作模具钢失效分析中几个问题探讨（终稿）.doc

作模具钢失效分析中几个问题探讨来源：开关柜无线测温http://www. testeck. com摘要：分析了冷作模具钢失效的三种典型类型，即过载失效、 磨损失效和疲劳失效的形态和特征；对比了几种冷作模具钢工 艺和性能；重点探讨了高硬度冷作模具钢的表而开裂敏感性、 缺口断裂性能与工艺参数的关系，提出一些提高冷作模具断裂 抗力、减少模具早期失效的途径关键词：冷作模具钢；失效分析；断口形态：工艺和性能模具是制造技术中的重要基础工艺装备，模具产品的质量不仅 关系到生产制品的质量、性能，而且直接影响到制造成本和效 率我国模具生产厂点约2万余家，模具总产值超过450亿元人 民币在汽车、家电、通讯和仪器仪表、塑料、金属加工等行 业的模具产品中，冷作模具占有相当市场根据以往冷作模具使用和失效情况统计，模具质量很大程度取 决于模具选材和工艺制定，依据模具使用条件，正确选择模具 材质和制定合理的处理工艺对减少冷作模具早期失效非常重 要这里主要探讨与冷作模具失效分析有关的几个问题1冷作模具材料及性能要求冷作模具主要完成金属或非金属材料的冷成形，包括冷冲压、 冷挤压和冷徹模具等与热作模具相比，这类模具工作载荷大、 尺寸精度、表面质量要求高、加丁批量大，多数为最终产品。

为适应这种工况要求，多采用高碳或高合金钢制作冷作模具， 工作硬度为58-60HRC通常选用的冷作模具钢要求有足够的强度（包括抗拉,抗压和抗 弯强度），足够的韧度，足够的硬度和抗磨能力（特别是表面）， 足够的抗疲劳能力（特别是多冲疲劳性能）；对于大载荷的冷挤 压和冷徹锻体成型模具，因剧烈变形产生热量（约300°C）,要求 材料具有更高的抗变形和断裂能力根据文献［3〜8］整理的部分冷作模具钢典型处理工艺及其力学 性能表见表1,可以供选择模具材料和制定处理工艺时参考表1部分冷作模具钢处理工艺和其力学性能Table 1 Treatment processes and mechanical properties of some cold working die st eels材料和典型处理工艺抗压屈服强度 /MPa扰弯屈股(««)强度/MPa挠度/mm冲击韧度/(Jem2)斯裂切度 kgmm"(MPan 严)HRC备 注W6Mo5Cr4V21190-1210*C+560X：-30007000(4300)~2・4~55(76)62-64冷挤，冲头楔具Crl2MoV10209+200*0-2400-2500~2・3~12-24.160-62冷冲.冷傲模具— Crl295S980*C+200C-2600-1900~1・760-62冷冲，拉延模具CrWMn840*0+2009-2300-1700~2・3~2.260-62冷冲，拉延模具860-880*C+2001C塑料模具6CrNiSiMnMoV (GD)900*C+200t-2200-3000(3700)~5〜90(-21)60-62冷冲，冷挤模具9Cr6W3Mo2V (GM)1120X?+540*C-3000〜36007.8〜22(-20.2)62-64冷冲，切边模具5Cr4Mo2W2VSi(VascaMA)1100-1200*0+510-5601：-2400~3500~2・5〜1861冷锹，热挤模具2冷作模具失效分析中的一些问题探讨通过对国内冷徹、冷冲、冷挤压模具失效情况调查分析，统计 结果如表2所示。

表2典型冷作模具失效类型统计结果（％）Table 2 Statistical data of failure types for cold working dies失效类型过载失效磨损失效疲劳失效其它失效断裂变形正常磨损非正常磨损冷傲六方冲头455—35105冷挤压冲头5053010 1, <5<5复式冷冲模15•—805—从表2统计结果看，冷作模具主要失效类型是过载失效和磨损失 效,约占失效总数80%-90%冷徹模具以裂断或非正常磨损（局 部脱落）为主，冷挤压模具以脆断或磨损失效为主，而冷冲模具 以磨损失效为主高工作应力，大波动应力的冷挤压和冷徹模 具出现脆性开裂失效比例明显高于低工作应力冷冲模表2中收集的疲劳断裂失效比例较少，这与冷作模具材料多采用 高碳、高合金钢，硬度高达60HRC,疲劳断裂的形态难于区分和 统计有关实际上冷作模具失效原因很多，此模具材料因索外，还与工作 设备精度和状况，制品材质和表面质量，模具结构和加工精度, 操作人员素质等多因素有关，其中一些随机因素给失效分析增 加困难2. 1冷作模具钢工作应力，硬度和寿命的关系测量统计结果表明，对于制品为钢铁材料，冷挤压模具材料承 受的平均工作应力约2500MPa,使用硬度62-64HRC,冷徹模具约 1500MP&,使用硬度58-62HRC,冷冲模具约500MPa,使用硬度 60-62HRC,其中以冷挤压模具应力最大。

实际上还要承受10% —20%的随机载荷，模具局部应力要超过上述应力冷作模具钢工作硬度对寿命的影响是综合作用的结果，图1所示 为冷挤压W6Mo5Cr4V2钢冲头（挤压20Cr钢）工作硬度与失效类 型、使用寿命统计图A—塑变失效区.B-塑变+脆断混合区.C-脆断失效区，D-B6断+磨损混合区，E-磨损失效区Fig 1 Hardness, failure types and service life for cold extrusion punch of W6Mo5Cr4V2 steel图1所示W6Mo5Cr4V2钢硬度与寿命关系说明，寿命曲线存在两 个低寿命区硬度区（即C和B区），当小于63HRC时（塑变失效为 主）或大于64IIRC时（脆断失效为主）的低寿命区对于早期失效 的冷作模具应当仔细分析材料因素和其他因素的影响2.2冷作模具主要的失效形态冷作模具主要失效形式有过载失效、磨损失效和疲劳失效等， 典型失效断口形见图2,下面分别讨论re 2几忡冷作艮只先效負或樁态(a)CrlZMoV^M性断裂X3000i (b)Cr!2MoV 口 S为»«>X50;(c) W6Mo5Cr4V2钢正滋磨损形态；(d) W6Mo5Cr4V2钢冲头端部非正常喷损形态X25O; (e) W6Mo5Cr4V2钢茨面喷 丸后冲击疲劳断口形态(38kgcm,11.34万次〉中心時区为源区，距茨面的250pm,X200; (f)冷冲模具实际疲劳斯口 形杰X25Fig 2 SEM micrographs showing the fracture surface of cold working dies (a) Crl2MoVshccl X3000； (b) Crl2MoV steel X50; (c) W6Mo5Cr4V2 steel; (d) W6Mo5Cr4V2 steel X250; (e) W6Mo5Cr4V2stecl X200; (f) fatigue fracture dieX252.2. 1过载失效过载失效系指材料本身承载能力不足以抵抗工作载荷(包括随 机波动载荷)作用引起的失效，包括韧度不足和强度不足两类失 效。

其中对韧度不足出现得脆断失效应予以重视1)材料韧度不足的失效由于此类失效前无宏观征兆和断裂突发性，是冷作模具失效中 最危险的事故，以往因此类失效也出现过人身事故，给生产安 全和经济建设造成很大的损失这种失稳态下的断裂失效在冷 挤压和冷徹模具中容易出现，如冲头折断、开裂，甚至产生爆 裂其特征是失效产生前无明显塑性变形，宏观断口无剪切唇, 且比较平坦，造成模具不可修复的永久失效产生这种失效与模具材料韧度不足，承受过高应力有关对冷 挤压模具实际承载能力分析计算可知，冲头失效前承受工作应 变能力是材料断裂消耗能的上千倍，说明了T作时冲头承受高 潜在动能和低的断裂抗力根据能量守恒原理，冲头断裂势几 乎全部能量变为扩展动能，其扩展的极限速度可达103m/so当模具结构存在应力集中，如六方冷徹冲头尾部过渡区r^lmm 时，应力中集中系数Kt=2,冷挤压冲头台阶处r=3mm时,Kt=1.3, 甚至机械加工刀痕、磨削粗痕迹等均可成为薄弱环节，产生失 稳断裂高碳、高合金的冷作模具钢，使用状态为回火马氏体和二次析 出相，含有较多一次剩余碳化物，材料硬度高，基体吸收能量、 松弛应力.应变的能力低，一次碳化物的不均匀性分布又严重 降低材料韧度。

因此这类失效断口看不到宏观变形，微观变形 的尺寸大致与碳化物间距相当2）强度不足失效在冷徹、冷挤压冲头中材料抗压、弯劇抗力不足，易出现徹头 下凹、弯曲变形失效在新产品开发中容易产生此类失效，原 因工作载荷过人，模具硬度偏低有关实际经验说明，冷徵冲 头硬度V56HRC,冷挤冲头硬度V62HRC时易出现这类失效；同 时说明材料强度不足，塑性有余，有韧度潜力可以发挥 解决此类早期失效的经验方法是：脆断失效减破度（增强度）； 变形失效增硬度（增强度）2. 2. 2磨损失效磨损失效是指模具工作部位与被加工材料之间的摩擦损耗，使 工作部位（刃口、冲头）形状和尺寸发生变化引起的失效它又 包括正常磨损失效和非正常磨损失效两类：（1） 正常磨损失效对要求表面尺寸严格的冷冲压，冷挤压模具，在保证材料不断 前提下，模具寿命取决于表面抗磨损能力模具工作部位与被 加工材料之间的均匀摩擦损耗，使工作部位（刃口、再头）形状 和尺寸发生变化引起的失效通常模具使用寿命较长，如表面 质量要求高的冲载模、挤压模易产纶此类失效（图2c）2） 非正常磨损失效在局部高压力作用下模具工作部位与被加工材料问发生咬合一 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）,引起被加工产品（或模具材料）表面形状和尺寸发生突 变出现的失效，引起被加工产品表面质量出现划痕的失效。

在 拉伸、弯曲模具及冷挤压模具中易发生此类失效（图2d）2. 2. 3疲劳失效（多冲疲劳失效）冷作模具载荷都是以一定冲击速度、一定能量作用下周期性施 加的，这种状态与小能量多冲疲劳实验（以一定能量周期性加载 和卸载）相似由于模具材料多冲疲劳的断裂寿命多在1000— 5000次，通常裂纹疲劳源和裂纹扩散区无明显界限模具钢疲劳与结构钢疲劳有很人滓异因为脆性材料疲劳裂纹 的萌生期占大部分寿命，多数情况裂纹萌生与扩展难于区分 仔细分析疲劳微观形态看出，裂纹萌生多在材料表而薄弱环节, 如晶界、碳化物和应力集中部位实验表明，冲击疲劳裂纹萌 生约0. 1mm微裂纹时寿命占总寿命的90%以上，从断口上难观 察到结构钢稳态扩展区和疲劳条带，裂纹一旦产生就快速失稳 扩展经过喷丸强化处理的高速钢，由于表面残余压应力作用, 使裂纹源位置转移到次表面约0.2mm处（图2e）,改善材料表面 应力状态是提高多冲疲劳抗力的有效途径多冲疲劳失效常见 于重载模具如冷挤压、冷徹冲头模具中国产模具钢2. 3 Crl2钢的表面开裂敏感性问题高硬度材料表面开裂敏感性是一项反映材料表面失效抗力性能 的指标，表面裂纹是模具常出现的问题，传统方法难于评价。

对冷作模具钢用维氏硬度试验法检测表面开裂敏。