材料抵抗表面损伤的性能与模具寿命的关系

模具材料抵抗表面损伤

的性能指标与模具寿命的关系研究

赵永彪

（济源职业技术学院，河南济源 454650）

摘要：大多数模具的失效都是由于模具使用过程中的各种表面损伤引起的。表面损伤对模具失效和模具寿命有着重要的影响。提高模具材料抵抗各种表面损伤失效的性能指标，就可以防止或延缓模具失效，从而提高模具寿命。

关键词：模具材料；表面损伤；性能指标；模具寿命；关系

模具是现代工业生产的重要工艺装备。模具因为磨损或其他形式的失效、终至不可修复而报废之前所加工的产品的件数，称为模具的使用寿命，简称模具寿命。模具寿命受多种因素影响，而最后导致模具寿命的终结是由于模具发生了失效的现象。模具受到损伤不能通过修复而继续服役时称为模具失效。大多数模具的失效都是由于表面损伤引起的。各种损伤形式之间又会相互渗透、相互促进、不断积累，最终导致模具失效或者说模具寿命的终结。因此，模具使用过程中的表面损伤对模具失效和模具寿命有着重要的影响。

一、模具表面损伤失效的形式

模具服役时，其工作表面周期的受到坯料的压力和摩擦力的反复作用，有的还受到坯料或冷却润滑介质的侵蚀，因而会发生磨损、接触疲劳和腐蚀等表面损伤失效形式。这些表面损伤或造成模具尺寸精度降低和表面粗糙度增加而影响其正常工作，或成为模具破裂的裂纹源，致使模具发生断裂失效。

（一）磨损失效

磨损是由于表面的相对运动，从接触表面逐渐失去物质的现象。当磨损使模具的尺寸发生变化或改变了模具的表面状态，使其不能继续服役时，称为磨损失效。磨损是多种因素相互影响的复杂过程，可形成多种失效类型。按磨损机理的不同，磨损主要有磨粒磨损和粘着磨损。

1.磨粒磨损

工件表面的硬突出物或外来物质颗粒存在工件与模具接触表面之间，刮伤模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损（或磨料磨损）。

2.粘着磨损

工件与模具表面相对运动时，由于表面凸凹不平，某些接触点局部应力超过了材料的屈服强度发生粘合，粘合的结点发生剪切断裂而拽开，使模具表面材料转移到工件上或脱落的现象称为粘着磨损。粘着磨损的过程是粘着点不断形成又不断被破坏并脱落的过程。

（二）接触疲劳失效

当两物体在压力作用下相互接触时，由于接触表面处的局部弹性变形所产生的应力称为接触应力。模具、尤其是承受冲击的模具，其工作表面的某些区域受较高的接触应力的周期作用，经过一定的周次后，在这些区域中产生深度不同的小片或小块状剥落，造成表面上针状或豆状凹坑（麻点），这就是接触疲劳（又称点蚀、麻点磨损、疲劳磨损）。接触疲劳也是一个裂纹萌生与扩展的过程，最后以剥落麻点的形式破坏。它使磨损加剧，严重损害模具的表面质量，并将导致模具的疲劳断裂而失效。

（三）腐蚀和腐蚀磨损失效

模具受高温氧化、金属液侵蚀或腐蚀性气体侵蚀会造成工作表面的腐蚀。腐蚀和机械载荷的共同作用，还会产生腐蚀磨损，引起表层材料的脱落。

二、模具材料抵抗表面损伤失效的性能指标

（一）模具材料抵抗磨粒磨损失效的性能指标

根据接触面上的负荷性质和应力大小不同，磨粒磨损可分为低应力磨粒磨损和高应力磨粒磨损，前者是指摩擦副之间的压力不超过磨粒的破坏强度，如冷冲裁模刃口的磨损。试验证明：

1. 在低应力磨粒磨损条件下

材料的磨损量与接触压力成正比，与材料的硬度成反比。这就要求模具钢具有高的硬度和耐磨性，应提高钢中的碳和合金元素的含量，并经过适当的热处理，使其显微组织在高强度的基体上均匀分布有更硬的碳化物或氮化物相。

2.在高应力磨粒磨损条件下

高应力磨粒磨损多发生在摩擦表面承受高能量冲击载荷时，其应力很高，足以将磨粒打碎，并使材料表面层产生小量塑性变形。这就要求材料有很高的加工硬化能力，加工硬化后的硬度很高，而材料基本保持良好的韧性。但这种情况在模具中很少见到。

3.多数承受冲击的模具的磨损类型介于低应力与高应力之间

在这种情况下，为了提高材料的耐磨性，不仅要求有高的硬度，还要求有较好的韧性。尤其当硬度超过40HRC时，只有提高材料的韧性才能进一步提高其耐磨性。在提高模具基体强、韧性的同时，对其表面进行强化处理，如表面淬火、渗碳、渗氮、氮碳共渗等，都能显著提高其耐磨性，从而提高模具材料抵抗磨粒磨损失效的性能。

（二）模具材料抵抗粘着磨损失效的性能指标

粘着磨损的磨损率较大，且受外界条件的影响也大。外界条件包括摩擦速度、接触压力、热点温度（实际接触点的局部温度）、润滑状况等。

1.摩擦速度

主要是通过影响摩擦面上的热点温度来影响其磨损量的，摩擦速度要尽可能低或尽量控制在合适的速度上。

2.接触压力

接触压力的变化并不改变磨损率随热点温度的变化规律，但随着接触压力增大，磨损率增加，并且发生粘着磨损的热点温度降低，因此应尽量降低接触压力。

3.润滑状况

摩擦表面光滑和良好的润滑可有效地减少粘着磨损，因而应根据摩擦副的具体情况，选择利于表面吸附的润滑剂及添加物，使形成的油膜不易被破坏。

另外，为了减少模具的粘着磨损，应选用不易与坯料粘着的模具材料，同时采用适当的热处理工艺，以提高材料的压缩屈服点，减少与坯料原子间的结合力。渗磁、液体氮碳共渗、磷化等表面处理能使模具表面形成牢固的化合物层或非金属层，以避免金属原子间直接接触，且使摩擦系数减低，可防止粘着。这对于高温下以及不可能充分润滑的模具很有意义。渗碳、氮碳共渗、氮碳硼复合渗及磁氮碳共渗等化学热处理工艺既能提高表面硬度，又能降低与坯料金属间的结合力，对减少粘着磨损也很有效。

（三）模具材料抵抗接触疲劳失效的性能指标

由于接触疲劳与循环接触应力及摩擦磨损有关，所以影响疲劳强度和磨损抗力的因素，对接触疲劳强度也有类似的影响。其主要影响因素是材料的硬度、组织状态、模具的表面粗糙度和润滑条件等。

1.材料的硬度

为了提高材料的接触疲劳强度，就应保证材料的切断抗力，兼顾正断抗力，即材料应具有适当高的硬度。一般认为，模具材料热处理后达到58～62HRC是适宜的，同时要求马氏体中的碳含量0.4%～0.5%为宜。当模具承受的冲击载荷较大时，上述指标均可取下限值。对于采取表面强化处理的模具，为防止表层压碎和次表层裂纹，表面强化层应有一定的深度，心部应有足够的硬度（以35～40HRC 为宜）。

2.材料的组织状态

接触疲劳裂纹多起源于非金属夹杂物、粗大的碳化物及其他薄弱的组织组成物，因而钢的冶金质量和热处理组织的均匀性对其接触疲劳强度有很大影响，所以应合理选择模具材料、通过预先锻造、采用正确的热处理工艺等来消除模具材料冶金质量缺陷和改善提高其组织与性能。

3.表面粗糙度和润滑条件

减少模具表面冷热加工缺陷，降低表面粗糙度值，可有效的增加其接触疲劳寿命，尤其当接触应力高时收效更为显著。因而对模具表面实施精磨、抛光和表面综合强化处理可提高其接触疲劳抗力。另外，提高润滑油的粘度，在润滑油中加入某些添加剂，使其在接触表面形成不易破坏的油膜，可减轻接触疲劳的损伤过程。

（四）模具材料抵抗腐蚀和腐蚀磨损失效的性能指标

在实际生产中常采取一定的表面防护措施和工艺措施来提高材料抵抗腐蚀损伤的性能，例如：

1.压铸模具采用涂层处理、渗碳处理和氮碳共渗等方法可提高其抗腐蚀、抗粘膜性能。

2.热作模具采取渗铬或渗铝处理可提高其抗氧化性。

3.塑料模具采用表面电镀铬、化学镀Ni-P合金或直接采用不锈钢制造模具可提高其耐磨性等。

4.生产上广泛采用发蓝、磷化、蒸汽处理和渗硫等工艺来保护表面，并减轻腐蚀氧化磨损。

5.在模具设计、选材和处理工艺上采取相应措施，比如提高加工精度，增加

配合压力，减少应力集中，避免选用相同或相近的配对材料，采用表面滚压、挤孔等表面形变强化处理工艺，采取渗碳、渗氮、氮碳共渗、渗硫、电镀镉等表面处理工艺来改变模具表面层成分和性能，提高模具抗咬蚀能力。

6.选用不易燃烧的冷却润滑介质和添加剂等，可防止模具气蚀。

三、模具材料的选择与工艺处理对模具寿命的影响

由于模具是由各个零件构成的，每个零件都是用一定的材料制造的，模具的失效实质上就是在特定负荷作用下，具有特定形状的模具材料的失效，所以提高模具寿命实质上就是尽可能的选择高性能的模具材料和改善提高模具材料抵抗各种失效的性能指标来延缓模具材料的失效。各种模具材料的强度、硬度、耐磨性、耐腐蚀性、塑性变形抗力、断裂抗力、冷热疲劳抗力等性能均有所不同，每一种模具材料又具有各种不同的性能指标，可以反映材料对模具不同形式失效的抗力。实践证明，模具的失效大多数是由于模具表面损伤引起的，表面损伤是模具破坏的起源，模具材料抵抗表面损伤的性能指标直接影响着模具寿命。实际生产中，最常见的模具之一——冷冲裁模，它是在室温下分离冷轧钢板或有色金属板材，使各种板料冲切成型的冷作模具。由于凸、凹模刃口处于端面最大压应力和侧面最大压应力的交汇处，同时也处在端面最大摩擦力和侧面最大摩擦力的交汇处，因此，其凸、凹模的刃口附近受力最集中、工况最恶劣、表面磨损最严重。从磨损机理上看，其主要失效形式为粘着磨损，同时也伴生磨粒磨损，使用时间过长也会产生疲劳磨损。影响冷冲裁模失效的因素很多，有冲裁间隙、压边状态、导向装置等模具设计因素和使用维修因素，还有所选用的模具材料的性能及改善和提高模具材料性能的冷热加工工艺、表面强化技术等因素。为了延缓冷冲裁模失效，提高冷冲裁模寿命，除了考虑模具设计因素和使用维修因素以外，应重点考虑选取耐磨性好的模具材料，并对模具材料进行合理的锻造和热处理工艺，采用表面渗氮、渗硼等表面强化技术，提高模具材料的强度和硬度以及耐磨性等性能指标；另外，凸模材料的耐磨性应选得比凹模材料的耐磨性要高。例如，电子定子硅钢片冲裁模采用不同模具材料时，由于材料抵抗表面损伤的性能不同，模具的使用寿命不同，硬质合金冲裁模寿命可达4000万件，T12冲裁模寿命约为20万件左右，Cr12MoV冲裁模寿命介于两者之间。因此，研究、改善和提高模具材料抵抗各种表面损伤失效的性能指标，对于防止或延缓模具表面损伤失效、提

高模具寿命有着十分密切的关系，不但有助于选择出最合适的模具材料、制定出相应的工艺技术措施，制造出安全可靠、经济合理的模具，同时对模具使用过程中的修复和防护也有十分重要的意义。

四、结论

模具寿命的高低是衡量模具质量的重要指标之一，它不仅影响工业产品的质量，而且还影响产品的生产率和产品成本。在工业产品飞速发展带动模具工业快速发展的新时代，从模具发展的总趋势看，无论是模具的大型化、复杂化还是高精度、高性能、高效率，都依赖于模具寿命的提高。提高模具寿命其实就是和模具材料失效作斗争。模具材料抵抗表面损伤失效的性能指标与模具寿命之间关系密切，提高模具材料抵抗表面损伤失效的性能指标，就可以提高模具寿命。

参考文献：

[1]曾珊琪、丁毅主编.模具寿命与失效.北京：化学工业出版社，2005.2

[2]程培源主编.模具寿命与材料.北京：机械工业出版社，2007.5

[3]廖景娱主编.金属构件失效分析.北京：化学工业出版社，2003.8

[4]吴兆祥主编.模具材料及表面处理.北京：机械工业出版社，2004.1

●模具是“百业之母”，是工业“效益放大器”。

●出过国的人都会有一种感觉，就是国外的产品比较精美，特别是

日本、德国的产品，大到机械、小到文具，都给人一种精美绝伦的感觉，好像是一件件做工精湛的工艺品，这就是模具的功劳。

●我们要想成为世界制造业大国，没有先进的模具工业是不行的。

在这方面我们还有很长的路要走，还有很多东西要学。首要的一条是要重视模具行业的发展，不但要有先进的技术，更要重视模具行业的商品化，让模具行业从企业中走出来，成为一个具有市场竞争力的新兴行业。同学们，加油吧!