《模具失效与选材》PPT课件

1、模具的失效和选材,1、失效的基本概念,1.1 定义： 产品失去其规定功能的现象（尺寸、形状、组织、性能等使用时发生了变化）。 容器螺栓塑性变形伸长渗漏 轴承、齿轮磨损噪音 齿轮、弹簧断裂无法承载 模具的磨损型腔变化工件尺寸精度下降,1.2 失效判据： 1) 完全失去原有功能（断裂） 2) 性能恶化 达不到技术要求（精度低；噪音） 局部失去工效（腐蚀） 3) 失去安全工作能力（严重变形）,1.3 危害 人员伤亡 经济损失 社会影响,1.4 失效分析的目的 研究失效现象、特征、规律找原因改进 为设计、选材、制造、使用提供科学依据（强度、塑性、韧性、层深） 为避免类似灾难的发生,2、失效的形式和原因

2、,按照失效形态可分为过量变形、断裂和表面损伤三类 2.1 过量变形（形状、尺寸变化） 弹性变形 刚度低（弹性小/E、e、截面尺寸）精度不够（镗床的镗杆） 变形可逆（无残余变形） 非灾难性 塑性变形 设计、选材、工艺、使用等不当造成 变形不可逆，有预兆 蠕变,2.2 断裂（危害大、重要、重点） 塑性断裂 设计、选材、工艺、使用等不当造成 金相、断口有对应特征 脆性断裂 无明显变形、突发性 碎块多、断口复原好 宏观、微观有对应特征 疲劳断裂 常见、无明显塑性变形、突发 宏观、微观有对应特征 环境引起的断裂（蠕变断裂；氢脆；应力腐蚀）,2.3 腐蚀(活性介质引起的失效） 有腐蚀物、腐蚀坑 不同腐蚀类

3、型，具有相应的断口或裂纹或腐蚀面特征 2.4 磨损 形状、尺寸变化 材料转移、损失，表面损坏 不同类型磨损，表面形貌具有相应的损坏特征,3、模具的工作条件、失效形式和选材,金属在冷 态下变形,拉延、冲压、冷鐓或 冷挤成形等,共同 特点,工作温度不高，模具主要承受高压 力或冲击力，有强烈的摩擦,主要技术要求为具有高硬度 和耐磨性，有一定韧性,技术 要求,3.1 冷作模具,1）工作条件,2）失效形式,断裂失效： 模具在工作过程中受力很大（冲击应力和摩擦应力），若硬度高、韧性低、缺口敏感性大、应力集中、安装精度低、晶粒粗大、网带状碳化物、回火不足、磨削烧伤、刀痕等。呈脆性断裂特征，寿命短。 疲劳失效

4、： 表面在工作应力、热应力的交变作用下，在晶界、碳化物、夹杂物、应力集中处等表面缺陷部位会萌生疲劳裂纹，进而扩展产生疲劳断裂。,磨损失效： 模具在冲击应力和摩擦应力作用下，摩擦面互相咬合产生咬合磨损；在表面剥落的碎屑作用下产生磨料磨损；在摩擦热作用下产生高温氧化引起氧化磨损（热磨损）。 塑性变形： 模具硬度较低时（冷镦冲头56HRC,冷挤压冲头60HRC），凸模出现镦粗、弯曲，凹模出现型腔塌陷、孔径胀大、棱角堆塌 。,冷作模具钢的类型有：碳素工具钢、低合金工具钢、高铬中铬模具钢及高速钢类冷作模具钢等。 a）碳素工具钢 T7A、T8A、T10A、T13A、T12A等；热处理淬火（不完全）低温回火

5、，主要制造尺寸小、形状简单、承受载荷轻的模具。 b）低合金刃具钢 9Mn2V、9SiCr、CrWMn、GCr15、6CrMnNiMoSiV（GD钢，Cr、Mn、Ni、 Mo 淬透性；Mo、Si回稳; Mo 、Vd）。热处理淬火（不完全）低温回火，主要制造尺寸大、形状复杂、承受载荷轻的模具。,3）冷作模具选材,高碳高铬模具钢 主要是Cr12（C=2.0-2.3)和Cr12MoV(C=1.45-1.7)钢。属莱氏体钢,淬透性、耐磨性好，韧性不足。 Cr12MoV钢具有高淬透性，截面200-300mm以下可以完全淬透, 主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有“冷作模具王牌”之称。 热处

6、理：反复锻造、球化退火。 低淬和低回晶粒细小，强韧性好，硬度为6163HRC；高淬高回，硬度为6062HRC热硬性较好，强韧性较低。,c）高铬和中铬模具钢,高碳中铬模具钢 改进Cr12型K多/粗大/分布不匀问题，提高韧性。典型钢号有： Cr4W2MoV(C=1.15-1.25)和Cr5Mo1V。K以M7C3型为主，分布较均匀，具有耐磨性好和热处理变形小的特点，适于制造既要求有高的耐磨性，又具有一定韧度的模具。 100mm以下可空冷淬硬，适用于形状复杂、需要好的耐磨性和良好韧度的冷作模具，如下料模、成形模、冲头、剪刀片等。 高速冲压时用：9Cr6W3Mo2V2（GM）钢和7Cr7Mo2V2Si（

7、LD）钢。,低碳6W6Mo5Cr4V（6W6）、低合金高速钢（如301、F205和D101）；基体钢6Cr4W3Mo2VNb（65Nb）、6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2）、012Al（5Cr4Mo3SiMnVAl）等，主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具（同上），代替高Cr钢，用于韧性要求更高场合。此时红硬性要求低于刃具，强韧性要求高于刃具。,d）高速钢类冷作模具钢,6SiCr、4CrW2Si、5CrW2Si，降碳亚共析， 韧性；Si、Cr 回稳， 韧性； W细化晶粒，韧性。这类钢耐磨性有所降低。常用于受冲击、刃口薄的冷作模具。,e）中碳中低合金冷模具钢,3.2 热作模具,使热态或

8、液态金属获得所需形状,模具是在反复受热和冷却条件下工作.模具受 热时间越长，受热程度就越严重。 许多模具还受到较大冲击力。工作条件苛刻,模具钢应具有高抗热塑性变形能力、高 韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性。,服役条件,技术 要求,1）工作条件概况,服役条件,性能要求,1）反复冷、热 龟裂、热疲劳,热疲劳抗力A1， 硬度是有利的；,2）表层温度500, 冲击力大,热强性韧度高温回火； 消除回脆,整体性能好；,3）强烈摩擦磨损,模具高温耐磨性,4）模具尺寸比较大,淬透性好，导热性好,2）锤锻模和大型压力机锻模工作条件,和热锤锻模相比，热挤压模在工作时需要较 长时间与被变形加工的金属接触，其受热的

9、温度 往往更高。热挤压模还承受很大的应力和摩擦 力。 这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小。 热挤压模主要要求有高的热稳定性、较高的高温 强度、耐热疲劳性和高的耐磨性。,3）热挤压模与中小型压力机锻模工作条件,4）失效形式,热磨损失效： 模具成形高温金属坯时两者之间产生摩擦且得不到润滑，模具型腔被加热软化（回火）和氧化，产生氧化磨损和粘着磨损，其中磨损沟槽还会进一步诱发热疲劳开裂。 断裂失效： 若模具硬度高、韧性低、缺口敏感性大、安装精度低、晶粒粗大、网带状碳化物、回火不足、磨削烧伤、刀痕时，在模具型腔尖角处、应力集中处等起裂。呈脆性断裂特征，寿命短。,型面堆塌： 模具型腔在高温金属坯作用下

10、，表面发生软化、变形，导致塌陷。模具硬度降到30HRC。 热疲劳： 模具在工作中受到急冷、急热的作用而产生的热应力，使型腔表面产生细微裂纹，有的呈单条状的，有的则连成细网状，即“龟裂”。表面氧化磨损和粘着磨损，会诱发热疲劳开裂,腐蚀： 压铸模在液体金属冲蚀、熔蚀或侵蚀产生的腐蚀现象，型腔表面呈凹凸不平，棱角变钝，使铸件的形状、精度下降。 冷作模具和热作模具在成形某些具有氧化腐蚀的粉末时也会出现腐蚀（磨损）现象。,使用最广泛的是高韧性热作模具钢 5CrNiMo(大型)和5CrMnMo钢 。 热处理：淬火+高温回火,5）热作模具选材,a)锤锻模和大型压力机锻模用钢,铬系（高强韧性热作模具钢）：,4

11、Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5W2SiV 等常用。淬透性较高，较高的强度和韧度，抗氧化 性较好。常用于制造尺寸不大的热锻模、钢及铜的 热挤压模、铝及铜合金的压铸模等。 热处理：高淬高回。,b)热挤压模钢与中小型压力机锻模用钢有铬系、钨系和钼系热模具钢三类,3Cr2W8V钢使用最多（热挤压模、热顶锻模）， 具有高的热稳定性、耐磨性，但韧度和抗热疲劳性 较差。国外已基本停止，以H13代之。国内有 5Cr4W5Mo2V（RM2）、4Cr3Mo3W4VNb（GR）、 4CrW2Si等 热处理：高淬多回。,钨系（高热强性热作模具钢）：,Mo系（CrMo为主添加V、Nb、Ni元素）,性能介于铬系和钨系之间。 如3Cr3Mo3V、4Cr3Mo2NiVNbB（HD） 热处理：高淬高回,以上三类热模具钢可采用： (低淬低回冷作模),4、典型模具的失效案例,4.1 链板冷冲模凹模,材料：Cr12MoV钢 失效形式：开裂 失效原因：？,4.2 螺栓的滚丝模,材料：Cr12MoV钢、6Mo5Cr4V2钢 失效形式：开裂 失效原因：？,4.3 螺栓的冷拔冷镦模,材料：Cr12MoV钢或6Mo5Cr4V2钢 失效形式：磨损 失效原因：？,