[摘要]敘述了模具失效的幾種基本形式，分析了其原因和防范措施。
　　關(guān)鍵詞 模具失效 塑性變形 磨損 疲勞 斷裂
　　
　　1 前言
　　模具在生產(chǎn)應(yīng)用過程中，經(jīng)常發(fā)生各種不同情況的失效，浪費(fèi)大量的人力、物力，影響了生產(chǎn)進(jìn)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(yù)防措施。
　　2 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(fù)荷大于屈服強(qiáng)度而產(chǎn)生的變形。如凹模出現(xiàn)型腔塌陷、型孔擴(kuò)大、棱角倒塌陷以及凸模出現(xiàn)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(nèi)壁由于軟化而被壓塌或壓堆。低淬透性的鋼種用作冷鐓模時(shí)，模具在淬火加熱后，對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行噴水冷卻產(chǎn)生一個(gè)硬化層。模具在使用時(shí)，如冷鐓力過大，硬化層下面的基底抗壓屈服強(qiáng)度不高，模具孔腔便被壓塌。模具鋼的屈服強(qiáng)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(xué)成分的鋼具有的抗壓強(qiáng)度不同，當(dāng)鋼硬度為63HRC時(shí)，下列4種鋼的抗屈服強(qiáng)度由高到低依次順序?yàn)椋篧18Cr4V>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，由于潤滑劑燃燒后轉(zhuǎn)化為高壓氣體，對(duì)凸模表面進(jìn)行劇烈沖刷，形成氣蝕。
　　冷沖時(shí)，如果負(fù)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(dāng)刃口部分變鈍或沖壓負(fù)荷較大時(shí)，咬合磨損的情況會(huì)變得嚴(yán)重，而使磨損加快，模具鋼的耐磨性不僅取決于其硬度，還決定于碳化物的性質(zhì)、大小、分布和數(shù)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(yán)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)的沖擊，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。在沖擊磨損條件下(如冷鐓、冷擠、熱鍛等)，模具鋼中過多的碳化物無助于提高耐磨性，反而因沖擊磨粒磨損，而降低耐磨性。
　　研究表明，在沖擊磨粒磨損條件下，模具鋼含碳量以O(shè).6％為上限，冷鐓模在沖擊載荷條件下工作，如模具鋼中碳化物過多，容易固沖擊磨損而山現(xiàn)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，由于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(shí)還有高溫氧化腐蝕作用。
　　(3)疲勞失效。
　　疲勞失效的特征：模具某些部位經(jīng)過一定的服役期，萌生了細(xì)小的裂紋，并逐漸向縱深擴(kuò)展，擴(kuò)展到一定尺寸時(shí)，嚴(yán)重削弱模具的承載能力而引起斷裂。疲勞裂紋萌生于應(yīng)力較大部位，特別是應(yīng)力集中部位(尺寸過渡、缺口、刀痕、磨損裂紋等處)，疲勞斷裂時(shí)斷門分兩部分，一部分為疲勞裂紋發(fā)展形成的疲勞處破裂斷面，呈現(xiàn)貝殼狀，疲勞源位于貝殼頂點(diǎn)。另一部分為突然斷裂，呈現(xiàn)不平整粗糙斷面。
　　使模具發(fā)生疲勞損傷的根本原因?yàn)樘丨h(huán)載荷，凡可促使表面拉應(yīng)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(tài)下工作時(shí)，模具鋼具有很高的屈服強(qiáng)度和很低的斷裂韌性。高的屈服強(qiáng)度有利于推遲疲勞裂紋的產(chǎn)生，但低的斷裂韌性使疲勞裂紋的擴(kuò)展速率加快和臨界長度減小，使疲勞裂紋擴(kuò)展循環(huán)數(shù)大大縮短，因此，冷作模具疲勞壽命主要取決于疲勞裂紋萌生時(shí)間。
　　熱作模具一般在中等或較低的硬度狀態(tài)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(kuò)展速度低于冷作模具，臨界長度大于冷作模，熱作模具疲勞裂紋的亞臨界擴(kuò)展周期較冷作模長得多，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(shí)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于疲勞裂紋擴(kuò)展的時(shí)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(qū)動(dòng)力不同。冷作模具、所受的主要為機(jī)械作用力(沖壓力)。熱作模所受除機(jī)械力外，還有熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，有許多熱作模具的工作溫度較高，又采用強(qiáng)制冷卻，其內(nèi)應(yīng)力可遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過機(jī)械應(yīng)力，因此，許多熱作模的斷裂主要與內(nèi)應(yīng)力過大有關(guān)。
　　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(shí)在沖壓時(shí)突然斷裂，裂紋一旦萌生，后即失穩(wěn)、擴(kuò)展。它的主要原因?yàn)閲?yán)重超載或模具材料嚴(yán)重脆化(如過熱、回火不足、嚴(yán)重應(yīng)力集十及嚴(yán)重的冶金缺陷等)。
　　3 模具失效原因及預(yù)防措施
　　(1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理引起失效。
　　尖銳轉(zhuǎn)角(此處應(yīng)力集中高于平均應(yīng)力十倍以上)和過大的截面變化造成應(yīng)力集中，常常成為許多模具早期失效的根源。并且在熱處理淬火過程中，尖銳轉(zhuǎn)角引起殘余拉應(yīng)力，縮短模具壽命。
　　預(yù)防措施：凸模各部的過渡應(yīng)平緩圓滑，任何役小的刀痕都會(huì)引起強(qiáng)烈的應(yīng)力集中，其直徑與長度應(yīng)符合—定要求。
　　(2)模具材料質(zhì)量差引起的失效。
　　模具材料內(nèi)部缺陷，如疏松、縮孔、夾雜成份偏析、碳化物分布不均、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(nèi)部產(chǎn)生裂紋的根源，尤其是脆性氧化物和硅酸鹽等，在熱壓力加工中不發(fā)生塑性變形，只會(huì)引起脆性的破裂而形成微裂紋。在以后的熱處理和使用中訪裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，而引起模具的開裂。此外，在磨削中，由于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(shí)，常常由于加熱溫度過高，保溫時(shí)間過長，而造成鋼材表面脫碳，嚴(yán)重脫碳的鋼材在機(jī)械加工后，有時(shí)仍殘留有脫碳層，這樣在淬火時(shí)，由于內(nèi)外層組織的不同(表面脫碳層為鐵索體，內(nèi)部為珠光體)造成組織轉(zhuǎn)變不一致，而產(chǎn)生裂紋。
　　c．碳化物分布不勻，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(shí)，易呈現(xiàn)帶狀和網(wǎng)狀偏析，導(dǎo)致淬火時(shí)常出現(xiàn)沿帶狀碳化物分布的裂紋，模具在使用中裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，而造成模具開裂失效。
　　預(yù)防措施：鋼在緞軋時(shí)，模具應(yīng)反復(fù)多方向鍛造，從而鋼中的共晶碳化物擊碎得更細(xì)小均勻，保證鋼碳化物不均勻度級(jí)別要求。
　　(3)模具的機(jī)加上不當(dāng)。
　　a 切削中的刀痕：模具的型腔部位或凸模的圓角部位在機(jī)加工中，常常因進(jìn)刀太探而使局部留下刀痕，造成嚴(yán)重應(yīng)力集中，當(dāng)進(jìn)行淬火處理時(shí)，應(yīng)山集中部位極易產(chǎn)生微裂紋。
　　預(yù)防措施：在零件粗加工的最后一道切削中，應(yīng)盡量減少進(jìn)刀量，提高模具表面光潔度。
　　b 電加工引起失效。模具在進(jìn)行電加工時(shí)，由于放電產(chǎn)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(fā)生變化，形成所謂的電加工異常層，在異常層表面由于高溫發(fā)生熔融，然后很快地凝固，該層在顯微鏡下呈白色，內(nèi)部有許多微細(xì)的裂紋，白色層下的區(qū)域發(fā)生淬火，叫淬火層，再往里由于熱影響減弱，溫度不高，只發(fā)生回火，稱回火層。測(cè)定斷面硬度分布：熔融再凝固層，硬度很高，達(dá)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(yù)防措施：①用機(jī)械方法去除開常層中的再凝固層，尤其是微觀裂紋；②在電加工后進(jìn)行一次低溫回火，使異常層穩(wěn)定化，以防微裂紋擴(kuò)展。
　　c磨削加工造成失效。模具型腔面進(jìn)行磨削加工時(shí)，由于磨削速度過大，砂輪粒度過細(xì)或冷卻條件差等因素影響，均會(huì)導(dǎo)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(yán)重，或熱應(yīng)力而產(chǎn)生 磨削裂紋，導(dǎo)致早期失效。
　　預(yù)防措施：①采用切削力強(qiáng)的粗砂輪或粘結(jié)性差的砂輪；②減少工件進(jìn)給量；③選用合適的冷卻劑；④磨削加工后采用250~350℃回火，以除磨削應(yīng)力。
　　(4)模具熱處理工藝不合適。
　　加熱溫度的高低、保溫時(shí)間長短、冷卻速度快慢等熱處理工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，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(dǎo)熱性差，因此，加熱速度不能太快，應(yīng)緩慢進(jìn)行，防止模具發(fā)生變形和開裂。在空氣爐中加熱淬火時(shí)，為防止氧化和脫碳，采用裝箱保護(hù)加熱，此時(shí)升溫速度不宜過快，而透熱也應(yīng)較慢。這樣，不會(huì)產(chǎn)生大的熱應(yīng)力，比較安全。若模具加熱速度快，透熱快，模具內(nèi)外產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。如果控制不當(dāng)，很容易產(chǎn)生變形或裂紋，必須采用預(yù)熱或減慢升溫加速度來預(yù)防。
　　b．氧化和脫碳的影響。模具淬火是在高溫度下進(jìn)行的，如不嚴(yán)格控制，表曲很易氧化和脫碳。另外，模具表面脫碳后，由于內(nèi)外層組織差異、冷卻中出現(xiàn)較大的組織應(yīng)力、導(dǎo)致淬火裂紋。
　　預(yù)防措施：可采用裝箱保護(hù)處理，箱內(nèi)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(jù)所要求的組織狀態(tài)、冷卻速度是不同的。對(duì)高合金鋼，由于含較多合金元素，淬透性較高，可以采用油冷、空冷甚至等溫淬火和等級(jí)淬火等熱處理工藝。