模具知識培訓:塑料模具的失效形式及原因
隨著國民經濟總量和工業(yè)產品技術的不斷發(fā)展，各行各業(yè)對模具的需求量越來越大，技術要求也越來越高，塑料模具的發(fā)展是隨著塑料工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展的。汽車、家電、辦公用品、工業(yè)電器、建筑材料、電子通信等塑料制品主要用戶行業(yè)近年來都高位運行，發(fā)展迅速，因此，塑料模具也快速發(fā)展，我國塑料模具行業(yè)日趨大型化。
塑料模具成型的制件表現出它的高精度、高復雜性、高一致性、高生產率和低消耗，塑料模具的加工制造方法有其獨特的創(chuàng)造價值，而且塑料制品的種類日益增多，用途不斷擴大，制品向精密化、大型化、復雜化發(fā)展，成型生產向高速化發(fā)展，模具的工作條件也越趨復雜。
一.塑料模具的失效形式
塑料模具主要包括熱固性塑料模具和熱塑性塑料模具。前者工作溫度一般為160~300℃，受力大(300~800MPa)，型腔容易產生磨損和腐蝕失效;后者工作溫度為150℃以下，承受的工作壓力(300~600MPa)和磨損沒有前者嚴重，但部分塑料在加熱熔融狀態(tài)下能夠分解出腐蝕性氣體，對型腔有較大的壓力和腐蝕性。塑料模具的主要失效形式有塑性變形、斷裂、表面腐蝕、疲勞和熱疲勞、表面磨損失效等。
對于塑料模具的基本失效形式，主要體現以下三個方面：
1.磨損失效
模具在服役時，與成型坯料接觸，產生相對運動。由于表面的相對運動，接觸表面逐漸失去物質的現象叫磨損。熱固性塑料對模具表面的嚴重摩擦，使模具表面產生劃傷(拉毛)，影響壓制件的外觀質量，經多次拋光修復后，因型腔尺寸超差而失效;熱固性塑料中含有的固體添加劑也會加劇對模具型腔的磨損，不僅使型腔表面粗糙度值迅速升高，而且還會使模具型腔尺寸超差;當模具選用的材料與熱處理不合理，塑料模具的型腔表面硬度較低，也會使模具耐磨性變差，磨損失效可分為以下幾種：
（1）疲勞磨損。 兩接觸表面相對運動時，在循環(huán)應力、機械應力與熱應力的作用下，使表面金屬疲勞脫落的現象，稱為疲勞磨損。
（2）氣蝕磨損和沖蝕磨損。 金屬表面的氣泡破裂，產生瞬間的沖擊和高溫，使模具表面形成微小麻點和凹坑的現象，叫氣蝕磨損;液體和固體微小顆粒反復高速沖擊模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻點和凹坑的現象，叫沖蝕磨損。
（3）磨蝕磨損。 在摩擦過程中，模具表面和周圍介質發(fā)生化學或電化學反應，再加上摩擦力的機械作用，引起表面材料脫落的現象，叫磨蝕磨損。其是由于熱固性塑料中的固體填料及一些熱塑性塑料中存在氯、氟等元素，受熱分解析出HCl、HF等強腐蝕性氣體，侵蝕模具型腔表面，加劇其磨損失效。表面腐蝕會造成模具型腔表面質量下降及尺寸超差，降低模具壽命。
（4）磨損的交互作用。 摩擦磨損情況很復雜，在一定的工況下，模具與工件(或坯料)相對運動中，磨損一般不只是以一種形式存在，往往是以多種形式并存，并相互影響。
2.斷裂失效
模具出現大裂紋或分離為兩部分和數部分，喪失服役能力時，稱為斷裂失效。斷裂可分為塑性斷裂和脆性斷裂。模具材料多為中、高強度鋼，斷裂形式多為脆性斷裂，脆性斷裂又可分為一次性斷裂和疲勞斷裂。
由于塑料模具形狀復雜，存在許多棱角、薄壁等部位，在模具工作時易產生應力集中，當這些部位的應力值超過模具材料的斷裂強度時，就會發(fā)生斷裂失效。另外，合金工具鋼制作的塑料模具回火不充分時，使用中也容易發(fā)生斷裂失效。
3.塑性變形失效
塑料模具在服役時，承受了很大的應力，而且不均勻。當模具的某個部位的應力超過了當時溫度下模具材料的屈服極限時，就會以晶格滑移、孿晶、晶界滑移等方式產生塑性變形，改變了幾何形狀或尺寸，而且不能修復再服役時，叫塑性變形失效。塑性變形的失效形式表現為鐓粗、彎曲、型腔脹大、塌陷等。
模具的塑性變形是模具金屬材料的屈服過程。是否產生塑性變形，起主導作用的是機械、負荷以及模具的室溫強度。在高溫下服役的模具，是否產生塑性變形，主要取決于模具的工作溫度和模具材料的高溫強度。
其是指塑料模具在持續(xù)受熱、受壓的作用下，發(fā)生局部塑性變形而失效。其原因主要是：所采用模具的材料強度與韌性不足;模具超載使用;模具型腔表面的硬化層過薄，變形抗力不足;模具回火不足;因工作溫度高于回火溫度而使模具發(fā)生軟化，從而引起表面起皺、凹陷、麻點、棱角塌陷(堆塌)等。
4.疲勞和熱疲勞
塑料模具在工作過程中因承受循環(huán)的機械載荷作用，使模具的型腔表面承受脈動拉應力作用，從而引起模具的破壞稱為疲勞失效;塑料模具在服役過程中還承受循環(huán)的熱載荷作用，型腔表面在反復的受熱和冷卻條件下，可導致模具型腔應力集中處萌生熱疲勞裂紋，另外加上模具型腔表面上的脈動拉應力，使熱疲勞裂紋向縱深擴展，最終造成模具斷裂。
二.影響塑料模具失效的因素
1.結構設計不合理引起失效。
尖銳轉角(此處應力集中高于平均應力十倍以上)和過大的截面變化造成的應力集中，常常成為許多模具早期失效的根源。并且在熱處理淬火過程中，尖銳轉角引起殘余拉應力，縮短模具壽命。
2.模具材料質量差引起的失效。
模具材料內部缺陷，如疏松、縮孔、夾雜成分偏析、碳化物分布不均、原表面缺陷(如氧化、脫碳、折疊、疤痕等)影響鋼材性能;夾雜物過多引起失效;表面脫碳引起失效;碳化物分布不勻引起失效。
3.模具的機加工不當。
（1）切削中的刀痕。 模具的型腔部位或凸模的圓角部位，在機加工中，常常因進到太深而使局部留下刀痕，造成嚴重應力集中，當進行淬火處理時，應力集中部位極易產生微裂紋。
（2）電加工引起失效。 模具在進行電加工時，由于放電產生大量的熱，將使模具被加工部位加熱到很高溫度，使組織發(fā)生變化，形成所謂電加工異常層。在異常層表面，由于高溫發(fā)生熔融，然后很快地凝固，該層在顯微鏡下呈白色，內部有許多微細的裂紋，白色層下的區(qū)域發(fā)生淬火，叫淬火層，再往里由于熱影響減弱，溫度不高，只發(fā)生回火，稱回火層。熔融再凝固層，硬度很高，達610-740HB，厚度約為30μm，淬火層硬度400-500HB，厚度為20μm?；鼗饘俑邷鼗鼗穑M織較軟，硬度為380-400HB，厚度為10μm。
4.模具熱處理工藝不合適。 加熱溫度的高低、保溫時間長短、冷卻速度快慢等熱處理工藝參數選擇不當，都將成為模具失效因素。
（1）加熱速度。 塑料模具鋼中含有較多的碳和合金元素，導熱性差，因此，加熱速度不能太快，應緩慢進行，防止模具發(fā)生變形和開裂。在空氣爐中加熱淬火時，為防止氧化和脫碳，采用裝箱保護加熱，此時升溫速度不宜過快，而透熱也應較慢。這樣，不會產生大的熱應力，比較安全。若模具加熱速度快，透熱快，模具內外產生很大的熱應力。如果控制不當，很容易產生變形或裂紋，必須采用余熱或減慢升溫加速度來預防。
（2）氧化和脫碳的影響。 模具淬火是在高溫度下進行的，如不嚴格控制，表面很易氧化和脫碳。另外，模具表面脫碳后，由于內外層組織差異，冷卻中出現較大的組織應力，導致淬火裂紋。
實例
T10A鋼線圈架塑料壓注模的失效分析
（1）工作條件與加工流程
塑料壓注模(見圖2)工作壓力在250MPa以上，工作溫度高于200℃。模具材料為T10A，其加工流程為：下料→鍛造→球化退火→切削加工→淬火 + 低溫回火→磨削加工→拋光→裝配等。模具熱處理后的硬度為60~62HRC。
圖2 線圈架塑料壓注模簡圖
（2）失效分析
該模具壽命在2000件以下，其主要的失效形式為型腔表面拉毛(劃傷)和棱邊塌陷等。對失效模具進行硬度檢測發(fā)現，型腔表面與棱邊處的硬度為56~58HRC，表明模具在使用過程中有一定的硬度降低，其金相組織為回火馬氏體 +粒狀滲碳體 +少量殘留奧氏體。
通過對模具的硬度降低分析來看，模具的服役溫度高于回火溫度(200℃)，同時也與模具的回火不足有關，其使模具在服役過程中受熱后繼續(xù)回火，導致馬氏體的分解與殘留奧氏體的轉變，在壓力作用下產生“相變超塑性”流動，引起模具型腔表面拉毛與棱邊的塌陷。
（3）對策與效果
1)適當提高模具的最終回火溫度，如采用250~270℃回火，即高于模具的工作溫度(200℃)。同時，增加回火保溫時間。
2)采用兩段回火工藝。在保證模具較高的硬度的前提下改善材料的韌性，采用兩段回火工藝：200℃ × 1.5h × 1次 +260℃ × 1.5h × 1次，模具表面硬度為56~58HRC，模具壽命可達1.8萬件。
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