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1、模具失效与选材模具失效与选材1、失效的基本概念、失效的基本概念 1.1 定义：定义：n n 产品失去其规定功能的现象（尺寸、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形状、组织、性能等使用时发生了变化）。变化）。n n容器螺栓容器螺栓塑性变形塑性变形伸长伸长渗漏渗漏n n轴承、齿轮磨损轴承、齿轮磨损噪音噪音n n齿轮、弹簧齿轮、弹簧断裂断裂无法承载无法承载n n模具的磨损模具的磨损型腔变化型腔变化工件尺寸工件尺寸精度下降精度下降 1.2 失效判据：失效判据：1) 完全失去原有功能（断裂）完全失去原有功能（断裂）2) 性能恶化性能恶化n n达不到技术要求（精度低；噪音达不到技
2、术要求（精度低；噪音）n n局部失去工效（腐蚀）局部失去工效（腐蚀）3) 失去安全工作能力（严重变形）失去安全工作能力（严重变形）1.3 危害危害n人员伤亡人员伤亡n经济损失经济损失n社会影响社会影响1.4 失效分析的目的失效分析的目的n研究失效现象、特征、规律研究失效现象、特征、规律找找原因原因改进改进n为设计、选材、制造、使用提供为设计、选材、制造、使用提供科学依据（强度、塑性、韧性、科学依据（强度、塑性、韧性、层深层深）n为避免类似灾难的发生为避免类似灾难的发生 2、失效的形式和原因、失效的形式和原因 按照失效形态可分为过量变形、断裂和表按照失效形态可分为过量变形、断裂和表按照失效形态可
3、分为过量变形、断裂和表按照失效形态可分为过量变形、断裂和表面损伤三类面损伤三类面损伤三类面损伤三类2.1 过量变形（形状、尺寸变化）过量变形（形状、尺寸变化）n n弹性变形弹性变形弹性变形弹性变形刚度低（弹性小刚度低（弹性小刚度低（弹性小刚度低（弹性小/E/E、 e e、截面尺寸）、截面尺寸）、截面尺寸）、截面尺寸）精度精度精度精度不够（镗床的镗杆）不够（镗床的镗杆）不够（镗床的镗杆）不够（镗床的镗杆）变形可逆（无残余变形）变形可逆（无残余变形）变形可逆（无残余变形）变形可逆（无残余变形）非灾难性非灾难性非灾难性非灾难性n n塑性变形塑性变形塑性变形塑性变形设计、选材、工艺、使用等不当造成设计
4、、选材、工艺、使用等不当造成设计、选材、工艺、使用等不当造成设计、选材、工艺、使用等不当造成变形不可逆，有预兆变形不可逆，有预兆变形不可逆，有预兆变形不可逆，有预兆n n蠕变蠕变蠕变蠕变2.2 断裂（危害大、重要、重点）断裂（危害大、重要、重点）n n塑性断裂塑性断裂塑性断裂塑性断裂设计、选材、工艺、使用等不当造成设计、选材、工艺、使用等不当造成设计、选材、工艺、使用等不当造成设计、选材、工艺、使用等不当造成金相、断口有对应特征金相、断口有对应特征金相、断口有对应特征金相、断口有对应特征n n脆性断裂脆性断裂脆性断裂脆性断裂无明显变形、突发性无明显变形、突发性无明显变形、突发性无明显变形、突发
5、性碎块多、断口复原好碎块多、断口复原好碎块多、断口复原好碎块多、断口复原好宏观、微观有对应特征宏观、微观有对应特征宏观、微观有对应特征宏观、微观有对应特征n n疲劳断裂疲劳断裂疲劳断裂疲劳断裂 常见、无明显塑性变形、突发常见、无明显塑性变形、突发常见、无明显塑性变形、突发常见、无明显塑性变形、突发 宏观、微观有对应特征宏观、微观有对应特征宏观、微观有对应特征宏观、微观有对应特征n n环境引起的断裂（蠕变断裂；氢脆；应力腐蚀）环境引起的断裂（蠕变断裂；氢脆；应力腐蚀）环境引起的断裂（蠕变断裂；氢脆；应力腐蚀）环境引起的断裂（蠕变断裂；氢脆；应力腐蚀）2.3 腐蚀腐蚀(活性介质引起的失效）活性介质
6、引起的失效）n n有腐蚀物、腐蚀坑有腐蚀物、腐蚀坑n n不同腐蚀类型，具有相应的断口或裂纹不同腐蚀类型，具有相应的断口或裂纹或腐蚀面特征或腐蚀面特征2.4 磨损磨损n n形状、尺寸变化形状、尺寸变化n n材料转移、损失，表面损坏材料转移、损失，表面损坏n n不同类型磨损，表面形貌具有相应的损不同类型磨损，表面形貌具有相应的损坏特征坏特征3、模具的工作条件、失效形式和选材、模具的工作条件、失效形式和选材金属在冷金属在冷态下变形态下变形 拉延、冲压、冷拉延、冲压、冷鐓鐓或或冷挤成形等冷挤成形等共同共同特点特点 工作温度不高，模具主要承受高压工作温度不高，模具主要承受高压力或冲击力，有强烈的摩擦力或
7、冲击力，有强烈的摩擦 主要技术要求为具有高硬度主要技术要求为具有高硬度和耐磨性，有一定韧性和耐磨性，有一定韧性技术技术要求要求3.1 冷作模具冷作模具1）工作条件）工作条件2 2）失效形式失效形式n n断裂失效：断裂失效： 模具在工作过程中受力很大（冲击应力和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、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。刀痕等。呈脆性断裂特征，寿命短。n n疲劳失效：疲劳
8、失效： 表面在工作应力、热应力的交变作用下，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，进而扩展表面缺陷部位会萌生疲劳裂纹，进而扩展产生疲劳断裂。产生疲劳断裂。n n磨损失效：磨损失效： 模具在冲击应力和摩擦应力作用下，摩擦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）。下产生高温氧化引起氧化磨损（热磨损）。n n塑性变形：塑性变形：
9、模具硬度较低时（冷镦冲头模具硬度较低时（冷镦冲头56HRC,冷挤冷挤压冲头压冲头60HRC），凸模出现镦粗、弯曲，），凸模出现镦粗、弯曲，凹模出现型腔塌陷、孔径胀大、棱角堆塌凹模出现型腔塌陷、孔径胀大、棱角堆塌 。 冷作模具钢的类型有：碳素工具钢、低合金冷作模具钢的类型有：碳素工具钢、低合金冷作模具钢的类型有：碳素工具钢、低合金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工具钢、高铬中铬模具钢及高速钢类冷作模具钢工具钢、高铬中铬模具钢及高速钢类冷作模具钢工具钢、高铬中铬模具钢及高速钢类冷作模具钢等。等。等。等。a a）碳素工具钢）碳素工具钢）碳素工具钢）碳素
10、工具钢 T7AT7A、T8AT8A、T10AT10A、T13AT13A、T12AT12A等；热处理等；热处理等；热处理等；热处理淬淬淬淬火（不完全）低温回火火（不完全）低温回火火（不完全）低温回火火（不完全）低温回火，主要制造尺寸小、形主要制造尺寸小、形主要制造尺寸小、形主要制造尺寸小、形状简单、承受载荷轻的模具。状简单、承受载荷轻的模具。状简单、承受载荷轻的模具。状简单、承受载荷轻的模具。b b）低合金刃具钢）低合金刃具钢）低合金刃具钢）低合金刃具钢 9Mn2V9Mn2V、9SiCr9SiCr、CrWMnCrWMn、GCr15GCr15、6CrMnNiMoSiV6CrMnNiMoSiV（GD
11、GD钢，钢，钢，钢，CrCr、MnMn、NiNi、 Mo Mo 淬透性；淬透性；淬透性；淬透性；MoMo、SiSi回稳回稳回稳回稳; Mo ; Mo 、VdVd）。热处理）。热处理）。热处理）。热处理淬火淬火淬火淬火（不完全）低温回火（不完全）低温回火（不完全）低温回火（不完全）低温回火，主要制造尺寸大、形状主要制造尺寸大、形状主要制造尺寸大、形状主要制造尺寸大、形状复杂、承受载荷轻的模具。复杂、承受载荷轻的模具。复杂、承受载荷轻的模具。复杂、承受载荷轻的模具。3 3）冷作模具选材冷作模具选材n n高碳高碳高铬高铬模具钢模具钢 主要是主要是Cr12Cr12（C=2.0-2.3)C=2.0-2.
12、3)和和Cr12MoV(C=1.45-1.7)Cr12MoV(C=1.45-1.7)钢。属莱氏体钢钢。属莱氏体钢, ,淬透性、淬透性、耐磨性好，韧性不足。耐磨性好，韧性不足。 Cr12MoVCr12MoV钢具有高淬透钢具有高淬透性，截面性，截面200-300mm200-300mm以下可以完全淬透以下可以完全淬透, , 主要主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有曾经有“冷作模具王牌冷作模具王牌”之称。之称。 热处理：反复锻造、球化退火。热处理：反复锻造、球化退火。 低淬和低回低淬和低回晶粒细小，强韧性好，硬度为晶粒细小，强韧性好，硬度为61
13、6163HRC63HRC；高淬高回，硬度为；高淬高回，硬度为6062HRC热硬热硬性较好，强韧性较低。性较好，强韧性较低。c c）高铬和中铬模具钢）高铬和中铬模具钢 n n高碳中铬模具钢高碳中铬模具钢 改进改进Cr12Cr12型型K K多多/ /粗大粗大/ /分布不匀问题，提高韧分布不匀问题，提高韧性。典型钢号有：性。典型钢号有： Cr4W2MoV(C=1.15-1.25)Cr4W2MoV(C=1.15-1.25)和和Cr5Mo1VCr5Mo1V。K K以以M7C3M7C3型为主，分布较均匀，具有耐磨性好和热处理型为主，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，
14、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。又具有一定韧度的模具。 100mm100mm以下可空冷以下可空冷淬硬，适用于形状复杂、需要好的耐磨性和良淬硬，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、好韧度的冷作模具，如下料模、成形模、冲头、剪刀片等。剪刀片等。 高速冲压时用：高速冲压时用：9Cr6W3Mo2V29Cr6W3Mo2V2（GMGM）钢和）钢和7Cr7Mo2V2Si7Cr7Mo2V2Si（LDLD）钢。）钢。n n低碳低碳6W6Mo5Cr4V6W6Mo5Cr4V（6W66W6）、低合金高速钢）、低合金高速钢（如（如301301、F2
15、05F205和和D101D101）；基体钢）；基体钢6Cr4W3Mo2VNb6Cr4W3Mo2VNb（65Nb65Nb）、）、6Cr4Mo3Ni2WV6Cr4Mo3Ni2WV（CG-2CG-2）、）、012Al012Al（5Cr4Mo3SiMnVAl5Cr4Mo3SiMnVAl）等，主要制造大）等，主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具（同尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具（同上），代替高上），代替高CrCr钢，用于钢，用于韧性要求更高场合。韧性要求更高场合。此时红硬性要求低于刃具，强韧性要求高于此时红硬性要求低于刃具，强韧性要求高于刃具。刃具。d d）高速钢类冷作模具钢）高速钢类冷作模
16、具钢n n6SiCr、4CrW2Si、5CrW2Si，降碳，降碳亚共亚共析，析， 韧性；韧性；Si、Cr 回稳，回稳， 韧性；韧性； W细化晶粒，细化晶粒，韧性。这类钢耐磨性有所韧性。这类钢耐磨性有所降低。常用于受冲击、刃口薄的冷作模具。降低。常用于受冲击、刃口薄的冷作模具。e e）中碳中低合金冷模具钢）中碳中低合金冷模具钢3.2 热作模具热作模具 使热态或液态金属获得所需形状使热态或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是在反复受热和冷却条件下工作. .模具受模具受热时间越长，受热程度就越严重。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。工作条件苛刻许多模具
17、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。韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性。服役条件服役条件技术技术要求要求1）工作条件概况）工作条件概况服役条件服役条件性能要求性能要求1）反复冷、热）反复冷、热 龟裂、热疲劳龟裂、热疲劳 热疲劳抗力热疲劳抗力A1， 硬度是有利的；硬度是有利的；2）表层温度）表层温度500,冲击力大冲击力大热强性热强性韧度韧度高温回火；高温回火； 消除回脆消除回脆,整体性能好；整体性能好；3）强烈摩擦磨损）强烈摩擦磨损模具高温耐磨性模具高温耐磨性4 4）模具尺寸比较大）模具尺寸比较
18、大淬透性好，导热性好淬透性好，导热性好2 2）锤锻模和大型压力机锻模工作条件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，长时间与被变形加工的金属接触，其受热的温度其受热的温度往往更高。往往更高。热挤压模热挤压模还承受很大的应力和摩擦还承受很大的应力和摩擦力力。 这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小。这类模具的尺寸一般都不大，比锤锻模要小。热挤压模主要热挤压模主要要求有高的热稳定性、较高的高温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。强度、耐热疲劳性和高的耐磨性。 3）热挤压模与中小
19、型压力机锻模工作条件）热挤压模与中小型压力机锻模工作条件4 4）失效形式失效形式n n热磨损失效：热磨损失效： 模具成形高温金属坯时两者之间产生摩擦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（回且得不到润滑，模具型腔被加热软化（回火）和氧化，产生火）和氧化，产生氧化磨损氧化磨损和和粘着磨损粘着磨损，其中磨损沟槽还会进一步诱发其中磨损沟槽还会进一步诱发热疲劳热疲劳开裂。开裂。n n断裂失效：断裂失效： 若模具硬度高、韧性低、缺口敏感性大、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、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
20、，在模具型回火不足、磨削烧伤、刀痕时，在模具型腔尖角处、应力集中处等起裂。呈脆性断腔尖角处、应力集中处等起裂。呈脆性断裂特征，寿命短。裂特征，寿命短。n n型面堆塌：型面堆塌： 模具型腔在高温金属坯作用下，表面发生模具型腔在高温金属坯作用下，表面发生软化、变形，导致塌陷。模具硬度降到软化、变形，导致塌陷。模具硬度降到30HRC。n n热疲劳：热疲劳： 模具在工作中受到急冷、急热的作用而产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，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，即有的呈单条状的，有的则连成细网状，即“龟裂龟裂”。表面。表面氧化磨
21、损氧化磨损和和粘着磨损粘着磨损，会，会诱发诱发热疲劳热疲劳开裂开裂n n腐蚀：腐蚀： 压铸模在液体金属冲蚀、熔蚀或侵蚀产生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。变钝，使铸件的形状、精度下降。n n冷作模具和热作模具冷作模具和热作模具在成形某些具有氧化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。腐蚀的粉末时也会出现腐蚀（磨损）现象。使用最广泛的是使用最广泛的是高韧性热作模具钢高韧性热作模具钢5CrNiMo(大型大型)和和5CrMnMo钢钢 。热处理：淬火热处理：淬火+高温回火高温回火5
22、 5）热作模具选材热作模具选材a)锤锻模和大型压力机锻模用钢锤锻模和大型压力机锻模用钢铬系（高强韧性热作模具钢）：铬系（高强韧性热作模具钢）： 4Cr5MoSiV、4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5W2SiV等常用。淬透性较高，较高的强度和韧度，抗氧化等常用。淬透性较高，较高的强度和韧度，抗氧化性较好。常用于制造性较好。常用于制造尺寸不大的热锻模尺寸不大的热锻模、钢及铜的、钢及铜的热挤压模热挤压模、铝及铜合金的压铸模等。、铝及铜合金的压铸模等。热处理：高淬高回。热处理：高淬高回。b)热挤压模钢热挤压模钢与中小型压力机锻模用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有铬系、钨系
23、和钼系热模具钢三类 3Cr2W8V钢使用最多（钢使用最多（热挤压模、热顶锻模热挤压模、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，以较差。国外已基本停止，以H13代之。国内有代之。国内有5Cr4W5Mo2V（RM2）、）、4Cr3Mo3W4VNb（GR）、）、4CrW2Si等等热处理：高淬多回。热处理：高淬多回。钨系（高热强性热作模具钢）：钨系（高热强性热作模具钢）：MoMo系（系（CrCrMoMo为主添加为主添加V V、NbNb、NiNi元素）元素）性能介于铬系和钨系之间。性能介于铬系和钨系之间。如如3Cr3M
24、o3V3Cr3Mo3V、4Cr34Cr3Mo2Mo2NiVNbBNiVNbB（HDHD）热处理：高淬高回热处理：高淬高回以上三类热模具钢可采用：以上三类热模具钢可采用：( (低淬低回低淬低回冷作模冷作模) )4、典型模具的失效案例、典型模具的失效案例4.1 链板冷冲模凹模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：？4.4 电阻片冷冲模电阻片冷冲模材料：GCr15V钢失效形式：腐蚀磨损 失效原因：？4.5 链轨节热切边模链轨节热切边模材料：5CrNiMo钢+表面堆焊Co基耐 热合金失效形式：氧化磨损、粘着磨损、 热疲劳 失效原因：？4.6 气门热镦成形模气门热镦成形模材料： 6Mo5Cr4V2钢失效形式：开裂失效原因：？ 基本要求基本要求热作模具、冷作模具？工作条件？模具材料？失效形式？失效原因？
