《金属材料与模具材料》-第9章

9.1模具与模具材料的应用

模具是指在压力加工或其他成型加工工艺中，使材料(金属或非金属)变形制成产品的一种重要的工艺装备。应用非常广泛，在锻造、塑料加工、压铸等行业中起着重要的作用。模锻件、冲压件、挤压件和拉拔件等，都是使金属材料在模具加工时发生塑性变形而获得的，压铸零件、粉末冶金零件也是在模具中允填加工成型的，而塑料、陶瓷、玻璃制品等非金属材料的成型加工也多依靠模具。下一页返回9.1模具与模具材料的应用

模具加工是少切削或无切削加工，是机械制造业发展的一个方向。模具成型有优质、高产、低消耗和低成本等特点。因此模具制造的首要问题是模具材料，近年来，随着模具工业的发展，我国自行开发了一些新型模具材料，有目前常用的冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。我国模具钢生产技术形成了自己的系列，建成了不少先进的生产工艺装备，产品质量与国外钢的质量水平相当。下一页返回上一页9.1模具与模具材料的应用9.1.1模具在工业生产中的作用与地位模具是现代化工业生产的重要工艺装备。在工业生产中越来越多的产品依靠模具来进行生产加工。据统计，利用模具制造的零件，在机电产品中占60%~70%;在电子产品中占80%以上。下一页返回上一页9.1模具与模具材料的应用

在汽车制造业中，平均一个车型需要冲压模具2000套，其中需要大中型覆盖件模具300套。据国际生产技术协会预测，21世纪产品零件粗加工的75%和精加工的50%都将由模具直接成型。在产品生产的各个阶段，无论是在大量生产，批量生产，还是产品试制阶段，也都越来越多地依赖于模具，因此，模具工业被称为“百业之母”，被发达国家誉为“磁力工业”。模具的应用已成为当代工业生产的重要手段和工艺发展方向之一。据国外统计资料表明，模具可带动其相关产业的比例大约是1:100,即模具发展1亿元，可带动相关产业100亿元。模具工业已成为我国国民经济的基础工业。下一页返回上一页9.1模具与模具材料的应用9.1.2模具的特点模具加工具有以下优点。①产品覆盖面广、批量大、品种繁多;②可以得到形状复杂、难以加工的工件;③操作简单、生产效率高、易实现机械化和自动化;④材料利用率高、工件质量轻、刚性好、成本低、经济效益好;⑤现代模具向大型化、复杂化、精密化和自动化发展。下一页返回上一页9.1模具与模具材料的应用

模具加工具有以上优点，但是模具的生产和使用仍然存在一些缺点，如模具的结构复杂、生产周期长、成本高，适用于成批、大量生产。此外，模具的成本占产品成本的20%左右，它的寿命直接影响到产品成本。下一页返回上一页9.1模具与模具材料的应用9.1.3模具材料的工艺要求与特点由于模具的诸多优点使模具用量与日俱增，模具制造业的产值已经超过机床行业，成为经济发展的一个支柱产业。因此，对模具的使用寿命、精度和表面粗糙度等提出了更高的要求。下一页返回上一页9.1模具与模具材料的应用

模具的性能好坏、寿命长短，直接影响着产品的质量和经济效益;而模具材料与热处理以及表面处理是影响模具寿命诸因素中的主要因素。所以，通过研究开发高性能的模具材料;采用先进的生产工艺生产优质、低成本的模具材料;根据模具的工作条件合理选用材料;以及采用适当的热处理和表面处理技术，才能充分利用模具材料的潜力。模具的失效一般由模具的表面开始，模具表面和心部的性能要求是不同的，采用不同的表面处理技术，可提高模具的表面性能，使模具拥有强韧的心部、耐磨耐蚀的表面，使模具寿命提高几倍甚至几十倍。下一页返回上一页9.1模具与模具材料的应用

表面处理技术能有效地提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合、抗氧化、抗热钻附和抗冷/热疲劳等性能。模具材料及其热加工工艺的选择必须与表面强化技术结合起来全面考虑，才能够充分发挥模具材料的潜力，提高模具的使用寿命，获得最好的经济效益。因此，在模具设计时，除设计出合理的模具结构外，还应选用合适的模具材料及热处理方法。返回上一页9.2模具及模具材料的分类

模具及模具材料的分类方式很多，根据不同的角度分类方式也有所不同，现就应用较广泛的方式进行详细讲解。下一页返回9.2模具及模具材料的分类9.2.1模具的分类按照工作条件不同将模具分为冷作模具、热作模具和成型模具3大类。

(1)冷作模具包括冷冲压模、冷拉伸模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模等。

(2)热作模具包括热锻模、热精锻模、热挤压模、压铸模、热冲裁模等。

(3)成型模具包括塑料模、橡胶模、陶瓷模、玻璃模、粉末冶金模等。下一页返回上一页9.2模具及模具材料的分类9.2.2模具材料的分类由于模具钢是制造模具的主要材料，一般将模具材料分类如图9-1所示。由于冷冲压模与塑料模使用广泛，在生产现场的使用比例占80%以上，所以主要介绍冷冲压模与塑料模常用的模具钢。返回上一页9.3模具材料的性能要求

模具的工作条件不同，对模具材料的性能要求也不同。①冷冲压模具要求其材料具有高的强度，良好的塑性和韧性，高的硬度及耐磨性;②冷挤压模具要求其材料具有高强度、高韧性、高淬透性以及良好的耐磨性、热稳定性和切削加工性;③热作模具钢要求在工作温度下保持高的强度和韧性、良好的抗蚀性、热稳定性和优良的热疲劳抗力。下一页返回9.3模具材料的性能要求9.3.1模具材料的使用性能要求

1.强度强度是衡量材料抵抗变形抗力和断裂抗力的性能指标。模具在使用时承受拉压、振动、扭转和弯曲等应力，重负荷的模具往往由于强度不够、韧性不足，造成模具局部塌陷、断裂而发生早期失效。因此，使模具材料保持足够的强度，将有利于延长模具的使用寿命。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求

屈服点是衡量模具钢塑性变形抗力最常用的强度指标。对模具材料要求具有高的屈服点，当模具的工作应力超过模具材料的相应屈服点时，模具就会产生塑性变形，用其加工出来的工件尺寸和形状就会发生变化，产生废品，模具也就因此失效。为了确保模具在使用过程中不会发生过早塑性变形失效，模具材料的屈服点必须大于模具的工作应力。热作模具的工作对象是高温软化状态的坯料，故所受的工作应力要比冷作模具小得多。热作模具与高温坯料接触的部分会受热而软化，因此热作模具的表面层需有足够的高温强度。而冷作模具材料的断裂抗力指标是室温下的抗拉强度、抗压强度和抗弯强度等。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求2.韧性韧性是材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹折断、崩刃的一种特性，反映了模具的脆断抗力，常用冲击韧度αk来评定。许多模具要承受冲击载荷(如冷作模具的凸模，锤用热锻模具、冷镦模具、热镦锻模具等)的作用。除了要求钢材具有较高的强度外，还要具有足够的韧性。材料的韧性越高，脆断的危险性越小，热疲劳强度也越高。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求3.硬度和热硬性硬度是模具材料的主要性能指标，模具在高应力的作用下工作必须具有足够的硬度，才能保持原有形状和尺寸不变。通常硬度可以间接地反映零件的强度、塑性、韧性、疲劳抗力和耐磨性等力学性能指标。因此，模具材料的各种性能要求，在图样上只通过标注硬度来表示。冷作模具硬度一般要求60HRC左右，热作模具硬度一般在42~50HRC范围内，塑料模具硬度通常在45~60HRC范围。热硬性是指模具材料在受热或高温条件下保持高硬度的能力。多数热作模具和某些冷作模具，都要求具有一定的热硬性。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求4.耐磨性模具的失效通常都是由磨损引起的，决定模具使用寿命的重要因素往往是模具材料的耐磨性。模具在使用时承受相当大的压应力和摩擦力，这就要求模具材料能够在强烈摩擦下仍保持精度不变。冷作模具的磨损形式通常是磨粒磨损和钻着磨损，而热作模具的磨损形式主要是氧化磨损。磨损形式不同，影响耐磨性的因素也各不相同。一般情况下，当冲击载荷较小时，耐磨性与硬度成正比关系;当冲击载荷较大时，表面硬度越高并非耐磨性愈好，超过一定的硬度值之后耐磨性反而下降。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求5.抗疲劳性抗疲劳性是反映材料在交变载荷作用下抵抗疲劳破坏的性能指标。模具工作时承受着机械冲击和热冲击的交变应力。对于热作模具，大多数在急冷/急热条件下工作，必然发生不同程度的冷/热疲劳，往往是在型腔表面形成浅而细的裂纹，它的迅速传播和扩展导致灾难性事故而使模具报废。提高材料的抗疲劳性，可有效地推迟疲劳裂纹的形成与扩展。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求9.3.2模具材料的工艺性能要求在模具生产成本中，材料费用只15%左右，而机械加工、热处理、装配和管理等费用占80%以上。所以，模具材料的工艺性能就成为影响模具生产成本和制造难易的主要因素之一。模具材料的工艺性能主要有如下几种。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求1.可加工性钢材的可加工性主要包括切削、磨削、抛光、冷拔等加工性和锻压加工性。模具钢大多属于过共析钢和奥氏体钢，热加工性能和冷加工性能都不太好。为改善钢的切削加工性，在钢中加入易切削元素或改变钢中夹杂物分布状态，从而提高模具表面质量和减少刀具的磨损。随着电子技术的发展，数控机床和加工中心乃至计算机控制技术的广泛运用，模具钢除了应具有良好的切削加工性外，还要有良好的镜面抛光性能、电加工性能以及压印翻模加工性能等。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求2.淬硬性和淬透性模具对这两种性能的要求根据其使用条件不同各有侧重，对于要求整个截面有均匀一致性能的模具，如热作模具、塑料模具，高的淬透性显得更重要些;而对于只要求有高硬度的小型冷作模具，如冲裁落料模具，则更偏重于高的淬硬性。淬硬性主要取决于钢的碳质量分数，淬透性主要取决于钢的化学成分和淬火前钢的原始组织。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求3.淬火温度和热处理变形为了便于生产，要求模具钢的淬火温度范围尽可能宽些，特别是当模具采用火焰加热局部淬火时，要求模具钢有更宽的淬火温度范围。除部分采用预硬型钢制作的模具外，绝大多数模具是在切削加工后，通过热处理而获得所需的组织和性能。因此要求淬火时尺寸变化小，各向具有相近似的变化且组织稳定。下一页返回上一页9.3模具材料的性能要求4.脱碳敏感性模具钢在锻造、退火或淬火时，若在无保护气氛下加热，其表面层会产生脱碳等缺陷而使模具的耐用度下降。脱碳敏感性主要取决于钢的化学成分，特别是碳质量分数。返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

模具失效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)使其重新正常工作的现象。模具寿命是指模具自正常工作开始至工作失效期间内所能完成制件加工的次数。若模具在使用过程中需刃磨或翻修，则模具总寿命为在各次刃磨或翻修间隔内完成制件加工次数的总和。模具寿命是在一定时期内模具材料性能、模具设计与制造工艺、模具热处理工艺、模具使用与维护等各项指标的综合体现。下一页返回9.4模具失效与模具使用寿命9.4.1模具的失效形式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。冷/热疲劳主要出现于热作模具。其他三种失效形式在冷、热作模具上均可能出现，按损伤的形态将模具的失效形式分类如图9-2所示。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命9.4.2模具的失效分析模具失效的分析步骤如下。

(1)首先对生产现场调查了解模具使用情况，统计模具的寿命和失效形式，并保管好模具供分析使用。

(2)然后再对模具材料和加工工艺调查分析模具材料的化学成分和冶金质量。详细了解模具的锻造、机械加工、热处理工艺及操作过程。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(3)最后对模具进行失效分析对失效模具损伤处进行外观分析、断口分析以及金相分析，综合各方面的分析结果，判断模具失效的原因以及影响模具失效的各种因素。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命1.模具的损伤与失效在一般情况下，模具出现损伤后不会立即失效，只有当某种损伤发展到使模具生产出的产品成为废品时，模具才失效。如冷冲裁模刃口的过度磨损或崩刃;热挤压冲头的镦粗变形;热锻模出现冷/热疲劳裂纹等。模具失效既有达到预定寿命的正常失效，也有远低于预定寿命的非正常失效(早期失效)。正常失效比较安全，而非正常失效往往会造成恶性事故，因此应尽量加以避免。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，以提高模具的使用寿命。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

模具的失效一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、表面微裂纹、裂纹扩展，最后断裂的变化过程。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。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，各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断累积。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

例如，磨损沟痕可成为疲劳裂纹的萌生源，加快疲劳裂纹的萌生速度，若磨损沟痕深而尖，则其本身可成为一次断裂的起裂点;在模具表面出现冷热疲劳裂纹后，表面粗糙度严重恶化，会进一步加剧模具的磨损;此外，在冷/热疲劳裂纹的底部，会由于应力集中的出现而加速机械疲劳裂纹的萌生，加速疲劳断裂。所以损伤是模具破坏的起源，损伤的累积则是导致模具的失效原因。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

在理想的情况下，模具未达到正常使用寿命就不会发生失效。但由于工作条件的变化、操作者的使用水平、管理者的失误等原因而造成的某些损伤，也将导致模具的失效，但这种失效的几率很低。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。在模具的使用过程中，做好经常性的检查、维护和保养工作，可有效地延迟模具的使用寿命。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命2.模具失效的原因模具失效是模具在使用过程中所出现的一种正常现象，探索模具的失效原因，可以减少和避免模具的非正常失效发生，从而优化模具结构设计、合理地选择模具材料、制定模具加工及热处理工艺，提出预防或推迟失效的措施以及为模具新材料的研制和新工艺的开发等提供有指导意义的数据。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

引起模具失效的原因很多，归纳主要有以下几点。①模具结构设计不合理;②模具材料质量差和选材不合理;③机械加工和热加工不当;④热处理和表面处理不当;⑤操作方法不正确。各类失效所占比例是热处理为52.5%;原材料为17.3%;使用为10%;机械加工为8.9%;锻造为7.8%;设计为3.5%。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命9.4.3模具的失效机理形式分析为了提高模具寿命，应首先对已失效的模具进行分析，了解导致模具失效的最常见、最大量的失效形式及其失效原因和主要影响因素。实际生产中使用的模具种类繁多，工作状态差别很大，损伤形式和损伤部位各不相同，而失效机理也有差别。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命1.磨损失效当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作时，称为磨损失效。按磨损机理不同可分为磨粒磨损、钻着磨损、疲劳磨损、气蚀和冲蚀磨损、腐蚀磨损等。

(1)磨粒磨损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称为磨粒磨损。磨粒磨损的机理如图9-3所示下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

影响磨粒磨损的因素主要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚度等。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损。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(2)黏着磨损由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造成钻着点发生断裂而使模具材料产生剥落的现象称为钻着磨损。钻着磨损的机理如图9-4所示。影响钻着磨损的主要因素有材料性质、材料硬度、表面压力等。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，降低钻着磨损量;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，有效地提高其抗钻着磨损能力;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，尽量避免同种类金属相互摩擦，可降低钻着磨损。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(3)疲劳磨损在循环应力作用下，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。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，这些应力反复作用一定的周期后，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时，便形成磨损剥落。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

影响疲劳磨损的因素主要有材料的冶金质量、材料硬度、表面粗糙度等。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因素。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(4)其他磨损除上述几种主要的磨损形式外，还有气蚀磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损等。腐蚀失效主要发生在热作模具和塑料模具中，在金属压铸模中比较容易出现冲蚀磨损。在成型含F、C塑料的塑料模具中容易出现介质腐蚀失效。①气蚀磨损。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坑的现象称为气蚀磨损。气蚀磨损机理示意图如图9-5所示。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命②冲蚀磨损。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受到损失而形成麻点或凹坑的现象称为冲蚀磨损。③腐蚀磨损。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。当模具材料与工件材料在一定的环境中产生摩擦时，金属材料便与环境介质产生化学或电化学反应，并形成反应物。在随后的模具与工件之间的相对运动中被磨掉，即形成了腐蚀磨损。耐磨性是模具钢的基本性能之一。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命2.断裂失效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。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。对于模具来说，断裂是最严重的失效形式。根据模具断裂前变形量的大小和断口形状的不同，断裂可分为脆性断裂和韧性断裂两种;按照断裂机理可分为一次性断裂和疲劳断裂等。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(1)一次性断裂模具在承受很大变形力或冲击载荷的作用下，产生裂纹并迅速扩展所形成的脆性断裂称为一次性断裂。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(2)疲劳断裂疲劳断裂是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。疲劳裂纹总是在应力最高、强度最弱的部位上形成。造成模具断裂和开裂的原因很多，除了模具安装和操作不当外，与模具设计、材质、热处理工艺等因素有密切的关系。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裂。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命3.塑性变形失效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。塑性变形失效的主要形式有塌陷、镦粗、弯曲等。如在冷镦、冷挤和冷冲过程中，冲头由于抗压或抗弯强度不足而出现镦粗、下陷、弯曲等变形失效。在热锻模、热辊锻模上，尤其是热锻模的下模，型腔表面在热坯料的热作用下容易出现软化、塌陷等变形失效。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

模具在工作时一般要承受很大的不均匀应力，当模具的某些部位所承受的应力超过工作温度下模具材料的屈服强度时，就会产生塑性变形而造成模具的失效。在不同温度下工作的模具是否会产生塑性变形失效，主要取决于不同温度下模具材料的强度，其中在室温下主要取决于模具的载荷与室温屈服强度;而在高温下主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命9.4.4影响模具寿命的基本因素模具的使用寿命与模具的工作条件、设计与制造过程、热处理工艺、安装使用及维护等一系列因素有关，要提高模具的寿命，就要从改善这些条件的相应措施出发，研究模具使用寿命的影响因素。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命1.模具结构设计对模具寿命的影响模具结构的合理性对模具的承载能力和受力状态都有很大的影响，合理的模具结构能使其在工作时受力均匀，应力集中小;不合理的模具结构可能引起严重的应力集中和工作温度升高，导致模具的过早失效，降低其使用寿命。下面从几个共性的方面介绍几点影响因素:下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(1)工作间隙的影响冲模的工作间隙(凸模与凹模间的间隙)是主要的结构参数，对模具刃口的应力大小以及磨损速度有很大的影响。冲模的间隙有一个合理的数值，间隙过大或过小，都会加速磨损过程。间隙值过小，模具由于刃口迅速磨损而过早失效;间隙值过大，模具由于刃口迅速塑性变形钝化而失效。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(2)模具型腔结构的影响冷挤压模、冷镦模、热锻模等受冲击力较大的模具，若采用整体式结构的模具，很容易造成模具工作部位的应力集中，并引起模具的局部开裂或模具的整体开裂。而采用组合式结构的模具，则可避免出现模具型腔的开裂现象。如图9-6所示，冷镦滚子凹模，采用组合式凹模后，减少了常发生纵向劈裂或环形断裂等现象，避免了模具早期断裂失效，使模具寿命提高了4~5倍。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(3)模腔过渡圆角半径尺寸的影响模具型腔大多含有过渡圆角，增大圆角半径可使模具受力均匀，不易产生裂纹。如图9-7所示是冷挤凹模的金属入口处的形状与内径圆角半径R对模具寿命的影响。由此可见，圆角半径R越大，尺寸过渡越平缓，凹模寿命越长。热作模具圆角半径R对模具寿命的影响也具有同样的作用。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(4)模具工作部位角度的影响模具工作部位的角度对成型过程中金属坯料的流动及成型力都会产生很大的影响。例如，柴油机连杆锻模，当脱模斜度由7°改为10°后，模具寿命由3000件提高到5000件。与模具寿命有关的结构设计方面的因素是多种多样的，根据理论分析和模具使用的实际情况不断改进和优化结构设计，是提高模具寿命的最经济、最有效的办法。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命2.模具材料对模具寿命的影响模具材料的成分、组织、质量及性能对模具的承载能力、使用寿命、加工精度、制造成本等均有很大影响。所以，在使用模具材料时应注意以下几个方面。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(1)模具材料的合理选用制作同一工件，采用不同的模具材料，经过正常的热处理后其模具寿命会有很大差距。例如，某冲裁模选用9Mn2V钢时，模具的使用寿命为5万余次;选用Cr12MoV钢时，其使用寿命可达40多万次。因此，选择模具材料需要综合考虑，不仅要考虑制件的材质、尺寸、精度要求，模具的类别、结构和型腔的复杂程度，还要考虑模具的生产批量，质量、寿命要求和被选用材料的性能特点。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(2)合理确定模具工作硬度模具的工作硬度是最重要的技术要求。这是因为硬度指标与材料的其他力学性能指标密切相关。如采用T10钢制作硅钢片冲裁模，硬度为53~56HRC时，只冲几千次，模具便产生磨损，冲裁件上的冲裁毛刺就已经很大;若将硬度提高到60~63HRC，则刃磨寿命可达2万~3万次;但如果继续提高硬度，则会使模具出现早期断裂。所以，模具的硬度范围应根据其具体的工作条件及主要失效形式进行综合确定。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(3)模具材料的冶金质量钢中的非金属夹杂物自身的强度和塑性很低，容易形成裂纹源，引起模具早期断裂失效。钢中碳化物的数量过多，形状、尺寸及分布不理想，将严重降低钢的冲击韧性及断裂抗力，引起模具的崩块、折断、劈裂等。中心疏松及白点，将降低钢的抗压强度，易发生模具工作面凹陷和淬火开裂。特别是高碳高合金钢，冶金缺陷多往往容易造成淬火开裂或模具的早期破坏。因此，提高模具材料的冶金质量也是提高模具使用寿命的重要手段。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(4)模具材料的热处理及表面处理在模具结构、材料和使用条件不变的情况下，保证热处理质量，采用最佳的热处理工艺和表面强化处理技术可以获得均匀的符合模具具体性能要求的组织结构，充分发挥模具材料潜力、切实提高模具的使用寿命。如果热处理工艺不合理或者操作不当而引起热处理缺陷，则会严重损害模具的使用性能，并导致模具的早期失效。模具零件的表面强化可以改善模具材料的表面特性，获得硬度、耐磨性、韧性、抗疲劳强度等性能指标的良好配合，得到“外硬里韧”的效果。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

表面处理方法很多，除常用的渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗钒等工艺以外，还有电火花强化、激光强化处理、化学气相沉积、物理气相沉积等工艺，能提高模具寿命几倍到几十倍。虽然采取以上措施能够提高模具的使用性能和模具的使用寿命，但提高的幅度还是十分有限的。随着科技的发展，特别是模具加工工艺的进步，越来越趋向于高温、高压、高速、重载，对模具的工作条件要求也越加苛刻。所以，要大幅度提高模具的使用寿命，就必须不断研制、开发和应用新的模具材料。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命3.模具制造对模具寿命的影响

(1)锻造工艺的影响锻造在很大程度上影响模具的质量和使用寿命。通过合理锻造，在得到所需形状的模具毛坯的同时，还可达到改善材料组织与性能的目的。但如果锻造工艺不合理或操作不当，则得不到上述效果，还可能出现锻造裂纹、过热和过烧等缺陷。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(2)机械加工的影响在切削加工中要注意尺寸准确，同时需保证模具零件的表面粗糙度要求，不留下疤痕，不留下超过下道工序加工余量的残迹，否则将有可能成为疲劳裂纹源，将严重降低模具的疲劳强度。模具表面尺寸过渡处应光滑，圆角半径不能太小，否则工作时易在该处产生应力集中而诱发疲劳破坏。在磨削加工过程中，最常见也最严重的缺陷是磨削烧伤和磨削裂纹，两者都会严重降低模具的疲劳强度和断裂抗力，所以在磨削加工时，应切实控制磨削精度和磨削用量，并注意砂轮质量，采用适当的切削液及其足够的用量，防止出现磨削缺陷。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命(3)电加工的影响在模具制造中常用的电加工方法有电火花线切割、电火花成型加工等，主要用于模具形孔和型腔等的加工。加工时火花放电处的瞬时温度高，可达到10000℃以上，足以使该处的金属快速熔化甚至气化。熔化的金属快速凝固形成硬度很高的白亮层，称为电烧伤层。下一页返回上一页9.4模具失效与模具使用寿命

在模具进行电火花加工时应注意调整电参数，控制熔化层的厚度