摘要：分析了冷作模具鋼失效的三種典型類型，即過載失效、磨損失效和疲勞失效的形態和特征；對比了幾種冷作模具鋼工藝和性能；重點探討了高硬度冷作模具鋼的表面開裂敏感性、缺口斷裂性能與工藝參數的關系，提出一些提高冷作模具斷裂抗力、減少模具早期失效的途徑。
 
關鍵詞：冷作模具鋼；失效分析；斷口形態：工藝和性能
 
模具是制造技術中的重要基礎工藝裝備，模具產品的質量不僅關系到生產制品的質量、性能，而且直接影響到制造成本和效率。我國模具生產廠點約2萬余家，模具總產值超過450億元人民幣。在汽車、家電、通訊和儀器儀表、塑料、金屬加工等行業的模具產品中，冷作模具占有相當市場。
 
根據以往冷作模具使用和失效情況統計，模具質量很大程度取決于模具選材和工藝制定，依據模具使用條件，正確選擇模具材質和制定合理的處理工藝對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的幾個問題。
 
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、表面質量要求高、加工批量大，多數為終產品。為適應這種工況要求，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度(包括抗拉，抗壓和抗彎強度)，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)；對于大載荷的冷擠壓和冷鐓鍛體成型模具，因劇烈變形產生熱量(約300℃)，要求材料具有更高的抗變形和斷裂能力。
 
根據文獻[3～8]整理的部分冷作模具鋼典型處理工藝及其力學性能表見表1，可以供選擇模具材料和制定處理工藝時參考。


2  冷作模具失效分析中的一些問題探討
通過對國內冷鐓、冷沖、冷擠壓模具失效情況調查分析，統計結果如表2所示。

從表2統計結果看，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。高工作應力，大波動應力的冷擠壓和冷鐓模具出現脆性開裂失效比例明顯高于低工作應力冷沖模。
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60HRC，疲勞斷裂的形態難于區分和統計有關。
實際上冷作模具失效原因很多，此模具材料因素外，還與工作設備精度和狀況，制品材質和表面質量，模具結構和加工精度，操作人員素質等多因素有關，其中一些隨機因素給失效分析增加困難。
2.1  冷作模具鋼工作應力，硬度和壽命的關系
測量統計結果表明，對于制品為鋼鐵材料，冷擠壓模具材料承受的平均工作應力約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力大。實際上還要承受10％—20％的隨機載荷，模具局部應力要超過上述應力。
冷作模具鋼工作硬度對壽命的影響是綜合作用的結果，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、使用壽命統計圖。

圖1所示W6Mo5Cr4V2鋼硬度與壽命關系說明，壽命曲線存在兩個低壽命區硬度區(即C和B區)，當小于63HRC時(塑變失效為主)或大于64HRC時(脆斷失效為主)的低壽命區。對于早期失效的冷作模具應當仔細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
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(包括隨機波動載荷)作用引起的失效，包括韌度不足和強度不足兩類失效。其中對韌度不足出現得脆斷失效應予以重視。
(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性，是冷作模具失效中危險的事故，以往因此類失效也出現過人身事故，給生產安全和經濟建設造成很大的損失。這種失穩態下的斷裂失效在冷擠壓和冷鐓模具中容易出現，如沖頭折斷、開裂，甚至產生爆裂，其特征是失效產生前無明顯塑性變形，宏觀斷口無剪切唇，且比較平坦，造成模具不可修復的永久失效。
產生這種失效與模具材料韌度不足，承受過高應力有關。對冷擠壓模具實際承載能力分析計算可知，沖頭失效前承受工作應變能力是材料斷裂消耗能的上千倍，說明了工作時沖頭承受高潛在動能和低的斷裂抗力。根據能量守恒原理，沖頭斷裂勢幾乎全部能量變為擴展動能，其擴展的極限速度可達10³m/s。當模具結構存在應力集中，如六方冷鐓沖頭尾部過渡區r≤1mm時，應力中集中系數Kt=2，冷擠壓沖頭臺階處r=3mm時，Kt=1.3，甚至機械加工刀痕、磨削粗痕跡等均可成為薄弱環節，產生失穩斷裂。
高碳、高合金的冷作模具鋼，使用狀態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、松弛應力．應變的能力低，一次碳化物的不均勻性分布又嚴重降低材料韌度。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。
(2)強度不足失效
在冷鐓、冷擠壓沖頭中材料抗壓、彎曲抗力不足，易出現鐓頭下凹、彎曲變形失效。在新產品開發中容易產生此類失效，原因工作載荷過大，模具硬度偏低有關。實際經驗說明，冷鐓沖頭硬度＜56HRC，冷擠沖頭硬度＜62HRC時易出現這類失效；同時說明材料強度不足，塑性有余，有韌度潛力可以發揮。
解決此類早期失效的經驗方法是：脆斷失效減硬度(增強度)；變形失效增硬度(增強度)。
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
對要求表面尺寸嚴格的冷沖壓，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)形狀和尺寸發生變化引起的失效。通常模具使用壽命較長，如表面質量要求高的沖載模、擠壓模易產生此類失效(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)，引起被加工產品(或模具材料)表面形狀和尺寸發生突變出現的失效，引起被加工產品表面質量出現劃痕的失效。在拉伸、彎曲模具及冷擠壓模具中易發生此類失效(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，這種狀態與小能量多沖疲勞實驗(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散區無明顯界限。
模具鋼疲勞與結構鋼疲勞有很大差異。因為脆性材料疲勞裂紋的萌生期占大部分壽命，多數情況裂紋萌生與擴展難于區分。仔細分析疲勞微觀形態看出，裂紋萌生多在材料表面薄弱環節，如晶界、碳化物和應力集中部位。實驗表明，沖擊疲勞裂紋萌生約0.1mm微裂紋時壽命占總壽命的90％以上，從斷口上難觀察到結構鋼穩態擴展區和疲勞條帶，裂紋一旦產生就快速失穩擴展。經過噴丸強化處理的高速鋼，由于表面殘余壓應力作用，使裂紋源位置轉移到次表面約0.2mm處(圖 2e)，改善材料表面應力狀態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。
 
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反映材料表面失效抗力性能的指標，表面裂紋是模具常出現的問題，傳統方法難于評價。對冷作模具鋼用維氏硬度試驗法檢測表面開裂敏感性，是一種有效簡便方法。
開裂檢測在布洛維硬度計上進行，先將試樣細磨機械拋光，用4％硝酸酒精溶液侵蝕適，用一個相對面間夾角為136º的金剛石正四棱錐體壓頭，在一定載荷下壓入被測金屬表面(圖3a)。在顯微鏡下觀測壓痕正方形邊界形態變化。每個試樣測3-5點。受力分析表明，只有當作用在邊界的應力大于材料局部區域開裂的門檻值時，就可能出現裂紋，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結果和形貌。

2.4　高速鋼W6Mo5Cr4V2鋼的缺口敏感性問題
高速鋼模具結構中不可避免存在宏觀、微觀應力集中，高硬度材料的應力集中對斷裂失效分析有重要研究和應用意義。
W6Mo5Cr4V2 鋼缺口敏感性研究采用軸對稱缺口拉伸試樣。缺口應力集中系數分別為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) 的關系。
實驗表明，W6Mo5Cr4V2鋼缺口斷裂韌度隨缺口半徑r1/2呈線性遞增關系：K1(r)=K1(ro)+Yr1/2；淬火溫度上升，斷裂韌度K1(ro)下降，K1(r)-r1/2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，說明低溫淬火更有利于提高材料抗應力集中的能力。

2.5 W6Mo5Cr4V2鋼的斷口分形維數與處理工藝的關系
在斷口掃描電鏡觀察的同時，使用SEM入射電子束沿斷口表面一定方向掃描得到二次電子線曲線圖。該曲線反映了斷口沿此方向的二次電子線強度變化。材料斷裂表面的不規則程度按統計意義上講可以用分形維數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應圖。


實驗測量了W6Mo5Cr4V2鋼不同工藝斷口分形維數和力學性能間關系，結果見表3。

由表3可知，隨著淬火溫度增加，W6Mo5Cr4V2鋼分維數D呈下降趨勢，即D值從1170時的1.165降到1230時的1.375，同時可以看出，隨著斷裂韌度K1c和沖擊韌度Ak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，斷裂時消耗能大，通過斷口照片和二次電子線對應比較可以說明這種對應關系。
分析W6M85Cr4V2鋼分形維數D與HRC，晶粒尺寸d，彎曲強度的關系可知，隨著鋼彎曲強度δb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K1c和Ak均減小，因此斷裂時的能耗和D值均減少。
3　冷模具材料的抗斷裂能力問題探討
用于評價失效抗力或承載能力的指標：對于整體材料通常用σs,σb,σf,Ak，等。對于裂紋體(缺口)JIC，KIC，及缺口強度等。韌性斷裂的材料，這些指標測得的實驗數據相對比較穩定，重現性好，能夠較好的反映了材料的失效抗力指標。
對于脆性斷裂的材料，包括韌——脆混合斷裂的材料，其失效抗力的評價還很不完善。主要問題是這類材料的屈服與斷裂無明顯界限；材料性能測試數據分散性大，測定較困難，因而國內外對此類材料的評價各不相同。綜上所說，作者認為：
(1)脆性是與韌性相反定義的一項材料強度塑性指標，評價材料脆性，采用強度一塑性綜合指標為宜，用單一強度或塑性指標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——裂紋擴展斷裂。所以評價材料脆性，應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價，用斷裂消耗能量評價，如拉伸、壓縮、彎曲等應力一應變的面積(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此性能測量影響很大。
(4)有裂紋體的材料用斷裂韌性指標評價：如KIC  JIC  GIC等擴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性能測量影響很大，常見材料的斷裂韌度分布圖圖6。經過對 W6Mo5Cr4V2鋼冷擠壓沖頭模具實際承載能力分析計算可知，脆性失效材料承受工作應變能力是斷裂消耗能的上千倍，幾乎全部能量轉變為擴展動能，使沖頭迅速爆裂。

材料強度和韌度雖然并非總是相互矛盾，但這種矛盾關系具有普遍l生。有關評價冷作模具材料抗脆性斷裂的性能問題有待進一步探討。
根據實踐經驗，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)細化冷作模具鋼的碳化物的顆粒或晶粒尺寸，可提高材料強度和斷裂韌度，提高材料抗脆斷能力。
(2)提高模具表面質量，由于脆性材料對表面缺陷特別敏感(缺口應力集中)，采用拋光、磨光、表面強化等途徑均可提高抗脆斷能力。
(3)復相組織增韌增強，在材料中增加一種或數種增韌增強的彌散組織，可以起到吸收能量，阻礙裂紋擴展的作用。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)纖維增強復合材料，利用金屬，非金屬纖維材料的強韌性制備復合材料，提高抗斷裂強度。
(5)梯度材料，根據不同性能要求采用復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(增強度)；變形失效增硬度(增強度)等。可以在一定范圍內提高抗脆斷能力。
4  結論
(1)根據模具使用壽命和失效統計分析結果，提出一些冷作模具鋼材和性能選擇參數；
(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等；提出典型冷作模具失效規律；探討模具失效，模具壽命及材料工藝之間的聯系；
(3)對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理進行分析研究；
(4)強調正確選擇模具材質和制定合理處理工藝重要性，提出一些減少脆斷的方法。
 


 
 

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