【热坛学习】谈谈模具的磨损失效

      由于模具表面的相对运动，而使模具的接触表面逐渐失去物质的现象称为磨损。模具在工作中会与坯料的成形表面相接触，产生相对运动而造成磨损，当这种磨损使模具的尺寸发生变化或使模具表面的状态发生改变而使其不能正常工作时，则称为磨损失效，一般包括正常磨损失效和非正常磨损失效两种。

      正常磨损失效是指模具的工作部位与零件材料之间产生的均匀摩擦磨损，而使模具工作部位的形状、尺寸、精度等发生变化所形成的失效；非正常磨损失效是指在局部外力或环境因素作用下，模具工作部位与零件材料之间发生咬合，引起模具工作部位的形状、尺寸、精度等发生突变而导致的失效。

      磨损有很多种类型， 按磨损机理不同可分为磨粒磨损、 黏着磨损、 疲劳磨损、 气蚀和冲蚀磨损、 腐蚀磨损等。

      1. 磨粒磨损

      工件表面的硬凸出物和外来硬质颗粒在加工时刮擦模具表面，引起模具表面材料脱落的现象称为磨粒磨损。当磨粒与工件和模具表面相接触时，作用在磨粒上的作用力可分为与模具表面平行和垂直的两个分力，垂直分力使磨粒压入金属表面，平行分力使磨粒与金属表面产生相对切向运动，从而构成了一个完整的磨粒磨损过程。采用模具成形时，通常模具硬度比工件高，则磨粒首先被压入工件内，当模具与工件产生相对运动时刮擦模具，从模具表面切下细小的碎片，形成磨粒磨损。当模具表面存在凹坑、沟槽等缺陷时，磨粒可能会嵌在其中或黏结在模具的表面上随模具一起运动，磨粒将会耕犁或犁皱工件表面，影响工件的加工质量。

      影响磨粒磨损的因素主要有磨粒的形状和大小、磨粒硬度与模具材料硬度的比值、模具与工件的表面压力、工件厚度等。磨粒的外形越尖，则磨损量越大；磨粒的尺寸越大，模具的磨损量越大，但当磨粒的尺寸达到一定数值后，磨损量则会稳定在一定的范围内；磨粒硬度与模具材料硬度的比值小于1时，磨损量较小， 比值增加到1以上时，磨损量急剧增加，而后逐渐保持在一定的范围内；随着模具与工件表面压力的增加，磨损量会不断增加，当压力达到一定数值后，由于磨粒的尖角变钝而使磨损量的增加得以减缓；工件厚度越大，磨粒嵌入工件的深度越深，对模具的磨损量减小。

      通过上面的分析可知，提高模具材料的硬度，可以提高抵抗磨粒嵌入的能力，有利于减少模具的磨损量；对模具进行表面耐磨处理可以在保证模具具有一定韧性的条件下，提高其耐磨损性能；在模具的使用过程中，及时清理模具和工件表面上的磨粒，可以减少磨粒侵入的概率，能有效地减少模具的磨损。

      2.黏着磨损

      由于模具与工件表面的凸凹不平，使其在相对运动中造成黏着点发生断裂而使模具材料产生剥落的现象称为黏着磨损。由于模具和工件表面存在一定的不平度，其中只有少数微观凸起的部分相接触，峰顶承受的压力很大（有时会高达5000MPa），因而导致模具局部表面的塑性变形，并且由于塑性变形和摩擦而产生很高的热量，破坏了模具材料表层的润滑膜和氧化膜，造成新鲜模具材料表面的暴露，而与工件材料产生原子之间的相互吸引和相互渗透，造成材料之间的局部黏着。随着模具和工件之间相对运动的进行和接触部分的迅速冷却，峰顶金属相当于进行了一次局部淬火处理，黏着部分的金属强度与硬度迅速提高，形成淬火裂纹， 并在运动中造成撕裂和最后剥落，形成黏着磨损。

      影响黏着磨损的主要因素有材料性质、材料硬度、表面压力等。根据金属的强度理论可知， 塑性材料的破坏取决于切应力，脆性材料的破坏取决于正应力，而在表面接触中最大正应力作用在表面上，最大切应力出现在离表面一定深度处。因而可知，材料的塑性越高，则黏着磨损越严重。相同的金属或者互溶性大的金属形成摩擦副时，黏着效应明显，易产生黏着磨损。从材料的组织结构来看，具有多相组织的金属材料，由于其强化效果因而比单相金属材料具有更高的抗黏着磨损能力。模具材料与工件材料的硬度越接近，磨损越严重。随着表面压力的增大，黏着磨损量将不断增加，但达到某一范围后会逐渐趋缓。

      通过以上讨论可知， 选择与工件材料互溶性小的模具材料，可减少两材料之间的溶解性，降低黏着磨损量；合理选用润滑剂， 形成润滑油膜，可以防止或减少两金属表面的直接接触，有效地提高其抗黏着磨损能力；采用多种表面热处理方法， 改变金属摩擦表面的互溶性质和组织结构，尽量避免同种类金属相互摩擦，可降低黏着磨损。

      3.疲劳磨损

      在循环应力作用下，两接触面相互运动时产生表层金属疲劳剥落的现象称为疲劳磨损。在模具和工件的相对运动中，会承受一定的作用力，模具的表面和亚表面存在多变的接触压力和切应力，这些应力反复作用一定的周期后，模具表面就会产生局部的塑性变形和冷加工硬化现象。在那些相对薄弱的地方， 会由于应力集中而形成裂纹源并在外力的作用下扩展，当裂纹扩展到金属表面或与纵向裂纹相交时，便形成磨损剥落。

      影响疲劳磨损的因素主要有材料的冶金质量、材料硬度、 表面粗糙度等。钢中的气体含量，非金属夹杂物的类型、大小、形状和分布等都是影响疲劳磨损的重要因素，特别是脆性较大和带有棱角的非金属夹杂物的存在，破坏了基体的连续性，在循环应力的作用下，会在夹杂物的尖角处形成应力集中，并因塑性变形引起冷加工硬化而形成疲劳裂纹。材料硬度的影响比较特殊，一般情况下硬度提高，可以增加模具表面的抗疲劳能力，但硬度过高时又会加快疲劳裂纹的扩展，加速疲劳磨损。材料的表面粗糙，会使接触应力作用在较小的面积上，形成很大的接触应力，加速疲劳磨损，因此减小模具表面粗糙度值可以提高模具的抗磨损能力。

      为了更好地提高模具的抗疲劳能力，应选择合适的润滑剂，用以润滑模具与工件的表面，避免或减少模具与工件材料之间的直接接触，降低接触应力，减少疲劳磨损量。另外，可以在常温状态下，通过对模具表面进行喷丸、滚压等表面技术处理， 使模具的工作表面因受压变形而产生一定的残余压应力，有利于提高模具的抗疲劳磨损能力。

      4.其他磨损

      除上述几种主要的磨损形式外，还有气蚀磨损、冲蚀磨损、腐蚀磨损等。

      （1） 气蚀磨损。由于金属表面的气泡发生破裂，产生瞬间的高温和冲击作用，使模具表面形成微小麻点和凹坑的现象称为气蚀磨损。当模具表面与液体相接触并产生相对运动时，在其表面上形成的气泡会流到高压区，当气泡承受的压力超过其内部压力时， 便会发生破裂， 并在瞬间产生极大的高温和冲击力，作用在模具的局部表面上，经过多次反复作用后，会在模具的近表面处形成疲劳裂纹，扩展后会导致局部金属脱离模具表面或汽化，形成泡沫海绵状空穴，即气蚀磨损。

      （2） 冲蚀磨损。固体和液体的微小颗粒以高速冲击的形式反复落到模具的表面上，使模具表面的局部材料受到损失而形成麻点或凹坑的现象称为冲蚀磨损。高速冲击模具表面的液体微粒，落下时会产生很高的应力，一般会超过金属材料的屈服强度或强度极限，使模具表面材料发生局部塑性变形或局部断裂。那些速度不高的液体微粒进行反复冲击后， 也会使模具表面出现疲劳裂纹，因而形成麻点和凹坑，导致冲蚀磨损的出现。

      （3） 腐蚀磨损。在工作过程中， 模具表面与其周围的环境介质发生化学或电化学反应，以及模具与工件之间的摩擦作用而引起模具表层材料脱落的现象称为腐蚀磨损。当模具材料与工件材料在一定的环境中产生摩擦时，金属材料便与环境介质产生化学或电化学反应，并形成反应物。在随后的模具与工件之间的相对运动中被磨掉，即形成了腐蚀磨损。腐蚀磨损经常会发生在潮湿或高温的环境中， 特别是在有酸、碱、盐等介质存在的特殊条件下更容易发生。腐蚀磨损的常见形式一般为氧化腐蚀磨损和特殊介质腐蚀磨损。由此可见，模具材料的性质、工作环境介质、温度、湿度等都是影响腐蚀磨损的重要因素。可以通过正确地选用模具材料、 合理地改善工作环境等措施来提高模具的耐腐蚀磨损性能。