热处理工艺下冷作模具设计用钢的特征范文

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冷作模具多用于金属或者是非金属的冷成型，应具有较高的强度、刚性、硬度，另外还要拥有较好的耐磨性以及较高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。冷作模具在金属加工、塑料、仪器仪表以及通讯、家电、汽车制造等领域的模具产品中扮演非常重要的角色[1]。由以往的实际使用记录以及失效情况统计来看，模具的选材与工艺制定在很大程度上决定了模具的质量。本文重点讨论分析不同热处理工艺下冷作模具设计用钢的失效形态及特征。

1冷作模具材料以及性能要求

冷作模具是模具的一种，它包含冷挤压模、冷冲模、冷镦模、拉丝模、搓丝模和压印模等。对比热作模具来说，冷作模具的表面质量要求、尺寸精度高，工作载荷大，而且加工的批量较大，大多是最终产品。基于这种工况的要求，冷作模具多数采用高合金或高碳钢制作。冷作模具钢对硬度、韧度、强度、抗疲劳能力以及抗磨能力的要求较高，对一些会产生剧烈变形的模具对材料的抗断裂和变形能力要求会更高。为了给选择模具材料以及制定热处理工艺提供一些参考，根据以往的研究者的文章整理了部分冷作模具钢的典型热处理工艺以及力学性能，列于表1[3]。

2冷作模具失效问题分析

表2为国内冷挤压、冷冲、冷镦模具的失效情况统计结果。可以看出，磨损失效和过载失效是冷作模具的主要失效类型，大约占总数的80%以上。而冷冲模具的失效类型主要是正常磨损，冷挤压模具的主要失效类型是脆断或者正常磨损，而冷镦模具的主要失效类型是断裂或者非正常磨损。

2.1冷作模具钢的工作应力、硬度与寿命之间的关系经过统计调查知道，冷挤压模具承受的平均工作应力最大，约2500MPa，冷镦模具约1500MPa，而冷冲模具约是500MPa。另外，实际生产应用中还要承受10%~20%的随机载荷，局部应力会更大。冷作模具钢的工作寿命是受硬度等综合作用影响的。图1为不同W6Mo5Cr4V2钢冷挤压冲头失效类型的使用寿命与硬度。可以看出，A+B和C是两个低硬度和低寿命区域，在低寿命区，当硬度小于63HRC时失效以塑变为主，而当硬度大于64HRC时失效以脆断为主。另外早期失效还应分析材料以及其他因素影响。

2.2冷作模具的主要失效形式疲劳失效、磨损失效以及过载失效等是冷作模具的主要失效形式。图2为几种冷作模具钢的典型失效形态。过载失效包括强度不足（图2a）和韧度不足（图2b）两大类失效，其中更应重视的韧度不足导致的脆断失效，它在失效发生前没有显著的塑性变形，宏观断口也没有剪切唇，会导致模具的永久失效。解决这类失效的早期经验方法是变形失效增加硬度，脆断失效减少硬度。磨损失效包括正常磨损（图2c）与非正常磨损失效（图2d）两大类，正常磨损失效主要与模具表面的抗磨损能力有关，而非正常磨损失效容易发生在冷挤压模具以及拉伸、弯曲模具中。疲劳失效与多冲疲劳失效（图2e）类似，实验结果显示，其裂纹源在距表面约200μm处，而改善多冲疲劳抗力的有效方法是改善模具表面应力状态。

2.3冷作模具的抗断裂能力分析通常采用硬度、αK、σs、σb、σf等指标评价失效抗力或者承载能力，存在裂纹缺口的还有缺口强度、KIC和JIC等指标，主要是因为这些指标的重现性较好，通过实验测得的数据比较稳定，可以较好的反映材料的失效抗力。图3为常见工程材料的断裂韧度分布图。脆性失效时W6Mo5Cr4V2钢冷挤压冲头模具所承受的工作应变能是断裂消耗能的近千倍，基本上所有的能量都转变成扩展动能，致使冲头爆裂。在选取模具材料和制定合理的热处理工艺方面，能够减少冷作模具失效的途径主要有：细化冷作模具钢的晶粒、提高模具的表面质量、复相组织增韧增强、纤维增强、复合多层梯度材料，以及通过不同的加工、热处理工艺改善模具抗力。

3结论

在低寿命区，当硬度小于63HRC时冷作模具的失效以塑变为主，而当硬度大于64HRC时冷作模具的失效以脆断为主。疲劳失效、磨损失效以及过载失效等是冷作模具的主要失效形式。

作者：文学红 单位：佛山职业技术学院 机械工程院