作模具鋼失效分析中幾個(gè)問(wèn)題探討

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(wàn)余家，模具總產(chǎn)值超過(guò)450億元人民幣。在汽車(chē)、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(wèn)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(lèi)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(jiàn)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(wèn)題探討

通過(guò)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(lèi)型是過(guò)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(kāi)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(guò)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(lèi)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(shuō)明，壽命曲線(xiàn)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(guò)載失效、磨損失效和疲勞失效等，典型失效斷口形見(jiàn)圖2，下面分別討論。

2.2.1  過(guò)載失效

過(guò)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(lèi)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(lèi)失效前無(wú)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(lèi)失效也出現(xiàn)過(guò)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(kāi)裂，甚至產(chǎn)生爆裂，其特征是失效產(chǎn)生前無(wú)明顯塑性變形，宏觀斷口無(wú)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(guò)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(shuō)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(guò)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(lèi)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(kāi)發(fā)中容易產(chǎn)生此類(lèi)失效，原因工作載荷過(guò)大，模具硬度偏低有關(guān)。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)說(shuō)明，冷鐓沖頭硬度＜56HRC，冷擠沖頭硬度＜62HRC時(shí)易出現(xiàn)這類(lèi)失效；同時(shí)說(shuō)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(lèi)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(lèi)：

(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(lèi)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(wèn)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(lèi)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(wú)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(guò)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(jiàn)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(kāi)裂敏感性問(wèn)題

高硬度材料表面開(kāi)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(wèn)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(kāi)裂敏感性，是一種有效簡(jiǎn)便方法。

開(kāi)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(kāi)裂的門(mén)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(kāi)裂敏感性。圖3b，c為Crl2鋼的開(kāi)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(wèn)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(chēng)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(xiàn)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(xiàn)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(shuō)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(xiàn)曲線(xiàn)圖。該曲線(xiàn)反映了斷口沿此方向的二次電子線(xiàn)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(wú)量綱)來(lái)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(xiàn)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(jiàn)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(guò)斷口照片和二次電子線(xiàn)對(duì)應(yīng)比較可以說(shuō)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(wèn)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(wèn)題是這類(lèi)材料的屈服與斷裂無(wú)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(lèi)材料的評(píng)價(jià)各不相同。綜上所說(shuō)，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(guò)程往往是從無(wú)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(wú)宏觀斷裂紋體的材料脆性和有裂紋體的材料脆性?xún)煞N屬性。

(3)無(wú)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(xiàn)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(jiàn)材料的斷裂韌度分布圖圖6。經(jīng)過(guò)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(wèn)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叽纾�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(lái)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�？梢栽谝欢ǚ秶鷥�(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(guò)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(kāi)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。