注射模失效原因分析与材料选用

铁盛武，朱黎鑫

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545005）

1 注射模成本介绍

1.1 模具总成本

模具的总体成本包括下面几个方面。

（1）生产用物料成本：油缸热流道（20%～25%）、材料铜料（10%～15%）、模架（8%～10%）、石墨、配件散件（7%～10%）等。

（2）制造成本：刀具及工装夹具（5%）、外发费用（10%～15%）、耗材（1.5%）、设计+编程、加工成本、人工（工资与福利）、水电场地租金、机台折旧等。

（3）试模成本：试模费用、胶料、包材等。

（4）模具修/改模成本：返工成本是隐性成本。

（5）品质检测成本：检测设备折旧、工件及样板检测费用等。

（6）量产维护保养成本：模具清洗保养、再内应力消除、再抛光清理、再涂装、破裂或磨损零件更换。

（7）包装运输、报关、税收等成本、说明书编写成本。

（8）生产力损失成本：客户商誉损失、因交期与品质造成的客户扣款、风险担保费用、坏帐等。

1.2 模具价格

模具价格取决于：合格的品质+准时的交货期+合理的价格+完善的售后服务体系。

2 模具寿命分级及材料选用

（1）模具寿命是指模具自正常服役至工作失效期间内所能完成制件加工的次数。若模具在使用中需返修或更换配件，则模具总寿命为各次返修完成制件加工数的总和。

（2）按生产数将模具寿命分5级:

a.一级模具在百万次以上：薄壁模200或300万次以上。

b.二级模具是50万～100万次：汽车模具与家电模具。

c.三级模具在30万～50万次：普通的家电模具与汽车模具。

d.四级模具在10万～30万次：普通家电与试验模。

e.五级模具在10万次以下：试验模或少订单模具。

（3）对模具寿命及长期维护成本起决定性的因素。材料的选材、热处理、模具表面处理（涂层）、塑件设计、模具设计、模具加工、模具保养、注射成型过程控制等。通常模具材料成本为模具成本的10%不到，在整个模具系统成本中只是一小部分，不可为省点材料钱而购买廉价模具材料，后期反给客户带来更大维护与生产力损失成本。

（4）按模具寿命等级考虑，模具材料选用建议。

a.一级与二级模具内模材料选用。

通常选用可热处理成硬度达50～54HRC左右的全硬料钢材。出厂硬度一般是20HRC左右。这类模具选用钢材时，注意钢材的强度、耐磨损、尺寸稳定、高硬度下良好切削加工性、较好的热处理等性能。常用于一级、二级模具的材料有：

①热作模具钢：因工作条件主要特点是与热态金属相接触。常做锤锻模、热挤压模、压铸模、玻璃模、高硬塑胶模5类。

常用于塑胶模具的热作模具钢：①H11系列：1.2343、1.2343ESR、SKD6；②H13系 列：1.2344、1.2344ESR、SHD61、1.2367（H13+Mo改良）。此类材料特点：含碳量低（0.4），添加相应合金元素，以增加淬透性，提高耐磨性、红硬性，对硬度要求适当，导热性较好。

②不锈钢系列：腐蚀性胶料，内模甚至模架选用不锈钢。通常胶料腐蚀性比较大的胶料（如PVC、POM等）已经医疗塑件的模具选用这类钢材。

b.三级模具材料的选用（寿命30万～50万）。

三级模具内模材料多选预硬料，常用材料型号有：

①P20及P20改良系列预硬料：618HH、618T、718HH、738HH、P20HH、NIMAX、XPM、XPMV ESR等。

②不锈钢系列预硬性：1.2083H、S136H、MIRRAX 40、1.2316H、S-STAR、ROYALLOY等。预硬HB270～340（28～36HRC）甚至到36～42HRC。这类钢材不需再进行淬火热处理。

③只有P20及不锈钢有预硬材料。热作模具钢与冷作模具钢没有预硬钢。除日立的FDAC外，是H13快切削预硬钢，可做为小批量压铸模、塑胶模、挤压模内模，出厂硬度38～42HRC。

c.四级模具材料的选用（寿命：10万～30万）。

此类模具材料可选用P20、718、738、618、1.2311、1.2711、及依胶料特性与塑件要求选择合适的材料等，再进行热处理。也可直接在模架上做型腔。

d.五级模具用材料的选用（寿命：10万次以下及试验模具）。

通常该类模具要求特低，材料可用王牌S50C、S45C、1.1740、1.1730、铝合金、国产45钢，可直接在模架上做型腔。

（5）考虑胶料及添加剂特性选用材料。

a.玻璃纤维对材料磨损大：选用高硬度与高耐磨性材料，甚至表面进行涂层处理。

b.阻燃剂对材料腐蚀大：选用耐 腐蚀性不锈钢，或模具表面进行氮化铬CrN涂层或镀铬或表面沉镍处理（只有30HRC）。

c.高温胶料：考虑材料的导热性与散热性，甚至选用铍铜做镶件。

d.高硬度胶料选用：材料热处理全硬，甚至选用粉末合金钢。

e.高膨胀的胶料考虑材料的强度：如PA与TPE软胶料。

最好的防磨耗对策：淬火热处理+表面涂层。

最好的防腐蚀对策：选用不锈钢或表面防锈涂层CrN处理。

强腐蚀性胶料有：PVC、POM、PPS、阻燃胶料等。

弱腐蚀性胶料有：PBT、PC、PMMA、PA等；这些料本身无腐蚀，因分解产生分解气，分解气略有腐蚀性，才腐蚀模具。

（6）塑件外观要求考虑，而选用特定材料。

a.表面要求极高的透镜或光学镜片模具选用，超级镜面高硬耐腐蚀不锈钢：一胜百POLMAX（一胜百抛光性最好的）；ESR+VAR。百禄M333、M333ESR、M330 VMR。斯穆2190 ESR、萨尔Anoxin（HQ）、大同D-STAR。

b.镜面抛光耐腐蚀模具可选用镜面耐腐蚀不锈钢：一胜百STAVAX ESR、MIRRAX ESR、MIRRAX40（预硬）；百禄M310、M303（预硬）、M300（预硬）；斯穆2083 ESR、PH X Supra（预硬）、2083H ESR（预硬）；萨尔Collex（HQ）；大同NAK-PRM（预硬）、PAK90。

c.可做汽车车灯模具的材料：一胜百VIDAR1 ESR、NIMAX（预硬）、718HH（预硬）；斯穆PH42 SUPRA（预硬）；萨尔MFR X5 Sonder（预硬）；大同NAK80（预硬）；百禄M268；萨尔MS40 ESR。

3 模具失效的表现形式及原因分析

（1）模具失效。指模具失去正常工作的能力，模具工作部分发生严重磨损或损坏而不能用一般修复方法（返磨、抛光、烧焊、更换配件等等）使其重新服役的现象。

主要针对的是内模或成型部位及主要滑动部位而言，一些标准配件的更换不在此例。

（2）模具的主要失效形式。

模具的主要失效形式如表1所示。

表1 模具的主要失效形式

（3）模具失效原因。因材料和热处理不当而引起的失效约占60%；设计不当引起的失效约占10%，如表2所示，但每次需要按实际的情况进行具体的分析。

表2 关于模具早期失效原因的统计数据

（4）塑料模具失效的主要表现。

a.抛光不良：表面光洁度不好、纹面脱落。

b.材料开裂崩裂：材料韧性差，模具结构设计不好，硬度太高。

c.腐蚀生锈：材料选 材不当，模具防护不当，表面镀铬或PVD防锈涂层，保持啤塑环境通风干燥等措施。

d.咬合、擦花插烧、磨损：材料选择不当，表面未处理，润滑不当，选用不同材料做磨擦件，且硬度差处理。

e.困气：模具设计不当，合模时气体被困而影响成形，可通过模流分析调整浇口位置与数量（成本较高）或选用透气钢做镶件或排气镶针。

f.散热不足：模具厚薄不一，热量难以带走，模温越来越高，影响塑件质量及生产周期。改良水道设计或使用铍铜合金作镶件，调整模温机循环水的压力与流量，以改善冷却效果。

g.塌陷变形：模具强度不够，或掏空部位太多，增加支撑柱。

4 模具失效的影响因素

（1）材料对模具寿命的影响：选用材料时必须同时兼顾。

a.满足模具对塑性变形抗力、断裂抗力、疲劳抗力、冷热疲劳抗力、高温性能（热硬性、红硬性）等性能的要求。

b.综合考虑材料的耐磨性、韧性、切削加工性、耐蚀性、淬硬性、抛光性、蚀纹效果等性能。

c.材料采购方便，交期快。

d.价格合理，成本低。

e.玻纤填充或腐蚀性材料或打冻水模具，材料选用尤为重要。

（2）设计对模具寿命影响。

a.模具结构合理性、可使用性及安全性。模架的大小，模腔的壁厚，寿命与制造成本的关系，模具结构设计时，尽量结构紧凑、操作方便，还要保证模具零件有足够的强度和刚度。

b.应力集中的评估。在模具结构允许时，模具零件各表面的转角应尽可能设计成圆角过渡，不可出现尖角与利边，以避免应力集中。对于凹模、型腔及部分凸模、型芯，可采用组合或镶拼结构来消除应力集中。

c.模具防护装置评估。包括模具监视器、顶针复位行程开关、行位行程开关、顶针强制复位装置等。

细长凸模或型芯，在结构上需采取适当的保护措施；塑件掉落时是否可能掉入行位滑槽内。

d.模具零件的可加工性及模具维修的方便性。

e.导柱导套强度评估：在模具开合过程中起导向作用，考虑其强度及耐磨性。

（3）模具制造质量对模具寿命的影响。①模具零件加工精度的影响；②模腔表面粗糙度的影响；③模具硬度均匀性的影响；④应力集中去除：由于构件截面尺寸突然变化而引起应力局部增大的现象。主要发生部位：孔、沟槽、凸肩、阶梯等；⑤CNC精加工深凹内模后，需要进行再去应力处理；⑥电火花加工对模具失效影响大：放电加工（包括线切割及电火花）后，钢材表面会产生重新熔化层（白化层）与再淬火回火层，此两层组织十分脆，因此，会严重降低模具寿命；⑦焊接工艺对模具失效的影响，按每种材料特定工艺进行正确操作，如：焊接区准备、焊丝的选择、焊前预热、焊接过程中模具温度和冷却的控制、焊后热处理等，焊接才会得到满意结果。

（4）热处理工艺对模具寿命的影响。在模具失效的诸多因素中，由于模具选材和热处理不当而引起的失效约占50%。由此可见，正确的模具用材及其热处理在提高模具寿命中的重要作用。模具热处理目的是为使模具获得理想组织，从而获得所需性能。

（5）表面强化处理对模具失效的影响。模具表面强化技术是在模具型腔表面产生一层强度高，有极好耐磨性的化合物涂覆层，以提高模具表面硬度和耐磨性。

a.表面处理工艺有：渗碳、渗氮（离子氮化）、氮碳共渗（软氮化）、渗硼、TD处理、稀土-硼、碳-氮-硼共渗、镀铬等方法。

b.表面涂层工艺中的PVD、CVD、PCVD（等离子化学气相沉淀、物理化学气相沉淀）技术、及表面喷丸、离子注入、激光表面强化处理、纳米表面技术等新工艺也被广泛采用。

c.纳米复合涂层是指将除有纳米相外还有其它相存在的纳米涂层涂覆在材料表面，获得超强的耐磨性、良好的润滑性和高的热稳定性，提高耐磨性和寿命，提高加工精度和使用性能。微粒奈米陶瓷处理。

d.类金刚石涂层（Diamond-like Carbon）DLC涂层。该涂层是一种非晶态膜，分为含氢类和无氢类金刚石涂层两种。DLC涂层具备质量稳定、与基体结合力好、耐磨性好、摩擦系数低、耐腐蚀性好等综合优良性能。DLC涂层:常用于模具的滑动与活动部件及轴承等等。

模具失效是综合因素引起的，只有在实际工作中不断总结原因，积累经验，熟练掌握各种钢材特性，灵活运用钢材加工及热处理技术，才能有效地减少和控制模具失效发生的可能性。