冷作模具的失效特征及冷作模具鋼選擇技巧

    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。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。
㈠冷作模具鋼及性能要求
   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，多數為最終產品。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。
㈡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，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。
   實際上冷作模具失效原因很多，除此模具材料因素外，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，冷擠壓模具鋼材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最大。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。
㈢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。
⒈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，是冷作模具失效中最危險的事故，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)。
⒉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。
(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。
⒊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。模具鋼材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，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。
㈣實例分析：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。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。
資料來源：東莞市弘超模具科技有限公司技術中心
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