模具的失效形式與修復分析

董兵天

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

模具的失效形式與修復分析

董兵天

（甘肅有色冶金職業技術學院，甘肅 金昌 737100）

模具在我國的工業生產中扮演著重要角色，對于我國工業生產有著重大的意義，在近幾年，有關模具的失效現象越來越嚴重，因此目前需要探究模具的失效形式以及失效因素，并且拿出修復措施，保證模具在工業生產中的功效，促進我國的工業發展。

模具；失效；因素；修復

讓模具的使用壽命得到延長，對于我國工業的經濟效益與生產效率具有重要作用，模具使用壽命長短是模具質量最為直接的體現，它影響著產品的生產質量，還影響這產品的生產成本與生產效率。面對著當前工業技術的高速發展，高精度、高速以及高效的塑性加工工藝的出現，這對于模具提出了更高的要求，因此目前需要延長模具使用壽命，找出失效因素并且提出修復措施，保證模具的使用壽命。

1 模具使用壽命與模具失效形式

1.1 模具使用壽命

在模具的正常使用中，生產出合格產品的數目稱為模具正常使用壽命，在進行首次修復前生產出合格產品的數目稱為模具首次壽命，第一次修復到第二次修復之間生產出合格產品的數目稱為修模壽命，各次的總和加起來成為模具使用壽命。模具使用壽命與模具的結構、形貌以及類型有關，它也是在這一時期內，模具材料冶金水平、模具材料性能、模具鍛造技術、模具設計思路與方案、模具熱處理水平、模具制造技術水平、模具工程系統管理水平以及模具使用與維護水平的綜合表現，能夠對模具壽命產生影響的因素有很多，模具的成型工藝、設計結構、模具的制造材料、表面強化處理技術、模具的強韌處理技術與熱處理質量、零件的制造精度以及模具自身的制造質量、制造工藝、維護與使用、調整與安裝等，這些都會影響模具使用壽命，模具使用壽命也會影響生產成本與生產效率。

1.2 模具失效形式

模具因為各種原因而造成損壞或磨損，導致不能繼續生產產品被成為模具失效，模具的失效形式可以分成正常失效與非正常失效，正常失效指的是模具經過較長時間的使用，由于蠕變、塑性變形、疲勞斷裂以及均勻磨損等原因致使其不能夠繼續進行使用；非正常失效指的是模具在投入使用后沒有達到工業技術水平認為的使用壽命便無法進行使用，這一失效也被稱作早期失效，它的主要表現形式為磨損嚴重、塑性變形以及斷裂等。對模具的失效形式、機理以及規律等方面進行研究的目的就是避免與防止模具的非正常失效，并且對失效原因進行尋找，從當前的模具失效形式來看，它主要包含了磨損失效、塑性變形失效、斷裂失效以及疲勞失效。

1.2.1 磨損失效。這是指模具在使用過程中因為自然磨損、摩擦而導致的失效，是較為正常的失效形式，可以被分為初期、正常、急劇這三個階段。在對一些硬材料、脆材料（高碳鋼、硅鋼、云母等）進行加工時，會因為碳化物以及硬粒的脫落而對模具造成磨粒磨損，對金屬材料進行加工時，會造成黏性磨損的狀況，為了降低這些磨損應該選擇抗回火軟化力較強的材料，對模具表面也要進行硬化處理，增強模具表層的耐磨性、硬度以及自潤滑性。

1.2.2 塑性變形失效。當模具承載超過自身負荷時就會發生塑性變形，模具尺寸也會失去它原來的準確性，繼而導致模具失效，例如凸模彎曲、局部壓塌、模具產生褶皺、凸模鐓粗等都會產生塑性變形。

1.2.3 斷裂失效。這對于模具來說是最為嚴重的，是裂紋進行拓展而導致的最終結果，按照斷口與斷裂力學可以分為以下三個種類，斷裂性質、斷裂機理、斷裂路徑，斷裂性質包含脆性斷裂與塑性斷裂，斷裂機理包含疲勞斷裂與一次性斷裂，斷裂路徑包含混晶斷裂、沿晶斷裂與穿晶斷裂。脆性斷裂是其中最為常見的一種形式，它在斷裂時會造成塑性變形，其中包括疲勞斷裂與一次性斷裂。疲勞斷裂會在模具強度最低、應力最高的部分發生，模具的斷裂紋在模具的外表面與次表面產生，當模具受力不均勻時，它的內部就會出現應力的集中，當這一過程重復時，在應力的集中點就會出現裂紋，模具被反復的使用，裂紋也在逐漸的加大，這就會導致模具發生疲勞斷裂。一次性斷裂分為沿晶斷裂與穿晶斷裂。當雜質聚集以及晶界內物質沉淀時就容易發生沿晶斷裂，當模具表面收到超負荷沖擊時會發生穿晶斷裂。

2 模具失效主要因素

2.1 熱處理引起的模具失效

如圖1所示，淬火溫度的過高會導致鋼晶粒膨脹，韌性下降，這可能會導致模具的斷裂與崩刃，如果在高溫下沒有足夠的保護措施，那么模具就會發生脫碳的現象，這對于模具的冷熱疲勞壽命與耐磨性都是極大的降低，模具的回火處理不充分也會導致模具韌性的下降，造成模具斷裂。一些模具以鋼作為主要材料，鋼含有大量的合金元素與碳元素，導熱性較差，因此對于模具的加熱需要緩慢的進行，保證模具不能發生開裂、變形等現象，并且需要使用裝箱對加熱進行保護，模具的加熱速度如果控制不好很容易造成裂紋或變形，因此必須要對這一點進行預防。

圖1

2.2 機械加工引起的模具失效

2.2.1 磨削加工。如果磨削速度過快，冷卻條件較差或者砂輪粒過細，那么就會造成磨削表面過熱以及磨削表面軟化，造成硬度降低的現象，這就導致模具在使用時會因為磨損嚴重而產生裂紋，造成模具的早期失效。在一般情況下，磨削加工在熱處理加工后才能夠進行的，如果之前的熱處理加工中存在不足，例如淬火溫度過高、沒有立即回火，這些都會導致模具收到磨損，減少模具使用壽命。

2.2.2 切削加工。模具的一些部位在加工中經常會造成刀痕，這就會導致這些部位應力集中，在之后的熱處理加工中造成開裂。如果削切加工操作不當，切削量不足，就會造成脫碳層強度低，模具在使用中也容易造成開裂。

2.2.3 電火花加工。由于放電會釋放出大量的熱量，模具在進行電火花加工時有些部位也會被加熱到很高的溫度，這就會導致模具中的部分組織產生變化，由于電火花加工而形成一個異常層，這其中存在這較大的應力與裂紋，這些會對模具的抗疲勞能力有一個較大的影響，造成模具出現早期失效的情況。

2.3 模具設計不合理引起的模具失效

2.3.1 模具選材。部分鋼材中的夾雜物是造成模具裂紋的根本原因，這其中包括了硅酸鹽以及部分氧化物，在熱加工與熱處理中會造成裂紋并且導致它的擴大，最終導致模具的開裂。一些鋼材由于自身質量原因在熱加工與淬火中會發生脫碳的現象，這就造成了鋼材外層與內層組織不同，也容易引發模具的開裂。

2.3.2 模具設計。有些模具在設計時尖銳轉角過大，引發應力集中，這就很容易導致模具出現早期失效的情況。很多模具的截面過大，就會造成模具的斷面與薄壁過薄，模具整體強度不夠，導致模具開裂。

3 模具失效的修復途徑

3.1 電刷鍍修復技術

電刷鍍在無糟與常溫條件下，在模具表面利用電化學將金屬快速沉積或者將合金鍍金的一種方法，這一修復途徑具有工藝簡單、操作靈活、設備簡單、金屬沉積速度快、鍍層硬度與抗腐蝕性高、鍍層表面粗糙度低等優點，使用這一方法對模具進行修復，不僅能夠提高模具質量，還能夠對模具的磨損部分進行修復，例如銹斑磨損、拉毛溝槽等，在修復后模具的硬度、耐磨性、表面粗糙度都能夠得到提升，而且費用較低。目前的電刷鍍可以在不拆卸模具的情況下進行，對模具質量有著足夠的保證。

3.2 熱噴涂修復技術

模具在高溫狀態下，承受著擠壓、磨損、沖擊等過程時極容易產生損壞，降低模具的使用壽命，模具表面的損壞是可以進行修復的，并且可以延長模具原有的使用壽命。等離子弧噴涂、火焰噴涂以及超聲速噴涂是熱噴涂修復技術的主要模式，將非金屬或者金屬材料進行加熱致使其融化而形成熔滴，并且以高速向模具表面進行噴射，形成金屬涂層，修復模具損毀。

3.3 堆焊修復技術

這一方法是指將金屬直接與模具損毀處進行焊接，對模具進行修復，并且得到所需的規格與性能，堆焊修復技術價格較低，生產周期較短，因此在模具修復中得到了廣泛的利用，它分為火花堆焊與電弧堆焊兩種，在堆焊工作完成后應該進行應力退火，避免裂紋的產生。目前很多舊模具需要通過翻新制作來擁有新型模具的功能，在很多時候都需要對模具有所調整，這時也需要應用到堆焊技術，對模具進行鏡面加工、花紋加工以及削切加工。

3.4 激光熔覆修復技術

這一技術是利用激光對模具表面進行輻照，讓涂覆材料進行熔化，能夠與模具表面結合并且凝固，在模具表面形成一層特殊物質，這種物質具有力學、物理以及化學性能，激光熔覆技術不僅可以對損毀的模具表面進行修復，還能夠對模具表面進行改性。激光束能量較高，對模具表面的影響較小，不會對模具形成大規模的損壞，而且加熱與冷卻較快，可以滿足各種環境，適應多種需求，而且可以對局部表面的損毀進行密封邊處理，對于材料也沒有過高的要求，這對模具修復來說具有很大的作用。

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TG76

A

1671-0711（2017）07（下）-0078-03

2015年 “甘肅省科技計劃資助”項目《等離子堆焊在高合金模具軋輥修復中的應用研究》 項目編碼：1504GKCC121。