模具是制造技術(shù)中的重要基礎(chǔ)工藝裝備，模具產(chǎn)品的質(zhì)量不僅關(guān)系到生產(chǎn)制品的質(zhì)量、性能，而且直接影響到制造成本和效率。我國(guó)模具生產(chǎn)廠點(diǎn)約2萬余家，模具總產(chǎn)值超過450億元人民幣。在汽車、家電、通訊和儀器儀表、塑料、金屬加工等行業(yè)的模具產(chǎn)品中，冷作模具占有相當(dāng)市場(chǎng)。

根據(jù)以往冷作模具使用和失效情況統(tǒng)計(jì)，模具質(zhì)量很大程度取決于模具選材和工藝制定，依據(jù)模具使用條件，正確選擇模具材質(zhì)和制定合理的處理工藝對(duì)減少冷作模具早期失效非常重要。這里主要探討與冷作模具失效分析有關(guān)的幾個(gè)問題。

1  冷作模具材料及性能要求

冷作模具主要完成金屬或非金屬材料的冷成形，包括冷沖壓、冷擠壓和冷鐓模具等。與熱作模具相比，這類模具工作載荷大、尺寸精度、表面質(zhì)量要求高、加工批量大，多數(shù)為最終產(chǎn)品。為適應(yīng)這種工況要求，多采用高碳或高合金鋼制作冷作模具，工作硬度為58-60HRC。

通常選用的冷作模具鋼要求有足夠的強(qiáng)度(包括抗拉，抗壓和抗彎強(qiáng)度)，足夠的韌度，足夠的硬度和抗磨能力(特別是表面)，足夠的抗疲勞能力(特別是多沖疲勞性能)；對(duì)于大載荷的冷擠壓和冷鐓鍛體成型模具，因劇烈變形產(chǎn)生熱量(約300℃)，要求材料具有更高的抗變形和斷裂能力。

根據(jù)文獻(xiàn)[3～8]整理的部分冷作模具鋼典型處理工藝及其力學(xué)性能表見表1，可以供選擇模具材料和制定處理工藝時(shí)參考。

2  冷作模具失效分析中的一些問題探討

通過對(duì)國(guó)內(nèi)冷鐓、冷沖、冷擠壓模具失效情況調(diào)查分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

從表2統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，冷作模具主要失效類型是過載失效和磨損失效，約占失效總數(shù)80％-90％。冷鐓模具以裂斷或非正常磨損(局部脫落)為主，冷擠壓模具以脆斷或磨損失效為主，而冷沖模具以磨損失效為主。高工作應(yīng)力，大波動(dòng)應(yīng)力的冷擠壓和冷鐓模具出現(xiàn)脆性開裂失效比例明顯高于低工作應(yīng)力冷沖模。

表2中收集的疲勞斷裂失效比例較少，這與冷作模具材料多采用高碳、高合金鋼，硬度高達(dá)60HRC，疲勞斷裂的形態(tài)難于區(qū)分和統(tǒng)計(jì)有關(guān)。

實(shí)際上冷作模具失效原因很多，此模具材料因素外，還與工作設(shè)備精度和狀況，制品材質(zhì)和表面質(zhì)量，模具結(jié)構(gòu)和加工精度，操作人員素質(zhì)等多因素有關(guān)，其中一些隨機(jī)因素給失效分析增加困難。

2.1  冷作模具鋼工作應(yīng)力，硬度和壽命的關(guān)系

測(cè)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，對(duì)于制品為鋼鐵材料，冷擠壓模具材料承受的平均工作應(yīng)力約2500MPa，使用硬度62-64HRC，冷鐓模具約1500MPa，使用硬度58-62HRC，冷沖模具約500MPa，使用硬度60-62HRC，其中以冷擠壓模具應(yīng)力最大。實(shí)際上還要承受10％—20％的隨機(jī)載荷，模具局部應(yīng)力要超過上述應(yīng)力。

冷作模具鋼工作硬度對(duì)壽命的影響是綜合作用的結(jié)果，圖1所示為冷擠壓W6Mo5Cr4V2鋼沖頭(擠壓20Cr鋼)工作硬度與失效類型、使用壽命統(tǒng)計(jì)圖。

圖1所示W(wǎng)6Mo5Cr4V2鋼硬度與壽命關(guān)系說明，壽命曲線存在兩個(gè)低壽命區(qū)硬度區(qū)(即C和B區(qū))，當(dāng)小于63HRC時(shí)(塑變失效為主)或大于64HRC時(shí)(脆斷失效為主)的低壽命區(qū)。對(duì)于早期失效的冷作模具應(yīng)當(dāng)仔細(xì)分析材料因素和其他因素的影響。

2.2  冷作模具主要的失效形態(tài)

冷作模具主要失效形式有過載失效、磨損失效和疲勞失效等，典型失效斷口形見圖2，下面分別討論。

2.2.1  過載失效

過載失效系指材料本身承載能力不足以抵抗工作載荷(包括隨機(jī)波動(dòng)載荷)作用引起的失效，包括韌度不足和強(qiáng)度不足兩類失效。其中對(duì)韌度不足出現(xiàn)得脆斷失效應(yīng)予以重視。

(1)材料韌度不足的失效

由于此類失效前無宏觀征兆和斷裂突發(fā)性，是冷作模具失效中最危險(xiǎn)的事故，以往因此類失效也出現(xiàn)過人身事故，給生產(chǎn)安全和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成很大的損失。這種失穩(wěn)態(tài)下的斷裂失效在冷擠壓和冷鐓模具中容易出現(xiàn)，如沖頭折斷、開裂，甚至產(chǎn)生爆裂，其特征是失效產(chǎn)生前無明顯塑性變形，宏觀斷口無剪切唇，且比較平坦，造成模具不可修復(fù)的永久失效。

產(chǎn)生這種失效與模具材料韌度不足，承受過高應(yīng)力有關(guān)。對(duì)冷擠壓模具實(shí)際承載能力分析計(jì)算可知，沖頭失效前承受工作應(yīng)變能力是材料斷裂消耗能的上千倍，說明了工作時(shí)沖頭承受高潛在動(dòng)能和低的斷裂抗力。根據(jù)能量守恒原理，沖頭斷裂勢(shì)幾乎全部能量變?yōu)閿U(kuò)展動(dòng)能，其擴(kuò)展的極限速度可達(dá)10³m/s。當(dāng)模具結(jié)構(gòu)存在應(yīng)力集中，如六方冷鐓沖頭尾部過渡區(qū)r≤1mm時(shí)，應(yīng)力中集中系數(shù)K_t=2，冷擠壓沖頭臺(tái)階處r=3mm時(shí)，Kt=1.3，甚至機(jī)械加工刀痕、磨削粗痕跡等均可成為薄弱環(huán)節(jié)，產(chǎn)生失穩(wěn)斷裂。

高碳、高合金的冷作模具鋼，使用狀態(tài)為回火馬氏體和二次析出相，含有較多一次剩余碳化物，材料硬度高，基體吸收能量、松弛應(yīng)力．應(yīng)變的能力低，一次碳化物的不均勻性分布又嚴(yán)重降低材料韌度。因此這類失效斷口看不到宏觀變形，微觀變形的尺寸大致與碳化物間距相當(dāng)。

(2)強(qiáng)度不足失效

在冷鐓、冷擠壓沖頭中材料抗壓、彎曲抗力不足，易出現(xiàn)鐓頭下凹、彎曲變形失效。在新產(chǎn)品開發(fā)中容易產(chǎn)生此類失效，原因工作載荷過大，模具硬度偏低有關(guān)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)說明，冷鐓沖頭硬度＜56HRC，冷擠沖頭硬度＜62HRC時(shí)易出現(xiàn)這類失效；同時(shí)說明材料強(qiáng)度不足，塑性有余，有韌度潛力可以發(fā)揮。

解決此類早期失效的經(jīng)驗(yàn)方法是：脆斷失效減硬度(增強(qiáng)度)；變形失效增硬度(增強(qiáng)度)。

2.2.2　磨損失效

磨損失效是指模具工作部位與被加工材料之間的摩擦損耗，使工作部位(刃口、沖頭)形狀和尺寸發(fā)生變化引起的失效。它又包括正常磨損失效和非正常磨損失效兩類：

(1)正常磨損失效

對(duì)要求表面尺寸嚴(yán)格的冷沖壓，冷擠壓模具，在保證材料不斷前提下，模具壽命取決于表面抗磨損能力。模具工作部位與被加工材料之間的均勻摩擦損耗，使工作部位 (刃口、沖頭)形狀和尺寸發(fā)生變化引起的失效。通常模具使用壽命較長(zhǎng)，如表面質(zhì)量要求高的沖載模、擠壓模易產(chǎn)生此類失效(圖2c)。

(2)非正常磨損失效

在局部高壓力作用下模具工作部位與被加工材料問發(fā)生咬合—被加工材料“冷焊”到模具表面(或模具材料“冷焊”到加工材料表面)，引起被加工產(chǎn)品(或模具材料)表面形狀和尺寸發(fā)生突變出現(xiàn)的失效，引起被加工產(chǎn)品表面質(zhì)量出現(xiàn)劃痕的失效。在拉伸、彎曲模具及冷擠壓模具中易發(fā)生此類失效(圖2d)。

2.2.3疲勞失效(多沖疲勞失效)

冷作模具載荷都是以一定沖擊速度、一定能量作用下周期性施加的，這種狀態(tài)與小能量多沖疲勞實(shí)驗(yàn)(以一定能量周期性加載和卸載)相似。由于模具材料多沖疲勞的斷裂壽命多在1000—5000次，通常裂紋疲勞源和裂紋擴(kuò)散區(qū)無明顯界限。

模具鋼疲勞與結(jié)構(gòu)鋼疲勞有很大差異。因?yàn)榇嘈圆牧掀�勞裂紋的萌生期占大部分壽命，多數(shù)情況裂紋萌生與擴(kuò)展難于區(qū)分。仔細(xì)分析疲勞微觀形態(tài)看出，裂紋萌生多在材料表面薄弱環(huán)節(jié)，如晶界、碳化物和應(yīng)力集中部位。實(shí)驗(yàn)表明，沖擊疲勞裂紋萌生約0.1mm微裂紋時(shí)壽命占總壽命的90％以上，從斷口上難觀察到結(jié)構(gòu)鋼穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)和疲勞條帶，裂紋一旦產(chǎn)生就快速失穩(wěn)擴(kuò)展。經(jīng)過噴丸強(qiáng)化處理的高速鋼，由于表面殘余壓應(yīng)力作用，使裂紋源位置轉(zhuǎn)移到次表面約0.2mm處(圖 2e)，改善材料表面應(yīng)力狀態(tài)是提高多沖疲勞抗力的有效途徑。多沖疲勞失效常見于重載模具如冷擠壓、冷鐓沖頭模具中。

 

國(guó)產(chǎn)模具鋼

 

2.3　Crl2鋼的表面開裂敏感性問題

高硬度材料表面開裂敏感性是一項(xiàng)反映材料表面失效抗力性能的指標(biāo)，表面裂紋是模具常出現(xiàn)的問題，傳統(tǒng)方法難于評(píng)價(jià)。對(duì)冷作模具鋼用維氏硬度試驗(yàn)法檢測(cè)表面開裂敏感性，是一種有效簡(jiǎn)便方法。

開裂檢測(cè)在布洛維硬度計(jì)上進(jìn)行，先將試樣細(xì)磨機(jī)械拋光，用4％硝酸酒精溶液侵蝕適，用一個(gè)相對(duì)面間夾角為136º的金剛石正四棱錐體壓頭，在一定載荷下壓入被測(cè)金屬表面(圖3a)。在顯微鏡下觀測(cè)壓痕正方形邊界形態(tài)變化。每個(gè)試樣測(cè)3-5點(diǎn)。受力分析表明，只有當(dāng)作用在邊界的應(yīng)力大于材料局部區(qū)域開裂的門檻值時(shí)，就可能出現(xiàn)裂紋，從而可以判斷該材料的表面開裂敏感性。圖3b，c為Crl2鋼的開裂敏感性試驗(yàn)結(jié)果和形貌。

2.4　高速鋼W6Mo5Cr4V2鋼的缺口敏感性問題

高速鋼模具結(jié)構(gòu)中不可避免存在宏觀、微觀應(yīng)力集中，高硬度材料的應(yīng)力集中對(duì)斷裂失效分析有重要研究和應(yīng)用意義。

W6Mo5Cr4V2 鋼缺口敏感性研究采用軸對(duì)稱缺口拉伸試樣。缺口應(yīng)力集中系數(shù)分別為4.5，3.8，3.2，2.4和1，W6Mo5Cr4V2鋼分別采用 1170℃，1190℃，1210℃和1230℃淬火560℃回火后的性能。圖5為W6Mo5Cr4V2鋼奧氏體溫度、缺口半徑與缺口斷裂韌度K1(r) 的關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)表明，W6Mo5Cr4V2鋼缺口斷裂韌度隨缺口半徑r1/2呈線性遞增關(guān)系：K1(r)=K1(r_o)+Y_r^1/2；淬火溫度上升，斷裂韌度K1(r_o)下降，K1(r)-r^1/2曲線斜率亦從Y=491下降到173。斜率變化不同表明，低溫斜率Y值高于高溫狀態(tài)，說明低溫淬火更有利于提高材料抗應(yīng)力集中的能力。

2.5 W6Mo5Cr4V2鋼的斷口分形維數(shù)與處理工藝的關(guān)系

在斷口掃描電鏡觀察的同時(shí)，使用SEM入射電子束沿?cái)嗫诒砻嬉欢ǚ较驋呙璧玫蕉�次電子線曲線圖。該曲線反映了斷口沿此方向的二次電子線強(qiáng)度變化。材料斷裂表面的不規(guī)則程度按統(tǒng)計(jì)意義上講可以用分形維數(shù)D(無量綱)來定量描述。圖5 W6Mo5Cr4V2鋼不同處理工藝的掃描斷口與二次電子線的對(duì)應(yīng)圖。

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了W6Mo5Cr4V2鋼不同工藝斷口分形維數(shù)和力學(xué)性能間關(guān)系，結(jié)果見表3。

由表3可知，隨著淬火溫度增加，W6Mo5Cr4V2鋼分維數(shù)D呈下降趨勢(shì)，即D值從1170時(shí)的1.165降到1230時(shí)的1.375，同時(shí)可以看出，隨著斷裂韌度K_1c和沖擊韌度A_k的增大材料的D值也增大。D值大小是表征斷口不平整程度大小的度量，D值大表明斷口表面不平度大，斷裂時(shí)消耗能大，通過斷口照片和二次電子線對(duì)應(yīng)比較可以說明這種對(duì)應(yīng)關(guān)系。

分析W6M₈5Cr4V2鋼分形維數(shù)D與HRC，晶粒尺寸d，彎曲強(qiáng)度的關(guān)系可知，隨著鋼彎曲強(qiáng)度δ_b的增加，D值增大，隨著硬度HRC增大，或晶粒尺寸d的增加，D值隨之減少小，淬火溫度提高，W6M₈5Cr4V2鋼的,δb晶粒尺寸d增大，硬度HRC增大，而韌性K_1c和A_k均減小，因此斷裂時(shí)的能耗和D值均減少。

3　冷模具材料的抗斷裂能力問題探討

用于評(píng)價(jià)失效抗力或承載能力的指標(biāo)：對(duì)于整體材料通常用σ_s,σ_b,σ_f,A_k，等。對(duì)于裂紋體(缺口)J_IC，K_IC，及缺口強(qiáng)度等。韌性斷裂的材料，這些指標(biāo)測(cè)得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比較穩(wěn)定，重現(xiàn)性好，能夠較好的反映了材料的失效抗力指標(biāo)。

對(duì)于脆性斷裂的材料，包括韌——脆混合斷裂的材料，其失效抗力的評(píng)價(jià)還很不完善。主要問題是這類材料的屈服與斷裂無明顯界限；材料性能測(cè)試數(shù)據(jù)分散性大，測(cè)定較困難，因而國(guó)內(nèi)外對(duì)此類材料的評(píng)價(jià)各不相同。綜上所說，作者認(rèn)為：

(1)脆性是與韌性相反定義的一項(xiàng)材料強(qiáng)度塑性指標(biāo)，評(píng)價(jià)材料脆性，采用強(qiáng)度一塑性綜合指標(biāo)為宜，用單一強(qiáng)度或塑性指標(biāo)尚不能完整表述脆性材料的屬性。

(2)材料的脆斷過程往往是從無宏觀裂紋——裂紋體形成——裂紋擴(kuò)展斷裂。所以評(píng)價(jià)材料脆性，應(yīng)分別考慮無宏觀斷裂紋體的材料脆性和有裂紋體的材料脆性兩種屬性。

(3)無宏觀裂紋體的脆性材料斷裂評(píng)價(jià)，用斷裂消耗能量評(píng)價(jià)，如拉伸、壓縮、彎曲等應(yīng)力一應(yīng)變的面積(或力一位移曲線下面積)，沖擊功等消耗的能量。表面的粗糙度和缺陷尺寸對(duì)此性能測(cè)量影響很大。

(4)有裂紋體的材料用斷裂韌性指標(biāo)評(píng)價(jià)：如K_IC  J_IC  G_IC等擴(kuò)展裂紋體消耗的能量，但是脆性材料的斷裂韌性值都很低，裂紋體尖端形狀和性能的均勻性對(duì)性能測(cè)量影響很大，常見材料的斷裂韌度分布圖圖6。經(jīng)過對(duì) W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓沖頭模具實(shí)際承載能力分析計(jì)算可知，脆性失效材料承受工作應(yīng)變能力是斷裂消耗能的上千倍，幾乎全部能量轉(zhuǎn)變?yōu)閿U(kuò)展動(dòng)能，使沖頭迅速爆裂。

材料強(qiáng)度和韌度雖然并非總是相互矛盾，但這種矛盾關(guān)系具有普遍l生。有關(guān)評(píng)價(jià)冷作模具材料抗脆性斷裂的性能問題有待進(jìn)一步探討。

根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在選擇模具材料和制定合理處理工藝方面，提出一些減少冷作模具早期失效的途徑。

(1)細(xì)化冷作模具鋼的碳化物的顆�；蚓Я３叽�，可提高材料強(qiáng)度和斷裂韌度，提高材料抗脆斷能力。

(2)提高模具表面質(zhì)量，由于脆性材料對(duì)表面缺陷特別敏感(缺口應(yīng)力集中)，采用拋光、磨光、表面強(qiáng)化等途徑均可提高抗脆斷能力。

(3)復(fù)相組織增韌增強(qiáng)，在材料中增加一種或數(shù)種增韌增強(qiáng)的彌散組織，可以起到吸收能量，阻礙裂紋擴(kuò)展的作用。例如增韌的ZrO₂，殘余奧氏體，相變硬化鋼等都能起到增韌效果。

(4)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，利用金屬，非金屬纖維材料的強(qiáng)韌性制備復(fù)合材料，提高抗斷裂強(qiáng)度。

(5)梯度材料，根據(jù)不同性能要求采用復(fù)合多層功能梯度材料，如用表面抗脆性能好的涂層材料來提高表面處理韌度等。

(6)采用不同加工工藝，熱處理工藝等，如脆斷失效減硬度(增強(qiáng)度)；變形失效增硬度(增強(qiáng)度)等。可以在一定范圍內(nèi)提高抗脆斷能力。

4  結(jié)論

(1)根據(jù)模具使用壽命和失效統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，提出一些冷作模具鋼材和性能選擇參數(shù)；

(2)分析了冷作模具鋼的幾種主要失效形式：過載失效，磨損失效和疲勞失效特征和形態(tài)等；提出典型冷作模具失效規(guī)律；探討模具失效，模具壽命及材料工藝之間的聯(lián)系；

(3)對(duì)高硬度模具鋼的表面開裂敏感性，缺口斷裂性能以及脆性斷裂機(jī)理進(jìn)行分析研究；

(4)強(qiáng)調(diào)正確選擇模具材質(zhì)和制定合理處理工藝重要性，提出一些減少脆斷的方法。