲劳强度或疲劳寿命 接触疲劳强度或接触疲劳寿命 3 裂纹断裂抗力 当模具中已存在微裂纹后 其断裂抗力大大减弱 因此 不能采用光滑试样测试的各种断裂抗力 来评价裂纹体的断裂抗力 根据断裂力学理论 可采用断裂韧度指标来表征裂纹体的断裂抗力 4 咬合抗力咬合抗力实际就是对发生 冷焊 的抵抗能力 通常在干摩擦条件下 把被试验模具钢的试样 与具有咬合倾向的材料 如奥氏体钢 进行恒速对偶摩擦运动 以一定速度逐渐增大载荷 此时转矩也相应增大 当载荷加大到某一临界数值时 转矩突然急剧增大 这意味着已发生咬合 这一载荷称为 咬合临界载荷 临界载荷愈高 标志着咬合抗力愈强 5 受热软化抗力受热软化抗力 反映冷作模具在承载时的温升对硬度 变形抗力及耐磨性的影响 表征冷作模具钢受热软化抗力的指标主要有两项 软化温度 二次硬化硬度 HRC 二次硬化硬度 反映该钢种经热处理后能否接受表面处理 渗氮 离子渗氮等 的能力 三 冷作模具材料的性能要求 2 各类冷作模具的材料性能要求 1 冷冲裁模 2 冷拉深模 3 冷镦模 4 冷挤压模 1 冷冲裁模 通过对冷冲裁模工作条件及失效形式的分析 对薄板冲裁模具用钢要求具有高的耐磨性 而对厚板冲裁模除要求具有高的耐磨性 抗压屈服点外 为防止模具崩刃或断裂 还应具有高的强韧性 2 冷拉深模 对冷拉深模用钢的性能要求 主要是模具应有高的强度和耐磨性 在工作时不发生黏附和划伤 具有一定韧性及较好的切削加工性能 并要求热处理时模具变形小 3 冷镦模 冷镦模具除应具备高硬度 高强度和高的耐磨性外 还需有高的冲击韧度以增强模具在冲击载荷作用下的断裂抗力和疲劳抗力 4 冷挤压模 制作冷挤压模具的材料必须具有高的强韧性及良好的耐磨性 一般要求硬度61 63HRC 硬度过高 模具容易碎裂 崩块 硬度不够 模具容易磨损 也可能发生压塌及变形 四 冷作模具材料 冷作模具钢是应用最广的冷作模具材料 按化学成分 工艺性能和承载能力可将冷作模具钢分类为下表所示 汽车模具工作部分常用材料及热处理范围 塑料模具是利用其自身特定的形状和尺寸来成型塑料制品的 由于塑料制品形状复杂 表面粗糙度要求高 因而塑料模具的制造难度较大 如何正确合理地选用模具钢材 对模具的制造和使用都具有重要意义 塑料模具按塑料品种不同 可以分为两大类 即热固性塑料压注模和热塑性塑料注射模 分别来成型热固性和热塑性两大类塑料制品 塑料模具的使用寿命与模具的工作条件及失效形式有着密切关系 不同的工作条件 不同类型的模具 其失效形式也各不相同 所以对模具材料性能的要求也不同 五 塑料模具零件的失效形式 热固性塑料压注模和热塑性塑料注射模的工作条件及特点如下 热固性塑料压注模 工作条件 温度约为200 250OC 受力大 易磨损 易侵蚀 特点 一般含有大量固体填充剂 多以粉末直接放入压注模 热压成型 受力较大 磨损较重 热塑性塑料注射模 工作条件 受热 受压 受磨损 但不严重 部分品种含有氯及氟 在成型时放出腐蚀性气体 侵蚀型腔表面 特点 通常不含有固体填料 以软化状态注入型腔 当含有玻璃纤维填料时 对型腔的磨损加剧 一 塑料模具的工作条件 随着高性能塑料的发展和不断生产 塑料制品的种类日益增多 用途不断扩大 制品向精密化 大型化 复杂化发展 成型生产向高速化发展 模具的工作条件也越趋复杂 二 塑料模具的主要失效形式 塑料模具的基本失效形式也是表面磨损 塑性变形及断裂 但由于对塑料制品的表面粗糙度及精度要求较高 故因表面磨损造成的模具失效比例较大 1 表面磨损 1 模具型腔表面粗糙度恶化热固性塑料对模具表面严重摩擦 会造成表面拉毛 而使模具型腔表面粗糙度变大 必然会影响到压制件的外观质量 需要及时拆下抛光 经多次抛光后 会由于型腔尺寸超差而失效 2 模具型腔尺寸超差 当塑料中含有固体无机填料时 会明显加剧模具的磨损 这不仅会使型腔表面粗糙度迅速恶化 也会使模具型腔尺寸急剧变化 3 型腔表面侵蚀 由于塑料中存在氯 氟等元素 受热会分解出强腐蚀性气体 侵蚀模具表面 加剧模具磨损失效 2 塑性变形模具在持续受热 受压作用下 会发生局部塑性变形失效 特别是小型模具在大吨位压力机上超载工作时 容易产生表面凹陷 麻点 棱角塌堆等 产生这类失效 主要是由于模具型腔表面的硬化层过薄 变形抗力不足 或是模具在热处理时回火不足 在服役时 工作温度高于回火温度 继续发生组织转变而发生 相变超塑性 流动 使模具早期失效 3 断裂断裂失效是一种危害较大的快速失效形式 塑料制品成型模具形状复杂 存在许多棱角 薄壁等部位 这些位置会产生应力集中而发生断裂 1 足够的强度和韧性 以防止模具在工作中的塑性变形和冲击损坏 2 高的表面硬度和耐磨性 以防止模具在工作中的磨损和抵抗塑料的成型压力 3 有一定的耐热性 且线膨胀系数要小 4 有较高的耐腐蚀性 成型聚氯乙烯和氟塑料时 它们在受热后会析出腐蚀性气体 对模具有强烈的腐蚀作用 因而要求钢材具有相当的耐腐蚀性 5 加工性能好 热处理变形小 6 抛光性能好 7 花纹图案光蚀性能较好 有些塑料制品上有图案花纹 三 塑料模具材料的性能要求 随着塑料产量的提高和应用领域的扩大 对塑料模具提出了越来越高的要求 促进了塑料模具的不断发展 目前塑料模具正朝着高效率 高精度 高寿命方向发展 推动了塑料模具材料迅速发展 我国目前用于塑料模具的钢种 可按钢材特性和使用时的热处理状态分类如下 渗碳型 调质型 淬硬型 预硬型 耐蚀型 时效硬化型 六 塑料模具材料 渗碳型塑料模具用钢主要用于冷挤压成形的塑料模 这类钢要求有低的或超低的含碳量 为了提高模具的耐磨性 这类钢在冷挤压成形后一般都进行渗碳和淬回火处理 表面硬度可达58 62HRC 以下为国内最新研制的冷成形专用钢0Cr4