模具材料失效分析论文

模具材料失效分析论文（精选3篇）

模具材料失效分析论文 第1篇

一、产品外观及切割位置

产品由两部分组成,分为1#样品(如图1)与2#样品(如图2),为更形象地分析材质内部,切割样品镶埋处理后进行相关分析检测。

二、金相分析

(1)1#样品切割后从横截面(如图3)检测金相,金相检测面抛光后用王水(不锈钢腐蚀剂)腐蚀,金相组织为均匀分布的马氏体组织+少量细小的碳化物颗粒,与马氏体不锈钢金相组织相近。(2)1#样品组织均匀无异常,其中碳化物颗粒细小并均匀分布考虑为电渣重熔工艺冶炼。(3)2#样品切割后从横截面(如图4)检测金相,金相检测面抛光后用王水(不锈钢腐蚀剂)腐蚀,金相组织为均匀分布的马氏体组织+铁素体组织,与沉淀硬化不锈钢金相组织相近。(4)2#样品组织均匀无异常,其中二次碳化物分布少能清晰可见组织中的铁素体,考虑为沉淀硬化不锈钢,材料热处理工艺为固熔强化。

三、化学成分

1#样品切割后从芯部进行测试,测试结果如下表。可以看出1#样品成分主要为Fe与Cr含量较高,其余成分含量很少,经查寻日标(JIS G4303-2005),其成分接近SUS420J2马氏体不锈钢。

2#样品切割后从芯部进行测试,从测试结果中可以看出样品成分主要为Fe、Cr、Ni、Cu含量较高,其余成分含量很少,经查寻日标(JIS G4303-2005),其成份接近SUS630沉淀硬化不锈钢。

四、维氏硬度

(一)芯部硬度。

(1)将1#样品切开后从芯部检测其硬度,对比检测结果,经查寻日标(JIS G4303-2005),1#产品的硬度符合SUS420J2淬火标准(1050℃淬火,低温回火),其硬度为50HRC~55HRC。(2)将2#样品切开后从芯部检测其硬度,对比检测结果,经查寻日标(JIS G4303-2005),2#产品硬度符合SUS630沉淀硬化不锈钢固熔强化热处理标准(1050℃固熔,1050℃淬火,450℃~550℃时效),其硬度为40HRC-50HRC。

(二)表面硬度。

(1)将1#样品切开后从表面检测其硬度,由于涂层很薄,仅7微米厚,硬度测试后直接击穿涂镀层,故测试结果为基材硬度。(2)将2#样品切开后从表面检测其硬度,由金相检测得知2#样品无涂镀层,故测试结果为基材硬度。

五、表面镀层

(1)将1#样品切开后从断口面测试其镀层,并测量其镀层尺寸与镀层成分,根据涂层成份中Ti与N的含量可以得出其涂层为Ti N(氮化钛)。(2)根据1#产品镀层金相形貌预估其表面镀层加工工艺为PVD法(即:物理气相沉积法),此镀层方法与刀具表面镀层加工工艺相同,可提高产品表面耐磨性。(3)根据2#样品表面金相形貌可判定,2#样品表面无镀层。

六、结论

(1)综合1#样品使用环境(耐高温、耐腐蚀)、金相组织(马氏体+碳化物)、维氏硬度、化学成分分析该材料接近马氏体不锈钢,对应牌号为SUS420J2,材料经过电渣重熔工艺冶炼。(2)综合2#样品使用环境(耐高温、耐腐蚀)、金相组织(马氏体+铁素体)、维氏硬度、化学成分分析该材料接近沉淀硬化不锈钢,对应牌号为SUS630,经过固熔强化热处理,组织为均匀的马氏体+铁素体组织。(3)1#样品镀层成型工艺与刀具镀层工艺相近,预估其加工工艺为PVD物理气相沉积法而成,主要目的是提高耐热与耐磨性能,2#样品表面无镀层。(4)1#样品材料SUS420J2与2#样品材料SUS630均采用了特殊的冶炼工艺与热处理工艺,产品金相组织要明显好于市场同种钢材,该材质属于优质类,因材料质量直接影响工件使用寿命,故建议选用材质有保证的材料。

参考文献

冲压模具的失效形式分析与思考 第2篇

关键词：冲压模具；失效形式；分析；措施

前言

随着我国现代工业技术的不断发展，冲压模具在工业生产中起到了越来越广泛的应用。冲压模具质量的好坏直接决定了所冲产品质量的优劣。然而，冲压模具在使用过程中，常常出现各种形式的失效情况，应对这些失效，往往需要耗费一定的时间、人力、物力以及财力资源，严重影响到了工业生产的进度，不利于企业经济效益的提高。因此，如何有效地预防冲压模具的失效，最大限度的提高其使用寿命，是很多企业共同面临的一个技术难题。只有对冲压模具的失效形式做出正确分析，归属其失效类型，才能精准地找出其失效的原因，采取相应的技术措施对其修复或预防，延长其使用寿命。

冲压模具失效形式概述

2.1 冲压模具失效的涵义

冲压模具在使用过程中，因各种原因如结构形状、尺寸的变化以及零部件组织与性能的变化等，使得冲压模具冲不出合格的冲压件，同时也无法再修复的情形就叫做冲压模具的失效。鉴定模具是否失效的判据有三种：一是模具已经完全丧失工作能力；二是模具虽然可以工作，但无法完成设定的功能；三是模具因结构受到严重损害，使用时存在安全隐患。

2.2 冲压模具失效的形式

冲压模具在使用过程中，因模具本身类型、结构、材料的不同以及实际工作条件的不同，会表现出不同的失效形式，主要可分为以下四种。

（1）磨损失效。冲压模具在正常工作过程中，往往会与加工的成形坯料直接接触，二者之间因相对运动而产生摩擦，造成冲压模具表面磨损。当磨损程度达到一定限度时，模具表面失去原来的状态，使之无法冲出合格的冲压件，这就是磨损失效。磨损在任何机械的使用过程中是不可避免的，因此是一种正常的失效形式，也是冲压模具失效形式中最为主要的一种。根据磨损机理，可将磨损失效细分为四种：①磨粒磨损失效。当坯料与模具接触的表面间存在硬质颗粒，亦或坯料加工前未打磨完全，其表面存在坚硬的突出物时，会摩擦并刮划模具的表面，严重时就会使模具表面材料脱落，造成磨粒磨损失效。②黏着磨损失效。冲压模具作用于坯料时，彼此之间存在相互作用力，有时黏着部分会因受力不均而发生断裂，造成模具表面物质脱落或转移，这种失效形式就是黏着磨损失效。③疲劳磨损失效。模具的有些部位经过长时间的使用，在与坯料摩擦力的循环作用下，难免会产生一些细小的裂纹，随着使用时间的推移，细纹逐渐加深，加深到一定尺度时，造成模具表面物质发生脱落，甚至模具因承载力不足而断裂。④腐蚀磨损失效。冲压模具在使用过程中，模具表面物质很容易与周围介质（如空气、水等）发生化学腐蚀或电化学腐蚀，加上摩擦力的作用，时间久了，就会造成模具表面物质侵蚀变质，发生脱落。

实际上，磨具与坯料作用时，磨具表面受到的磨损是极其复杂并且难以预测的，不可能仅仅只受某种磨损方式的影响，因此，实际生产加工中反映出来的磨损失效形式可能是多种形式相互作用的结果。

（2）断裂失效。所谓的断裂失效是指冲压模具因产生较大裂纹或者断裂为两部分（数部分）。断裂可分为两种：早期断裂（一次性断裂）以及疲劳断裂。早期断裂指的是冲压模具表面受到冲击载荷的压力过大，超出其负荷能力，造成迅速断裂。相反，造成疲劳断裂的应力通常较低，在模具的承受范围之内，但由于这种应力的频繁作用，细小裂纹开始逐渐扩展，最后引发断裂。

（3）变形失效。冲压模具在工作过程当中，若是零件所受到的应力超出其弯曲极限，就会发生塑性变形。当塑性形变形达到一定程度时，会造成模具内零件的尺寸和形状发生显著变化，模具无法再正常使用，也就是变形失效。变形失效的外表现为弯曲、塌陷、镦粗等。

（4）啃伤失效。冲压模具因一些客观原因致使其凸、凹模互相啃刃，造成冲压模具崩裂。

3失效原因及措施

冲压模具失效后，应及时对其进行检查分析，找准失效的原因，并对症下药，采取相应的解决措施，延长冲压模具的使用寿命，提高其经济效益。以下分析了造成以上几种失效形式的主要原因，并针对每种失效形式提出了相应的改善措施。

3.1 磨损失效的原因及措施

造成冲压模具因过度磨损而失效的原因很多，归结起来可以从三方面来考虑：一是冲压模具本身的原因，如模具自身的耐磨性能不好；其工作零件的硬度太低；模架的精度偏低等。二是被冲材料的原因，包括坯料硬度太大，对模具表面产生过的摩擦力；被冲材料表面发生氧化作用，造成摩擦力增大等。三是其他因素的影响。如所添加润滑剂润滑效果不好等。

针对以上原因造成的磨损失效，可以从以下几个方面加以改善：

（1）选择合适的模具材料。模具材料的选择会因模具用途的不同、生产冲压件的数量不同而有所差异。表1给出的是不同用途的模具对材料的选择。

表1 不同用途的模具对材料的选择

模具用途 生产量 使用模具材料

生产低薄板以及有色金属 小批量 t10a或t8a等较为低廉的碳素工具钢

生产厚度≤2nm的钢材 小批量 9gcr15、9mn2v、9sicr等合金工具钢

生产厚度≥2nm的钢材 大批量 gr12mov、gr12工具钢以及集体钢、高速钢、钢结硬质合金等

（2）对冲压模具表面进行强化处理。可以在加热淬火以前，向模具表面进行渗杂处理，包括渗硼、渗碳、渗硫、渗氮或碳氮共渗，或在淬火后采用离子渗氮或者气体软氮化的技术对磨具表面进行改性处理，以此来提高冲压模具刃口的各种性能，比如耐热性、耐磨性、抗腐蚀性等。通过对冲压模具表面进行化学或物理气相沉淀、电火花强化以及激光强化等工艺技术处理，可以大大提高模具表面的硬度，获得更好的耐磨性质及抗腐蚀、抗粘黏性质，从而很大程度地改善磨具的整体性能，极大地提高模具的使用寿命。

除以上措施外，还应该对模具表面适时进行润滑处理，减小模具与被冲器件的摩擦；时刻关注生产中容易发热的部位，并采取必要的冷却措施；生产加工前，应认真检查坯料的状态，对表面不良的坯料应进行及时清理或其他预先处理；调整模具凸凹模的合理间隙。

3.2 断裂失效的原因及措施

造成断裂失效的原因主要有两种：一种是过载断裂，另一种是扩展断裂。

当凸凹模同轴度相差较大，间隙分布不均匀，模架精度偏低时，会造成凸模在冲压过程中因受到过大的侧向力而发生断裂；凸模表面各个截面的过渡部位圆角过于尖锐，产生高于平均应力十倍之上的集中应力，造成模具承载后发生断裂。对于这种因过载而产生的断裂失效，可采取以下措施加以解决：

（1）改进设计结构。对于冲孔直径在2.5mm以下，断面积在52mm2，长度在12.5mm以上的异型孔凸模，应对杆部进行适当加粗处理，可用导向圈等工具进行加固，加大圆角半径，确保凸模各部位的过渡平滑，同时可采用其他结构如镶拼或预应力结构来减少模具应力集中的情况。

（2）在冲压模具设计过程中，应对模具强度进行校核，然后选择高一级强度的模具材料，确保模具具有足够的承载力；对热处理件要进行抽样检查，确保其强度，韧性符合标准。

冲压模具在生产工作中，造成模具扩展断裂的裂纹有很多种，包括淬火裂纹、回火裂纹、磨削裂纹、自发裂纹、脱碳裂纹、电加工裂纹等。针对不同的裂纹有不同的预防措施。

对于淬火裂纹的预防，主要是要对零件的形状进行合理设计。要将壁厚设计得尽可能相等，壁厚相差较远的两部分不能设计成一体，采用镶拼结构时应确保各模块强度尽量一致；转角部分圆角应该有较大的半径，杜绝尖角的情况；对于热处理工艺，应根据制件的实际情况包括其形状、大小以及材质等，选择适宜的工艺。

对于回火裂纹的预防，应做到零件在加热至300℃以前，采取缓慢加热的方式进行，不能加热过急，否则会因热应力过大而造成开裂；回火时也不能急剧冷却，应进行空冷处理，因为急冷会产生马氏体相变应力，造成开裂。

对于自发裂纹的预防，采用的措施是：淬火后马上进行回火，若是在常温下放置时间过长，零件会因受到相变应力而造成开裂。通常淬火到回火的间隔时间不能超过3小时，如果因某些原因不能马上回火，可以先置于100℃介质中进行保温处理，以此来延长间隔时间。

对于磨削裂纹的预防，若是淬火零件较多，磨削量较大，可以先进行低温回火（150℃）或中温回火（300℃）；砂轮整修时，应确保砂轮足够锋利并且粒度合适，以此来降低磨削热，减小磨削烧伤。

对于脱碳开裂的预防，可采取的措施是用真空加热或保护气加热的方法控制加热温度，防止工件因受热温度过高而发生开裂。

对于电火花加工裂纹的预防，应在加工过程中，尽量采用较小的电规准，防止电火花产生的瞬时高温在淬火件表面产生裂纹；加工后应对变质表面层进行抛光操作。

3.3 变形失效的原因及措施

造成模具变形失效的原因主要是模具表面的负荷过大。对于这种失效形式，可以从材料选择或强化处理等方面提高受力部位的强度。

3.4 啃伤失效的原因及措施

造成啃伤失效的原因主要有装配质量不过关、安装不当、压力机的导向精度不高、送料出现误差等。对啃伤失效可用高导向精度装置的模具进行生产加工，确保零件位置的精度，减小侧向力，避免凹凸模相互啃伤。

4结语

摆辗成形模具失效分析及工艺优化 第3篇

摆辗成形技术是1906年美国Midvacl钢铁公司Slick研制的I型轴向轧机,后经英国、波兰、德国、前苏联、日本、瑞士等国不断的研究与发展,在20世纪70年代形成较为成熟的技术。

摆辗工艺是利用对工件局部加压并使之连续变形的特种锻压工艺,摆辗相对于传统的锻压工艺,具有以下几方面的优点:省力,变形抗力仅为常规锻造变形抗力的1/5～1/15;成形尺寸精度高,可实现少无切削加工,达到节能节材的效果;可成形厚度很薄的盘形件,这是常规锻造难以实现的;劳动环境好,易于实现机械化、自动化。

2 摆辗设备

目前,在国际摆辗设备制造业中处于领军地位的是德国的瓦格纳公司,现在已经成为生产压力2000kN～12500kN系列化摆辗设备产品的专业厂家。国内一直研究、生产并形成系列产品的厂家只有徐州特种锻压机床厂,其最大吨位的DTL-800的摆辗机还处于试车状态。

我公司自主开发设计的BN1250摆辗机,是在参考吸收众多摆辗技术资料和经验的基础上,开发的目前国内最大吨位压力的摆辗机,设计最大压力为12500kN。

3 摆辗模具失效形式分析

目前,在现场生产中,摆辗模具主要有下列失效形式:①凸模表面疲劳龟裂纹;②凸模表面环状波纹。模具在生产300件产品时,明显可见表面疲劳龟裂纹;模具在生产800件产品时,出现明显的表面环状波纹。

为了防止锻模型腔表面发生高温回火而导致硬度下降,每摆辗一件后需进行喷水冷却。由于这种冷热交替工况使锻模型腔表面在交变热应力的作用下产生疲劳裂纹。模具经过一段时间的工作,模具力学性能降低,产生波纹状变形(图1)。

4 改进模具热处理工艺

模具热处理最初采用图2所示规范,但产生了前述的失效现象,后经分析改进,采用了图3所示热处理规范。具体操作如下。

(1)淬火前增加正火工序

淬火前先910℃正火,其目的是细化原始组织和碳化物,为下一步降低淬火温度作金相组织准备。

(2)降低淬火温度

原热处理工艺淬火温度860℃,淬火组织以针状马氏体为主,材料断裂韧性不足。为了提高模具的韧性,防止疲劳裂纹的过早产生和扩展,采用760℃淬火+500℃回火的工艺。760℃是5CrNiMo钢的临界温度,此时奥氏体刚形成,晶粒细小,含碳量低,淬火后得到较多的低碳板条状马氏体,其中有些细小的铁素体,但由于数量少且分布均匀,所以对强度影响不大,但却提高了锻模的韧性,从而提高了模具寿命。

5 结论

经过调整热处理工艺,改善了模具组织,提高了材料的高温力学性能,模具寿命显著提高,平均一副模具已能摆辗5000件,大大降低了模具成本,提高了企业经济效益。

参考文献

[1]彭北山,袁子良.5CrMnMo钢锤锻模热处理工艺改进.模具工业, 2005-07-25.