摘

 要:分析冷作模具材料及性能要求和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。

 

　　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。

 

　　一、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、冷挤压和冷镦模具等。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、加工批量大,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

挤压和冷镦锻体成型模具

,因剧烈变形产生热量(约 300

℃),要求材料具有更高的抗变形和断

裂能力。

 

　　二、冷作模具失效分析中的一些问题探讨

 

　　通过对国内冷镦、冷冲、冷挤压模具失效情况调查分析

,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%。冷镦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

压和冷镦模具出现脆性开裂失效比例明显高于低工作应力冷冲模。

 

　　实际上冷作模具失效原因很多

,此模具材料因素外,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。

 

　　

(一)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 镦 模 具 约 1500MPa, 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。 

　　

(二)冷作模具主要的失效形态 

　　

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

在冷挤压和冷镦模具中容易出现

,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,说明了工作时冲头承

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

10?m/s。当模具结构存在应力集中,如六方冷镦冲头尾部过渡区