董兵天

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

模具的失效形式與修復(fù)分析

董兵天

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

模具在我國的工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要角色，對(duì)于我國工業(yè)生產(chǎn)有著重大的意義，在近幾年，有關(guān)模具的失效現(xiàn)象越來越嚴(yán)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(fù)措施，保證模具在工業(yè)生產(chǎn)中的功效，促進(jìn)我國的工業(yè)發(fā)展。

模具；失效；因素；修復(fù)

讓模具的使用壽命得到延長，對(duì)于我國工業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益與生產(chǎn)效率具有重要作用，模具使用壽命長短是模具質(zhì)量最為直接的體現(xiàn)，它影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，還影響這產(chǎn)品的生產(chǎn)成本與生產(chǎn)效率。面對(duì)著當(dāng)前工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，高精度、高速以及高效的塑性加工工藝的出現(xiàn)，這對(duì)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(fù)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(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)目稱為模具正常使用壽命，在進(jìn)行首次修復(fù)前生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)目稱為模具首次壽命，第一次修復(fù)到第二次修復(fù)之間生產(chǎn)出合格產(chǎn)品的數(shù)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(jié)構(gòu)、形貌以及類型有關(guān)，它也是在這一時(shí)期內(nèi)，模具材料冶金水平、模具材料性能、模具鍛造技術(shù)、模具設(shè)計(jì)思路與方案、模具熱處理水平、模具制造技術(shù)水平、模具工程系統(tǒng)管理水平以及模具使用與維護(hù)水平的綜合表現(xiàn)，能夠?qū)δ＞邏勖a(chǎn)生影響的因素有很多，模具的成型工藝、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、模具的制造材料、表面強(qiáng)化處理技術(shù)、模具的強(qiáng)韌處理技術(shù)與熱處理質(zhì)量、零件的制造精度以及模具自身的制造質(zhì)量、制造工藝、維護(hù)與使用、調(diào)整與安裝等，這些都會(huì)影響模具使用壽命，模具使用壽命也會(huì)影響生產(chǎn)成本與生產(chǎn)效率。

1.2 模具失效形式

模具因?yàn)楦鞣N原因而造成損壞或磨損，導(dǎo)致不能繼續(xù)生產(chǎn)產(chǎn)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(jīng)過較長時(shí)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(xù)進(jìn)行使用；非正常失效指的是模具在投入使用后沒有達(dá)到工業(yè)技術(shù)水平認(rèn)為的使用壽命便無法進(jìn)行使用，這一失效也被稱作早期失效，它的主要表現(xiàn)形式為磨損嚴(yán)重、塑性變形以及斷裂等。對(duì)模具的失效形式、機(jī)理以及規(guī)律等方面進(jìn)行研究的目的就是避免與防止模具的非正常失效，并且對(duì)失效原因進(jìn)行尋找，從當(dāng)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?yàn)樽匀荒p、摩擦而導(dǎo)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(gè)階段。在對(duì)一些硬材料、脆材料（高碳鋼、硅鋼、云母等）進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)因?yàn)樘蓟镆约坝擦５拿撀涠鴮?duì)模具造成磨粒磨損，對(duì)金屬材料進(jìn)行加工時(shí)，會(huì)造成黏性磨損的狀況，為了降低這些磨損應(yīng)該選擇抗回火軟化力較強(qiáng)的材料，對(duì)模具表面也要進(jìn)行硬化處理，增強(qiáng)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(dāng)模具承載超過自身負(fù)荷時(shí)就會(huì)發(fā)生塑性變形，模具尺寸也會(huì)失去它原來的準(zhǔn)確性，繼而導(dǎo)致模具失效，例如凸模彎曲、局部壓塌、模具產(chǎn)生褶皺、凸模鐓粗等都會(huì)產(chǎn)生塑性變形。

1.2.3 斷裂失效。這對(duì)于模具來說是最為嚴(yán)重的，是裂紋進(jìn)行拓展而導(dǎo)致的最終結(jié)果，按照斷口與斷裂力學(xué)可以分為以下三個(gè)種類，斷裂性質(zhì)、斷裂機(jī)理、斷裂路徑，斷裂性質(zhì)包含脆性斷裂與塑性斷裂，斷裂機(jī)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(shí)會(huì)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(huì)在模具強(qiáng)度最低、應(yīng)力最高的部分發(fā)生，模具的斷裂紋在模具的外表面與次表面產(chǎn)生，當(dāng)模具受力不均勻時(shí)，它的內(nèi)部就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力的集中，當(dāng)這一過程重復(fù)時(shí)，在應(yīng)力的集中點(diǎn)就會(huì)出現(xiàn)裂紋，模具被反復(fù)的使用，裂紋也在逐漸的加大，這就會(huì)導(dǎo)致模具發(fā)生疲勞斷裂。一次性斷裂分為沿晶斷裂與穿晶斷裂。當(dāng)雜質(zhì)聚集以及晶界內(nèi)物質(zhì)沉淀時(shí)就容易發(fā)生沿晶斷裂，當(dāng)模具表面收到超負(fù)荷沖擊時(shí)會(huì)發(fā)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(huì)導(dǎo)致鋼晶粒膨脹，韌性下降，這可能會(huì)導(dǎo)致模具的斷裂與崩刃，如果在高溫下沒有足夠的保護(hù)措施，那么模具就會(huì)發(fā)生脫碳的現(xiàn)象，這對(duì)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(huì)導(dǎo)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(dǎo)熱性較差，因此對(duì)于模具的加熱需要緩慢的進(jìn)行，保證模具不能發(fā)生開裂、變形等現(xiàn)象，并且需要使用裝箱對(duì)加熱進(jìn)行保護(hù)，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(duì)這一點(diǎn)進(jìn)行預(yù)防。

圖1

2.2 機(jī)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(xì)，那么就會(huì)造成磨削表面過熱以及磨削表面軟化，造成硬度降低的現(xiàn)象，這就導(dǎo)致模具在使用時(shí)會(huì)因?yàn)槟p嚴(yán)重而產(chǎn)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(jìn)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(huì)導(dǎo)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(jīng)常會(huì)造成刀痕，這就會(huì)導(dǎo)致這些部位應(yīng)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(dāng)，切削量不足，就會(huì)造成脫碳層強(qiáng)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(huì)釋放出大量的熱量，模具在進(jìn)行電火花加工時(shí)有些部位也會(huì)被加熱到很高的溫度，這就會(huì)導(dǎo)致模具中的部分組織產(chǎn)生變化，由于電火花加工而形成一個(gè)異常層，這其中存在這較大的應(yīng)力與裂紋，這些會(huì)對(duì)模具的抗疲勞能力有一個(gè)較大的影響，造成模具出現(xiàn)早期失效的情況。

2.3 模具設(shè)計(jì)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(huì)造成裂紋并且導(dǎo)致它的擴(kuò)大，最終導(dǎo)致模具的開裂。一些鋼材由于自身質(zhì)量原因在熱加工與淬火中會(huì)發(fā)生脫碳的現(xiàn)象，這就造成了鋼材外層與內(nèi)層組織不同，也容易引發(fā)模具的開裂。

2.3.2 模具設(shè)計(jì)。有些模具在設(shè)計(jì)時(shí)尖銳轉(zhuǎn)角過大，引發(fā)應(yīng)力集中，這就很容易導(dǎo)致模具出現(xiàn)早期失效的情況。很多模具的截面過大，就會(huì)造成模具的斷面與薄壁過薄，模具整體強(qiáng)度不夠，導(dǎo)致模具開裂。

3 模具失效的修復(fù)途徑

3.1 電刷鍍修復(fù)技術(shù)

電刷鍍在無糟與常溫條件下，在模具表面利用電化學(xué)將金屬快速沉積或者將合金鍍金的一種方法，這一修復(fù)途徑具有工藝簡單、操作靈活、設(shè)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(yōu)點(diǎn)，使用這一方法對(duì)模具進(jìn)行修復(fù)，不僅能夠提高模具質(zhì)量，還能夠?qū)δ＞叩哪p部分進(jìn)行修復(fù)，例如銹斑磨損、拉毛溝槽等，在修復(fù)后模具的硬度、耐磨性、表面粗糙度都能夠得到提升，而且費(fèi)用較低。目前的電刷鍍可以在不拆卸模具的情況下進(jìn)行，對(duì)模具質(zhì)量有著足夠的保證。

3.2 熱噴涂修復(fù)技術(shù)

模具在高溫狀態(tài)下，承受著擠壓、磨損、沖擊等過程時(shí)極容易產(chǎn)生損壞，降低模具的使用壽命，模具表面的損壞是可以進(jìn)行修復(fù)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(fù)技術(shù)的主要模式，將非金屬或者金屬材料進(jìn)行加熱致使其融化而形成熔滴，并且以高速向模具表面進(jìn)行噴射，形成金屬涂層，修復(fù)模具損毀。

3.3 堆焊修復(fù)技術(shù)

這一方法是指將金屬直接與模具損毀處進(jìn)行焊接，對(duì)模具進(jìn)行修復(fù)，并且得到所需的規(guī)格與性能，堆焊修復(fù)技術(shù)價(jià)格較低，生產(chǎn)周期較短，因此在模具修復(fù)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(yīng)該進(jìn)行應(yīng)力退火，避免裂紋的產(chǎn)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(shí)候都需要對(duì)模具有所調(diào)整，這時(shí)也需要應(yīng)用到堆焊技術(shù)，對(duì)模具進(jìn)行鏡面加工、花紋加工以及削切加工。

3.4 激光熔覆修復(fù)技術(shù)

這一技術(shù)是利用激光對(duì)模具表面進(jìn)行輻照，讓涂覆材料進(jìn)行熔化，能夠與模具表面結(jié)合并且凝固，在模具表面形成一層特殊物質(zhì)，這種物質(zhì)具有力學(xué)、物理以及化學(xué)性能，激光熔覆技術(shù)不僅可以對(duì)損毀的模具表面進(jìn)行修復(fù)，還能夠?qū)δ＞弑砻孢M(jìn)行改性。激光束能量較高，對(duì)模具表面的影響較小，不會(huì)對(duì)模具形成大規(guī)模的損壞，而且加熱與冷卻較快，可以滿足各種環(huán)境，適應(yīng)多種需求，而且可以對(duì)局部表面的損毀進(jìn)行密封邊處理，對(duì)于材料也沒有過高的要求，這對(duì)模具修復(fù)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(jì)劃資助”項(xiàng)目《等離子堆焊在高合金模具軋輥修復(fù)中的應(yīng)用研究》 項(xiàng)目編碼：1504GKCC121。