浅谈热锻模具的失效

浅谈热锻模具的失效

摘要：本文主要探讨了热锻模具几种主要失效形式及产生的原因，为预防热锻模具的损坏和延长模具的使用寿命提供了相关的理论依据。

关键词：模具失效磨损裂纹

1、引言

模锻在锻造生产中占有十分重要的地位。而模具的费用占模锻生产成本的比例在15%～20%。因此模具的使用寿命一直受到锻造行业的高度重视。而想要延长模具的使用寿命，那么我们首先就要了解模具是怎么失效报废的，找到模具失效的原因，才能采取相应的对策，使模具最大限度的延长使用寿命，从而降低模锻的生产成本，提高经济效益。

2、热锻模具失效的概念

热锻模具的失效是指模具出现了不能通过修复手段来恢复其使用功能的损伤，也就是通常我们所说的模具损坏或报废。

热锻模具靠模膛使锻件毛坯成型，模膛直接与高温毛坯接触、承受脉冲式热负荷的作用，并承受锻压设备打击产生的高能冲击载荷和金属流动产生的摩擦力的作用，在模具的材料和设计加工水平正常及操作规范的情况下，模具的损坏大多数都发生在模膛部分。这种失效通常称为“正常失效”。模具的“正常失效”主要是机械应力和热应力的长期联合作用下，导致磨损、塑性变形或者出现裂纹或开裂所致。

当模具未达到现有技术水平下普遍公认的使用寿命时，通常称为模具的“非正常失效”，又称早期失效。模具的“非正常失效”主要是因为模具材料冶金质量不合格、模具设计或制造工艺不当以及操作使用不当造成的。早期失效包括模体脆性断裂、模膛塌陷和局部严重磨损等。

3、热锻模具失效的形式

3.1 磨损

磨损是模具在使用过程中，模膛表面与金属坯料接触产生相对运动，模膛表面金属逐渐被磨蚀的现象。一般表现为刃口钝化、棱角变圆、平面下陷、表面沟痕、剥落黏模等。而磨损的部位主要出现在模膛金属流动剧烈的转角处和飞边槽桥部，据统计，模具因磨损而报废的约占报废总数的70%左右。

一般磨损失效可分为以下几种形式：

（1）疲劳磨损—模膛表面与变形金属表面相对运动时，在机械应力与热应

力的作用下，使模膛表面金属疲劳脱落的现象。

（2）气蚀磨损—金属表面的气泡破裂，产生瞬间的冲击和高温，使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象。

（3）冲蚀磨损—液体和固体微小颗粒高速落到模具表面，反复冲击模具表面，使模具表面局部材料损失，形成麻点和凹坑的现象。

（4）腐蚀磨损—在摩擦过程中，模具表面和周围介质发生化学或电化学反应，再加上摩擦力的机械作用，引起表面材料脱落的现象。

（5）磨粒磨损—硬质颗粒存在毛坯与模具接触表面之间，刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象。

（6）粘着磨损—毛坯与模具表面相对运动时，由于表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面材料转移到毛坯上或脱落的现象。

磨损情况很复杂，模具与坯料相对运动过程中，磨损一般不只是以一种形式存在，往往是多种形式并存的，并且之间相互影响。

3.2 塑性变形

模膛与金属坯料发生接触时，某些部位因温度急剧升高而软化或模膛本身强度不足，使其在较高的应力作用下发生塑性变形，从而改变了模具的几何形状或尺寸，如模膛塌陷、模膛侧壁扩展、凸台和棱角倒塌以及凸模出现镦粗、纵向弯曲等，造成模具失效。模具使用过程中，模膛表面温度往往超过热作模具钢的回火温度导致硬度降低，模膛内壁由于软化而被压塌或压堆。模膛发生塑性变形后，不但会改变模膛尺寸，影响锻件质量，如不及时维修，容易使锻件卡在模膛中。

3.3 机械疲劳裂纹

锻模在使用过程中，由于长期承受脉冲式负荷的作用，在应力高度集中的部位开始出现微裂纹，如果继续使用，裂纹会进一步扩展变得越来越大，形成机械疲劳裂纹。疲劳裂纹最先出现在模膛表面，产生的部位因模膛的结构而异。当模膛表面存在冶金缺陷或机械损伤时，由于应力集中会使机械疲劳提前发生，如过渡圆角、尖角、刀痕、沟痕和材料夹杂、严重偏析处。当这些部位的应力超过了材料的疲劳极限时，就会产生机械疲劳裂纹。

一般疲劳裂纹易发生在模膛的下述部位：

（1）底角裂纹：出现在模膛底部承受较大弯曲力矩的拐角处，其伸展方向与冲击方向呈45度。

（2）底部局部碎裂：由相互临近的疲劳裂纹扩展形成。

（3）壁角裂纹：沿平行于冲击方向伸展。

（4）纵向裂纹：产生在中心线平行于冲击方向的圆截面模膛的内壁上。

（5）横向裂纹：产生在纵向轴线位于分模面上的圆截面模膛表面上。裂纹伸展方向垂直于冲击方向。

（6）凸台根部裂纹：因应力集中和受弯曲力矩而形成，裂纹沿凸台根部伸展。

3.4 热疲劳裂纹

热疲劳是指热锻模具在循环热应力的反复作用下产生的疲劳裂纹或破坏的现象。热疲劳裂纹是指模膛表面在循环热应力的作用下产生循环的塑性应变，经过一定的循环次数，导致表面产生的许多细小裂纹。热疲劳裂纹一般分为两种类型，一种是在周期性热负荷作用下，模膛表面因反复加热和冷却而引起的裂纹；另一种是因为热应力和相变引起的裂纹。热疲劳裂纹大多数呈网状，也有呈放射状、平行状等。影响模具热疲劳的主要因素是模膛表面的温度变化幅度和模具材料的抗氧化性、导热性和热膨胀系数。模具的循环温差越大，材料的热膨胀系数越大，则循环热应力越大，越易于发生热疲劳。模具型腔表面的致密氧化物层可阻缓继续氧化过程，但氧化层增厚以致破裂后，便露出基体金属并产生侵蚀沟。

3.5 脆性断裂

脆性断裂一般是由于锻造时坯料加热温度过低、无锻件空击、锻模使用前预热温度不够和锻模安装不当等或是模具材料存在缺陷、模膛表面应力集中等原因造成的。断裂失效一般以模块折断、劈裂和崩刃等形式出现。当模块出现过热、过烧、回火不足、内应力过大、材质存在严重冶金缺陷、大型锤锻模内部存在残余应力时韧性不足、模膛内圆角过小、模膛表面有刀痕或表面粗糙时，都能造成应力集中，即使在正常操作和较小的机械负荷情况下，也可能造成锻模脆性断裂。脆性断裂对锻件质量的影响虽然不大，但对模具的损坏却是致命的，并且容易造成安全生产事故，因此必须予以重视。

4、结束语

以上讨论热了锻模具报废的几种失效形式，这几种形式不是单独存在的，而是相互影响，彼此之间存在着某种关系。要想揭开热锻模具损坏的真正奥秘，还需要我们对各种失效形式进行更加科学和深入的研究，并以此为依据，改进模具材料、工艺、设备和制造水平，才能有效预防模具的失效，延长模具的使用寿命。

参考文献：

[1]曾珊琪，丁毅. 模具寿命与失效. 北京：化学工业出版社，2005