模具失效種類及預防

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模具在生產應用過程中，經常發生各種不同情況的失效，浪費大量的人力、物力，影響了生產進度。以下主要講述模具的幾種基本失效形式及失效的原因以及預防措施。
1 模具失效
冷熱模具在服役中失效的基本形式可分為：塑性變形；磨損；疲勞；斷裂。

(1)塑性變形。
塑性變形即承受負荷大於屈服強度而產生的變形。如凹模出現型腔塌陷、型孔擴大、棱角倒塌陷以及凸模出現鐓粗、縱向彎曲等。尤其熱作模具，其工作表面與高溫材料接觸，使型腔表面溫度往往超過熱作模具鋼的回火溫度，型槽內壁由於軟化而被壓塌或壓堆。低淬透性的鋼種用作冷鐓模時，模具在淬火加熱後，對內孔進行噴水冷卻產生一個硬化層。模具在使用時，如冷鐓力過大，硬化層下麵的基底抗壓屈服強度不高，模具孔腔便被壓塌。模具鋼的屈服強度一般隨碳(c)的含量從某些合金元素的增多而升高，在硬度相同的情況下，不同化學成分的鋼具有的抗壓強度不同，當鋼硬度為63HRC時，下列4種鋼的抗屈服強度由高到低依次順序為：W18Cr4V>Cr12>Cr6WV>5CrNiW。

(2)磨損失效。
磨損失效是指刃門鈍化、棱角變圓、平面下陷、表面溝痕、剝落粘膜(在摩擦中模具工作表而粘了些坯料金屬)。另外，凸模在工作中，由於潤滑劑燃燒後轉化為高壓氣體，對凸模表面進行劇烈沖刷，形成氣蝕。
冷沖時，如果負荷不大，磨損類型主要為氧化，磨損也可為某種程度的咬合磨損，當刃口部分變鈍或衝壓負荷較大時，咬合磨損的情況會變得嚴重，而使磨損加快，模具鋼的耐磨性不僅取決於其硬度，還決定於碳化物的性質、大小、分佈和數量，在模具鋼中，目前高速鋼和高鉻鋼的耐磨性較高。但在鋼中存在有嚴重的碳化物偏析或大顆粒的碳化物情況下，這些碳化物易剝落，而引起磨粒磨損，使磨損加快。較輕冷作模具鋼(薄板沖裁、拉伸、彎曲等)的衝擊，載荷不大，主要為靜磨損。在靜磨損條件下，模具鋼的含碳量多，耐磨性就大。在衝擊磨損條件下(如冷鐓、冷擠、熱鍛等)，模具鋼中過多的碳化物無助於提高耐磨性，反而因衝擊磨粒磨損，而降低耐磨性。
研究表明，在衝擊磨粒磨損條件下，模具鋼含碳量以O.6％為上限，冷鐓模在衝擊載荷條件下工作，如模具鋼中碳化物過多，容易固衝擊磨損而山現表面剝落。這些剝落的硬粒子將成為磨粒，加快磨損速度。熱作模具的型腔表面，由於高溫軟化而使耐磨性降低，此外，氧化鐵皮也起到磨料的作用，同時還有高溫氧化腐蝕作用。

(3)疲勞失效。
疲勞失效的特徵：模具某些部位經過一定的服役期，萌生了細小的裂紋，並逐漸向縱深擴展，擴展到一定尺寸時，嚴重削弱模具的承載能力而引起斷裂。疲勞裂紋萌生于應力較大部位，特別是應力集中部位(尺寸過渡、缺口、刀痕、磨損裂紋等處)，疲勞斷裂時斷門分兩部分，一部分為疲勞裂紋發展形成的疲勞處破裂斷面，呈現貝殼狀，疲勞源位於貝殼頂點。另一部分為突然斷裂，呈現不平整粗糙斷面。
使模具發生疲勞損傷的根本原因為特環載荷，凡可促使表面拉應力增大的因素均能加速疲勞裂紋的萌生。
冷作模具在高硬狀態下工作時，模具鋼具有很高的屈服強度和很低的斷裂韌性。高的屈服強度有利於推遲疲勞裂紋的產生，但低的斷裂韌性使疲勞裂紋的擴展速率加快和臨界長度減小，使疲勞裂紋擴展迴圈數大大縮短，因此，冷作模具疲勞壽命主要取決於疲勞裂紋萌生時間。
熱作模具一般在中等或較低的硬度狀態下服役，模具斷裂韌性比冷作模具高得多，因此，在熱作模具中，疲勞裂紋的擴展速度低於冷作模具，臨界長度大於冷作模，熱作模具疲勞裂紋的亞臨界擴展週期較冷作模長得多，但熱作模具表面受急冷，急熱很易萌生冷熱疲勞裂紋，熱作模具的疲勞裂紋萌生時間比冷作模短得多，因此，許多熱作模其疲勞斷裂壽命主要取決於疲勞裂紋擴展的時間。

(4)斷裂失效。
斷裂失效常見形式有：崩刃、腡齒、劈裂、折斷、脹裂等，不同模具斷裂的驅動力不同。冷作模具、所受的主要為機械作用力(衝壓力)。熱作模所受除機械力外，還有熱應力和組織應力，有許多熱作模具的工作溫度較高，又採用強制冷卻，其內應力可遠遠超過機械應力，因此，許多熱作模的斷裂主要與內應力過大有關。
模具斷裂過程有兩種：一次性斷裂和疲勞斷裂。一次性斷裂為模具有時在衝壓時突然斷裂，裂紋一旦萌生，後即失穩、擴展。它的主要原因為嚴重超載或模具材料嚴重脆化(如過熱、回火不足、嚴重應力集十及嚴重的冶金缺陷等)。

2\模具失效原因及預防措施

(1)結構設計不合理引起失效。
尖銳轉角(此處應力集中高於平均應力十倍以上)和過大的截面變化造成應力集中，常常成為許多模具早期失效的根源。並且在熱處理淬火過程中，尖銳轉角引起殘餘拉應力，縮短模具壽命。
預防措施：凸模各部的過渡應平緩圓滑，任何役小的刀痕都會引起強烈的應力集中，其直徑與長度應符合—定要求。

(2)模具材料品質差引起的失效。
模具材料內部缺陷，如疏鬆、縮孔、夾雜成份偏析、碳化物分佈不均、原表面缺陷(如氧化、脫碳、折疊、疤痕等)影響鋼材性能，

a．夾雜物過多引起失效。
鋼中存在夾雜物足模具內部產生裂紋的根源，尤其是脆性氧化物和矽酸鹽等，在熱壓力加工中不發生塑性變形，只會引起脆性的破裂而形成微裂紋。在以後的熱處理和使用中訪裂紋進一步擴展，而引起模具的開裂。此外，在磨削中，由於大顆粒夾雜物剝落造成表面孔洞。

b．表面脫碳引起失效。
模具鋼在熱壓力加工和退火時，常常由於加熱溫度過高，保溫時間過長，而造成鋼材表面脫碳，嚴重脫碳的鋼材在機械加工後，有時仍殘留有脫碳層，這樣在淬火時，由於內外層組織的不同(表面脫碳層為鐵索體，內部為珠光體)造成組織轉變不一致，而產生裂紋。

c．碳化物分佈不勻，引起失效。
Crl2、Cr112MoV等模具鋼含碳量和合金元素較高，形成了許多共晶碳化物，這些碳化物在鍛造比較小時，易呈現帶狀和網狀偏析，導致淬火時常出現沿帶狀碳化物分佈的裂紋，模具在使用中裂紋進一步擴展，而造成模具開裂失效。
預防措施：鋼在緞軋時，模具應反復多方向鍛造，從而鋼中的共晶碳化物擊碎得更細小均勻，保證鋼碳化物不均勻度級別要求。

(3)模具的機加上不當。

a 切削中的刀痕：模具的型腔部位或凸模的圓角部位在機加工中，常常因進刀太探而使局部留下刀痕，造成嚴重應力集中，當進行淬火處理時，應山集中部位極易產生微裂紋。
預防措施：在零件粗加工的最後一道切削中，應儘量減少進刀量，提高模具表面光潔度。

b 電加工引起失效。模具在進行電加工時，由於放電產生大量的熱，將使模具被加工部位加熱到很高溫度，使組織發生變化，形成所謂的電加工異常層，在異常層表面由於高溫發生熔融，然後很快地凝固，該層在顯微鏡下呈白色，內部有許多微細的裂紋，白色層下的區域發生淬火，叫淬火層，再往裏由於熱影響減弱，溫度不高，只發生回火，稱回火層。測定斷面硬度分佈：熔融再凝固層，硬度很高，達610~740HRC，厚度為30μm，淬火層硬度400~500HRC，厚為20μm。回火屬高溫回火，組織較軟，硬度為380—400HRC，厚為10μm。
預防措施：①用機械方法去除開常層中的再凝固層，尤其是微觀裂紋；②在電加工後進行一次低溫回火，使異常層穩定化，以防微裂紋擴展。

c磨削加工造成失效。模具型腔面進行磨削加工時，由於磨削速度過大，砂輪粒度過細或冷卻條件差等因素影響，均會導致磨削表曲過熱或引起表面軟化，硬度降低，使模具在使用中因磨損嚴重，或熱應力而產生磨削裂紋，導致早期失效。
預防措施：①採用切削力強的粗砂輪或粘結性差的砂輪；②減少工件進給量；③選用合適的冷卻劑；④磨削加工後採用250~350℃回火，以除磨削應力。

(4)模具熱處理工藝不合適。
加熱溫度的高低、保溫時間長短、冷卻速度快慢等熱處理工藝參數選擇不當，都將成為模具失效因素。

a．加熱速度：模具鋼中含有較多的碳和合命元素，導熱性差，因此，加熱速度不能太快，應緩慢進行，防止模具發生變形和開裂。在空氣爐中加熱淬火時，為防止氧化和脫碳，採用裝箱保護加熱，此時升溫速度不宜過快，而透熱也應較慢。這樣，不會產生大的熱應力，比較安全。若模具加熱速度快，透熱快，模具內外產生很大的熱應力。如果控制不當，很容易產生變形或裂紋，必須採用預熱或減慢升溫加速度來預防。

b．氧化和脫碳的影響。模具淬火是在高溫度下進行的，如不嚴格控制，表曲很易氧化和脫碳。另外，模具表面脫碳後，由於內外層組織差異、冷卻中出現較大的組織應力、導致淬火裂紋。
預防措施：可採用裝箱保護處理，箱內填充防氧化和脫碳的填充材料。

(1)冷卻條件的影響。
不同模具材料，據所要求的組織狀態、冷卻速度是不同的。對高合金鋼，由於含較多合金元素，淬透性較高，可以採用油冷、空冷甚至等溫淬火和等級淬火等熱處理工藝