模具壽命與失效授課人：曾珊琪2008-2009（第1學(xué)期)22024年2月12日第四節(jié)模具制造一、模塊的鍛造模具材料主要采用高碳鋼或高碳高合金鋼。由于冶金技術(shù)的影響，這些材料不同程度的存在成分和組織的偏析、碳化物粗大不均勻、晶粒粗大等缺陷，使得鋼材的性能下降。影響模具壽命的因素32024年2月12日模塊采用鍛造工藝的目的改善材料內(nèi)部缺陷，獲得模塊所需要的內(nèi)部組織和使用性能；使模塊獲得一定的形狀和尺寸。模塊毛坯鍛造的工藝過程加熱—鍛打成型—冷卻每一環(huán)節(jié)操作不當(dāng)都會產(chǎn)生新的缺陷影響毛坯質(zhì)量。模塊的鍛造42024年2月12日1.模塊的加熱溫度應(yīng)力——模塊毛坯在加熱過程中，由于熱量是從外表面向里面?zhèn)鬟f，溫度是外高、內(nèi)低，存在溫度差而造成。組織應(yīng)力——溫度的升高，模塊毛坯會發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，由于不同組織的比容不同以及鋼料毛坯的表層與心部不同時發(fā)生相變而造成。

模塊的鍛造52024年2月12日溫度應(yīng)力的影響軸向應(yīng)力、切向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。當(dāng)圓柱體毛坯以等速升溫進(jìn)行加熱時，溫度應(yīng)力中，軸向應(yīng)力最大中心是拉應(yīng)力，模塊毛坯加熱時，在心部易產(chǎn)生橫向裂紋。

模塊的鍛造62024年2月12日斷面溫差的有關(guān)因素材料的熱擴(kuò)散性差、斷面尺寸大、加熱速度快、溫度頭大則其斷面溫差就大，因而溫度應(yīng)力就大。模塊用毛坯多為高碳、高合金鋼，其低溫段熱擴(kuò)散率比較小，因此低溫段應(yīng)緩慢加熱。模塊的鍛造72024年2月12日組織應(yīng)力的影響奧氏體的比容小于鐵素體的比容表層開始相變時，表層為拉應(yīng)力、心部為壓應(yīng)力當(dāng)心部開始相變時，表層為壓應(yīng)力，心部為拉應(yīng)力。模塊的鍛造82024年2月12日但隨著溫度的升高，鋼的塑性和熱擴(kuò)散性會同時增加，組織應(yīng)力，溫度應(yīng)力都易迅速松弛。因此，鋼模塊毛坯加熱時開裂的危險性不大。模塊的鍛造92024年2月12日2．模塊毛坯的冷卻模塊毛坯鍛后冷卻時，發(fā)生的問題：溫度應(yīng)力；組織應(yīng)力；鍛后的殘余應(yīng)力；空氣中的淬火能力。在鍛后冷卻過程中，有產(chǎn)生淬火裂紋的傾向，鍛后應(yīng)進(jìn)行緩慢冷卻。模塊的鍛造102024年2月12日3.模塊的鍛造比鍛造比是模塊鍛造時變形程度的一種表示方法。隨著鍛造比增大，鍛坯內(nèi)部孔隙焊合，碳化物被擊碎并均勻分布，鍛坯的各個方面的力學(xué)性能均得到明顯提高；當(dāng)鍛造比超過一定數(shù)值后，由于形成纖維組織，橫向力學(xué)性能急劇下降，導(dǎo)致出現(xiàn)各向異性。

模塊的鍛造112024年2月12日模塊的鍛造比的影響122024年2月12日合理的鍛造比拔長鍛造比：2~4（F0/F）鐓粗鍛造比：<3（H0/H）采用鐓—拔結(jié)合可提高鍛造比。鍛造操作方法對坯料產(chǎn)生應(yīng)力和裂紋也有影響。模塊的鍛造比的影響132024年2月12日二、模具零件的加工的影響模具零件加工一般要經(jīng)過切削加工、磨削加工和電火花加工。加工中造成的質(zhì)量問題，尤其是加工表面的質(zhì)量，也會顯著影響模具的耐磨性、斷裂抗力、疲勞強度及熱疲勞抗力等。模具制造142024年2月12日1.切削加工的影響1）切削加工必須把鍛造和退火后模具鍛坯存在的脫碳層全部去除。2）切削加工要注意尺寸準(zhǔn)確，保證尺寸過渡處的圓角半徑和圓弧連接。模具零件的加工的影響152024年2月12日3）保證表面粗糙度要求，不留刀痕，尤其是不能留下超出下道工序加工余量的殘跡。切削加工的影響162024年2月12日2.磨削加工的影響模具工作零件通常要求較高的表面硬度和較高的制造精度及表面質(zhì)量。因此最終熱處理后的精加工通常采用磨削。在磨削過程中，由于局部摩擦生熱，容易引起磨削燒傷和磨削裂紋等缺陷，并在磨削表面生成殘余拉應(yīng)力，造成對零件力學(xué)性能的影響，甚至成為導(dǎo)致零件失效的原因。模具制造172024年2月12日

磨削燒傷的特征根據(jù)切削熱對零件表面局部加熱的程度，磨削燒傷可分為：1）輕度的磨削燒傷表現(xiàn)為被磨削表面呈現(xiàn)黃、紫、蘭等彩色條紋，與250～300℃的回火色相類似。磨削加工的影響182024年2月12日2）中度磨削燒傷使表面明顯地軟化，例如：使合金鋼的表面硬度降至50HRC以下，高速鋼的表面硬度降至60HRC以下。3）重度磨削燒傷可使表面薄層加熱至相變溫度以上,并產(chǎn)生二次淬火，形成高硬度的白亮層。磨削燒傷的特征192024年2月12日磨削裂紋一般垂直于磨削方向，少數(shù)裂紋與磨削方向平行，二者構(gòu)成網(wǎng)狀。輕微的裂紋難以用肉眼察覺。磨削燒傷和裂紋嚴(yán)重時會降低模具的疲勞強度和斷裂抗力。磨削裂紋的特征202024年2月12日磨削燒傷層對疲勞壽命的影響磨削加工的影響212024年2月12日引起磨削缺陷的主要原因磨削量太大；砂輪太鈍；砂輪磨粒粗細(xì)與工件材料組織不匹配；冷卻不利。磨削加工的影響222024年2月12日磨削裂紋的形成主要與磨削工藝有關(guān)經(jīng)驗表明，磨削量越大、磨削速度越高，產(chǎn)生的磨削熱越多，越容易引起磨裂。砂輪硬度和磨粒粒度選擇不當(dāng)、冷卻不均勻、不充分，對裂紋的形成也有促進(jìn)作用。磨削加工的影響232024年2月12日磨削工藝參數(shù)對磨損燒傷起著決定性作用。圖示是砂輪圓周速度、切削深度與磨削燒傷的關(guān)系圖，圖中黑點區(qū)為非磨損燒傷的安全區(qū)。引起磨削缺陷的主要原因242024年2月12日從圖看，要提高砂輪速度必須減少切削深度。例如，要實現(xiàn)無燒傷磨削，砂輪圓周速度為600m/min時，切削深度為0.09mm以下。若砂輪圓周速度提高為1000m/min，切削深度應(yīng)減少到0.05mm左右。引起磨削缺陷的主要原因252024年2月12日磨削加工中防止缺陷的措施1）在磨削加工時，控制切削厚度和磨削用量；2）注意砂輪質(zhì)量；3）采用適當(dāng)?shù)那邢饕杭捌渥銐虻挠昧俊Ａ?。在磨削加工時，合理選擇磨削用量和砂輪，正確使用切削液和控制冷卻效果，可防止或減小磨削缺陷的產(chǎn)生。磨削加工的影響262024年2月12日（三）電火花加工的影響

模具常用電火花加工方法電火花穿孔加工電火花型腔加工電火花線切割加工模具制造272024年2月12日電火花加工是現(xiàn)代模具不可缺少的精加工手段。其加工原理是在工作液中利用工具電極與工件電

極之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到零件要求的尺寸、形狀及表面質(zhì)量。電火花加工的影響282024年2月12日電火花加工過程中，由于受瞬時高溫作用和工作液快速冷卻作用，使材料已加工表面發(fā)生化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的變化，形成加工變質(zhì)層。電火花加工變質(zhì)層大致分為熔化凝固層和熱影響層。電火花加工的影響292024年2月12日電火花加工的缺陷熔化凝固層在模具材料的最表層。表層金屬被快速熔化又快速凝固，形成硬度很高的白亮層。稱為電火花燒傷層。電火花燒傷層中存在較大的拉應(yīng)力，當(dāng)其厚度較大時會出現(xiàn)顯微裂紋。從而降低模具的韌性和斷裂抗力。電火花加工的影響302024年2月12日電火花加工變質(zhì)層的厚度和殘余應(yīng)力都隨放電能量的增加而增大。在能量相同的情況下，放電時間短，殘余應(yīng)力在狹小范圍內(nèi)密集分布，應(yīng)力峰值大；放電時間長，殘余應(yīng)力分布在較大范圍內(nèi)，應(yīng)力峰值小。電火花加工的影響312024年2月12日殘余應(yīng)力還受模具材料的影響硬質(zhì)合金和高碳鋼，由于塑性差，易產(chǎn)生應(yīng)力集中，加工變質(zhì)層中殘余應(yīng)力大而且分布廣；低碳鋼，由于塑性好，加工過程中的應(yīng)力易通過材料變形釋放或降低，加工變質(zhì)層中的殘余應(yīng)力為高碳鋼的1/2，而且分布區(qū)域也為高碳鋼的1/2。因此，電加工時，為減小變質(zhì)層的厚度和殘余應(yīng)力，應(yīng)選擇較小的電參數(shù)。電火花加工的影響322024年2月12日由于白亮層的硬度高，因此電火花加工表面比一般的淬火回火表面耐磨性高。但是，由于電火花加工表面存在著殘余拉應(yīng)力，并可能存在著顯微裂紋，所以電火花加工表面的疲勞強度低于機械加工表面的疲勞強度。若使殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，則可提高模具的耐疲勞性。生產(chǎn)中可采用回火處理、噴丸處理等工藝。電火花加工的影響332024年2月12日防止或減小缺陷的措施模具在進(jìn)行電火花加工時應(yīng)注意1）調(diào)整電規(guī)準(zhǔn)，控制熔化層的厚度在10μm以下。2）加工后應(yīng)補充回火，以消除應(yīng)力，降低脆性。電火花加工的影響342024年2月12日三、模具熱處理缺陷熱處理工藝對模具性能具有十分重要的影響。如果熱處理操作不當(dāng)，將嚴(yán)重危害模具的承載能力，引起早期失效，降低使用壽命。熱處理缺陷可以分為兩類，一類表現(xiàn)為對模具表面或內(nèi)部組織和性能的影響，這類缺陷一般都能采取相應(yīng)的技術(shù)措施處理解決。模具制造352024年2月12日另一類缺陷是引起模具的熱處理變形，這類缺陷影響模具的尺寸精度和位置形狀精度。要耗費大量工時對變形模具進(jìn)行校正和修磨后才能正常使用，當(dāng)變形程度超過模具零件尺寸或形狀變化的要求而導(dǎo)致無法校正時，就造成模具的早期失效。362024年2月12日引起模具失效的熱處理缺陷1.過熱和過燒由于加熱溫度過高、保溫時間過長及爐內(nèi)溫度不均勻等，引起模具鋼晶粒粗大的現(xiàn)象稱為過熱。當(dāng)加熱溫度過高而引起晶界出現(xiàn)局部熔化和氧化的現(xiàn)象稱為過燒。模具熱處理缺陷372024年2月12日過熱現(xiàn)象使模具的力學(xué)性能變差，尤其是沖擊韌度下降，產(chǎn)生變形和開裂，使用時，易引起早期損壞。過熱現(xiàn)象通過重新加熱的方法可以消除。而過燒現(xiàn)象使模具只能報廢。這種缺陷常見于碳化物偏析嚴(yán)重的高碳高合金鋼的高溫淬火加熱。引起模具失效的熱處理缺陷382024年2月12日2.氧化和脫碳模具淬火加熱時保護(hù)不良，介質(zhì)中含有較多氧化物或腐蝕物質(zhì)，加熱超過一定溫度時會使模具表面氧化、脫碳或腐蝕。氧化使表面形成氧化皮，影響冷卻的均勻性。氧化和腐蝕使模具表面的粗糙度變差和精度下降。引起模具失效的熱處理缺陷392024年2月12日2.氧化和脫碳脫碳則造成淬火后硬度不足或出現(xiàn)軟點、軟塊，并降低模具的耐磨性、抗咬合能力、疲勞強度和熱疲勞抗力。采用鹽浴爐加熱和箱式保護(hù)加熱可以有效防止氧化脫碳的產(chǎn)生。引起模具失效的熱處理缺陷402024年2月12日3.熱處理裂紋當(dāng)模具預(yù)處理組織不良、碳化物偏析嚴(yán)重、冷加工應(yīng)力過大、淬火操作不當(dāng)、模具本身形狀復(fù)雜薄厚不均等，都可能導(dǎo)致產(chǎn)生淬火裂紋。淬火裂紋將使模具報廢，不易發(fā)現(xiàn)的裂紋將引起模具的早期斷裂。引起模具失效的熱處理缺陷412024年2月12日常見的裂紋：縱向裂紋、橫向裂紋、表面裂紋。引起模具失效的熱處理缺陷422024年2月12日（1）產(chǎn)生裂紋的主要原因原材料內(nèi)有顯微裂紋；未經(jīng)預(yù)熱而使用過急的加熱速度；冷卻介質(zhì)選擇不當(dāng)，冷卻速度過于劇烈；在Ms點以下，冷卻速度過大；多次淬火中間未經(jīng)充分退火，淬火后未及時回火，回火不足或在回火脆性區(qū)回火；表面增碳、脫碳；化學(xué)熱處理不當(dāng)，多次滲金屬或滲金屬時溫度過高。引起模具失效的熱處理缺陷432024年2月12日（2）防止裂紋的措施1）嚴(yán)格控制原材料的內(nèi)部質(zhì)量，防止由于材料缺陷而導(dǎo)致模具在熱處理過程中出現(xiàn)的裂紋。2）淬火前采用一定的工藝措施。3）選擇合理的淬火工藝。4）凡已淬好的模具需立即回火。合金鋼模具應(yīng)采用兩次以上的回火。5）凡需返修或重新淬火的模具，必須進(jìn)行充分的中間退火。引起模具失效的熱處理缺陷442024年2月12日4.硬度不足和軟點模具鋼經(jīng)過熱處理出現(xiàn)硬度不足或軟點的缺陷，使材料的性能變化，承載能力下降，尤其是耐磨性受到影響。引起模具失效的熱處理缺陷452024年2月12日（1）產(chǎn)生硬度不足的原因1）淬火前原材料內(nèi)部存在組織有缺陷等質(zhì)量問題，如碳素工具鋼中出現(xiàn)石墨碳。2）熱處理工藝不當(dāng)在熱處理中采取一定的措施，可以防止出現(xiàn)硬度不足的現(xiàn)象。例如：碳素工具鋼不宜多次退火，以防石墨化；采用儀表測量嚴(yán)格準(zhǔn)確的控制加熱溫度、保溫時間和回火溫度，以滿足硬度合格為依據(jù)；使淬火冷卻速度大于鋼的臨界冷卻速度；做好鹽浴的脫氧撈渣和箱式爐等加熱工件的保護(hù)。引起模具失效的熱處理缺陷462024年2月12日（2）產(chǎn)生軟點的主要原因軟點是材料表面硬度不均勻的表現(xiàn)，其產(chǎn)生原因有：1）模具鋼中存在化學(xué)成分偏析、組織不均勻的缺陷，造成熱處理后硬度不均勻。2）熱處理工藝不當(dāng)。引起模具失效的熱處理缺陷472024年2月12日（3）熱處理工藝中防止軟點的措施1）選擇模具材料的碳化物偏析應(yīng)在規(guī)定級別。應(yīng)經(jīng)過良好的預(yù)備熱處理，并檢查退火金相質(zhì)量。2）淬火加熱前除去模具表面的氧化皮和銹斑；加熱時注意保護(hù)，防止氧化和脫碳；

3）選擇合適的淬火冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)應(yīng)保持清潔，定期清理與更換。嚴(yán)格控制堿浴水分。4）淬火冷卻時，將模具上下、左右往復(fù)運動，并防止模具零件在冷卻過程中互相接觸。482024年2月12日5.黑色斷口黑色斷口是高碳工具鋼(T10～T13)易出現(xiàn)的缺陷，是鋼產(chǎn)生石墨化的特征。產(chǎn)生黑色斷口的主要原因是：熔煉脫氧時用了過量的鋁和硅；在鍛造、軋制停鍛溫度過高；退火過程中，高溫階段停留時間過長或退火次數(shù)過多，都會有石墨析出。引起模具失效的熱處理缺陷492024年2月12日5.黑色斷口黑色斷口的鋼在淬火時容易出現(xiàn)硬度不均勻和裂紋，其模具的壽命也是較低的。這種缺陷單靠熱處理是難以消除的，必須重新鍛造（壓縮比大于35％），然后快速冷卻，才可消除。引起模具失效的熱處理缺陷502024年2月12日6.脆性（1）產(chǎn)生脆性的主要原因1）材料的冶金質(zhì)量差；原始組織粗大、碳化物分布不均勻；2）熱處理工藝不當(dāng)，例如：淬火加熱溫度過高，或高溫停留時間過長；回火溫度偏低，回火時間不足；在回火脆性區(qū)回火等。引起模具失效的熱處理缺陷512024年2月12日（2）防止脆性的措施1）嚴(yán)格控制鋼材的內(nèi)在質(zhì)量；進(jìn)行預(yù)先熱處理(退火、正火)改善組織。2）選定合適的回火溫度，保證足夠的回火時間；盡量避免在回火脆性溫度區(qū)域回火。522024年2月12日7.表面腐蝕(麻點)

（1）產(chǎn)生表面腐蝕的原因1）在箱式爐中防護(hù)劑使用不良，引起氧化、脫碳。2）在鹽浴爐中加熱，鹽浴校正劑選用不當(dāng)，或校正劑中帶有腐蝕性雜質(zhì)，或脫氧后未撈渣。3）模具進(jìn)行空冷淬火，或在空氣中預(yù)冷