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模具知识培训:塑料模具的失效形式及原因

　　随着国民经济总量和工业产品技术的不断发展，各行各业对模具的需求量越来越大，技术要求也越来越高，塑料模具的发展是随着塑料工业的发展而发展的。汽车、家电、办公用品、工业电器、建筑材料、电子通信等塑料制品主要用户行业近年来都高位运行，发展迅速，因此，塑料模具也快速发展，我国塑料模具行业日趋大型化。

　　塑料模具成型的制件表现出它的高精度、高复杂性、高一致性、高生产率和低消耗，塑料模具的加工制造方法有其独特的创造价值，而且塑料制品的种类日益增多，用途不断扩大，制品向精密化、大型化、复杂化发展，成型生产向高速化发展，模具的工作条件也越趋复杂。

　　一.塑料模具的失效形式

　　塑料模具主要包括热固性塑料模具和热塑性塑料模具。前者工作温度一般为160~300℃，受力大(300~800MPa)，型腔容易产生磨损和腐蚀失效;后者工作温度为150℃以下，承受的工作压力(300~600MPa)和磨损没有前者严重，但部分塑料在加热熔融状态下能够分解出腐蚀性气体，对型腔有较大的压力和腐蚀性。塑料模具的主要失效形式有塑性变形、断裂、表面腐蚀、疲劳和热疲劳、表面磨损失效等。

　　对于塑料模具的基本失效形式，主要体现以下三个方面：

　　1.磨损失效

　　模具在服役时，与成型坯料接触，产生相对运动。由于表面的相对运动，接触表面逐渐失去物质的现象叫磨损。热固性塑料对模具表面的严重摩擦，使模具表面产生划伤(拉毛)，影响压制件的外观质量，经多次抛光修复后，因型腔尺寸超差而失效;热固性塑料中含有的固体添加剂也会加剧对模具型腔的磨损，不仅使型腔表面粗糙度值迅速升高，而且还会使模具型腔尺寸超差;当模具选用的材料与热处理不合理，塑料模具的型腔表面硬度较低，也会使模具耐磨性变差，磨损失效可分为以下几种：

　　（1）疲劳磨损。 两接触表面相对运动时，在循环应力、机械应力与热应力的作用下，使表面金属疲劳脱落的现象，称为疲劳磨损。

　　（2）气蚀磨损和冲蚀磨损。 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，叫气蚀磨损;液体和固体微小颗粒反复高速冲击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹坑的现象，叫冲蚀磨损。

　　（3）磨蚀磨损。 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，叫磨蚀磨损。其是由于热固性塑料中的固体填料及一些热塑性塑料中存在氯、氟等元素，受热分解析出HCl、HF等强腐蚀性气体，侵蚀模具型腔表面，加剧其磨损失效。表面腐蚀会造成模具型腔表面质量下降及尺寸超差，降低模具寿命。

　　（4）磨损的交互作用。 摩擦磨损情况很复杂，在一定的工况下，模具与工件(或坯料)相对运动中，磨损一般不只是以一种形式存在，往往是以多种形式并存，并相互影响。

　　2.断裂失效

　　模具出现大裂纹或分离为两部分和数部分，丧失服役能力时，称为断裂失效。断裂可分为塑性断裂和脆性断裂。模具材料多为中、高强度钢，断裂形式多为脆性断裂，脆性断裂又可分为一次性断裂和疲劳断裂。

　　由于塑料模具形状复杂，存在许多棱角、薄壁等部位，在模具工作时易产生应力集中，当这些部位的应力值超过模具材料的断裂强度时，就会发生断裂失效。另外，合金工具钢制作的塑料模具回火不充分时，使用中也容易发生断裂失效。

　　3.塑性变形失效

　　塑料模具在服役时，承受了很大的应力，而且不均匀。当模具的某个部位的应力超过了当时温度下模具材料的屈服极限时，就会以晶格滑移、孪晶、晶界滑移等方式产生塑性变形，改变了几何形状或尺寸，而且不能修复再服役时，叫塑性变形失效。塑性变形的失效形式表现为镦粗、弯曲、型腔胀大、塌陷等。

　　模具的塑性变形是模具金属材料的屈服过程。是否产生塑性变形，起主导作用的是机械、负荷以及模具的室温强度。在高温下服役的模具，是否产生塑性变形，主要取决于模具的工作温度和模具材料的高温强度。

　　其是指塑料模具在持续受热、受压的作用下，发生局部塑性变形而失效。其原因主要是：所采用模具的材料强度与韧性不足;模具超载使用;模具型腔表面的硬化层过薄，变形抗力不足;模具回火不足;因工作温度高于回火温度而使模具发生软化，从而引起表面起皱、凹陷、麻点、棱角塌陷(堆塌)等。

　 　4.疲劳和热疲劳

　　塑料模具在工作过程中因承受循环的机械载荷作用，使模具的型腔表面承受脉动拉应力作用，从而引起模具的破坏称为疲劳失效;塑料模具在服役过程中还承受循环的热载荷作用，型腔表面在反复的受热和冷却条件下，可导致模具型腔应力集中处萌生热疲劳裂纹，另外加上模具型腔表面上的脉动拉应力，使热疲劳裂纹向纵深扩展，最终造成模具断裂。

　　二.影响塑料模具失效的因素

　　1.结构设计不合理引起失效。

　　尖锐转角(此处应力集中高于平均应力十倍以上)和过大的截面变化造成的应力集中，常常成为许多模具早期失效的根源。并且在热处理淬火过程中，尖锐转角引起残余拉应力，缩短模具寿命。

　　2.模具材料质量差引起的失效。

　　模具材料内部缺陷，如疏松、缩孔、夹杂成分偏析、碳化物分布不均、原表面缺陷(如氧化、脱碳、折叠、疤痕等)影响钢材性能;夹杂物过多引起失效;表面脱碳引起失效;碳化物分布不匀引起失效。

　　3.模具的机加工不当。

　　（1）切削中的刀痕。 模具的型腔部位或凸模的圆角部位，在机加工中，常常因进到太深而使局部留下刀痕，造成严重应力集中，当进行淬火处理时，应力集中部位极易产生微裂纹。

　　（2）电加工引起失效。 模具在进行电加工时，由于放电产生大量的热，将使模具被加工部位加热到很高温度，使组织发生变化，形成所谓电加工异常层。在异常层表面，由于高温发生熔融，然后很快地凝固，该层在显微镜下呈白色，内部有许多微细的裂纹，白色层下的区域发生淬火，叫淬火层，再往里由于热影响减弱，温度不高，只发生回火，称回火层。熔融再凝固层，硬度很高，达610-740HB，厚度约为30μm，淬火层硬度400-500HB，厚度为20μm。回火属高温回火，组织较软，硬度为380-400HB，厚度为10μm。

　　4.模具热处理工艺不合适。 加热温度的高低、保温时间长短、冷却速度快慢等热处理工艺参数选择不当，都将成为模具失效因素。

　　（1）加热速度。 塑料模具钢中含有较多的碳和合金元素，导热性差，因此，加热速度不能太快，应缓慢进行，防止模具发生变形和开裂。在空气炉中加热淬火时，为防止氧化和脱碳，采用装箱保护加热，此时升温速度不宜过快，而透热也应较慢。这样，不会产生大的热应力，比较安全。若模具加热速度快，透热快，模具内外产生很大的热应力。如果控制不当，很容易产生变形或裂纹，必须采用余热或减慢升温加速度来预防。

　　（2）氧化和脱碳的影响。 模具淬火是在高温度下进行的，如不严格控制，表面很易氧化和脱碳。另外，模具表面脱碳后，由于内外层组织差异，冷却中出现较大的组织应力，导致淬火裂纹。

　　实例

　　T10A钢线圈架塑料压注模的失效分析

　　（1）工作条件与加工流程

　　塑料压注模(见图2)工作压力在250MPa以上，工作温度高于200℃。模具材料为T10A，其加工流程为：下料→锻造→球化退火→切削加工→淬火 + 低温回火→磨削加工→抛光→装配等。模具热处理后的硬度为60~62HRC。

　　图2 线圈架塑料压注模简图

　　（2）失效分析

　　该模具寿命在2000件以下，其主要的失效形式为型腔表面拉毛(划伤)和棱边塌陷等。对失效模具进行硬度检测发现，型腔表面与棱边处的硬度为56~58HRC，表明模具在使用过程中有一定的硬度降低，其金相组织为回火马氏体 +粒状渗碳体 +少量残留奥氏体。

　　通过对模具的硬度降低分析来看，模具的服役温度高于回火温度(200℃)，同时也与模具的回火不足有关，其使模具在服役过程中受热后继续回火，导致马氏体的分解与残留奥氏体的转变，在压力作用下产生“相变超塑性”流动，引起模具型腔表面拉毛与棱边的塌陷。

　　（3）对策与效果

　　1)适当提高模具的最终回火温度，如采用250~270℃回火，即高于模具的工作温度(200℃)。同时，增加回火保温时间。

　　2)采用两段回火工艺。在保证模具较高的硬度的前提下改善材料的韧性，采用两段回火工艺：200℃ × 1.5h × 1次 +260℃ × 1.5h × 1次，模具表面硬度为56~58HRC，模具寿命可达1.8万件。