冷作模具钢材主要磨损及失效

1.冷作模具的过载失效

过载失效指模具钢材本身承载能力不足以抵抗工作载荷（包括约10%的随机波动载荷）作用引起的失效，包括模具钢材韧度不足和强度不足两类失效。对模具钢材韧度不足出现的脆断失效应予以重视。

⑴模具钢材韧度不足失效。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，此类失效增出现过人身事故，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、甚至发生爆裂，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。

这种失效与模具钢材韧度不足、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，冲头失效前承受的工作应变能力是模具钢材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，冲头断裂势能大部分转变为扩展动能，其扩展的极限速度可达103m/s。当模具结构存在应力集中，如六方冷镦冲头尾部过渡区r≤1mm时，应力集中系数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了材料韧度。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。

⑵强度不足失效。在冷镦、冷挤压冲头中，材料抗压、弯曲抗力不足，易出现镦头下凹、弯曲变形失效。在新产品开发中容易产生此类失效，这与工作载荷过大，模具硬度偏低有关。实际经验表明，黑色金属冷镦冲头硬度小于HRC56、冷挤压冲头硬度小于HRC62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。

解决此类模具早期失效的经验方法是脆断失效减硬度，变形失效增硬度。

2、冷作模具的磨损失效

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）的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。

⑴正常磨损失效。对表面尺寸要求严格的冷冲压、冷挤压模具，在保证材料不断裂的前提高下，模具寿命取决于表面抗磨损能力。通常模具使用寿命较长，表面质量要求高的冲裁模、挤压模易产生引类失效。

⑵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间发生咬合，被加工材料“冷焊”到模具表面（或模具钢材“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，或在被加工产口表面出现严重划痕等导致失效。在拉伸、弯曲模具及冷挤压模具中易发生此类失效。

3、冷作模具的疲劳失效（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试验（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。

模具钢材的疲劳性能和特征与结构钢有很大差异。因为脆性模具钢材疲劳裂纹的萌生期占大部分寿命，多数情况下，裂纹萌生与扩展难于区分。仔细分析疲劳条纹微观形态可以看出，裂纹萌生多在材料表面的薄弱环节，如晶界、碳化物和应力集中部位。试验表明，冲击疲劳裂纹萌生约200μm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的作用，使裂纹源位置转移到次表面约0.2mm处，改善模具钢材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、冷镦冲头模具中。

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