冷作模具失效原因分析

国内部分冷镦、冷冲、冷挤压模具失效情况调查分析，统计结果见表2-45。

表2-45 典型冷作模具失效类型统计结果 （%）

从表2-45可以看出，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模具和冷镦模具出现脆性开裂失效比例明显高于低工作应力的冷冲模。

在实际生产中冷作模具失效原因很多，除模具材料因素外，还与工作设备精度和状况、制件材质和表面质量、模具结构和加工精度、操作人员素质等诸多因素有关，其中一些随机因素给失效分析增加困难。

1.冷作模具的主要失效形式

冷作模具主要失效形式有过载失效、磨损失效和疲劳失效等。

（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，包括韧性不足和强度不足两类失效。其中对韧性不足出现的脆断失效应予以重视。

1）韧性不足的失效。由于在此类失效前没有宏观征兆以及断裂的突发性，所以是冷作模具失效中最危险的失效，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性不足，承受过大应力有关。根据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的能力是材料断裂消耗能的上千倍，说明了工作时冲头承受很高的潜在动能和低的断裂抗力。

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材料韧性。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。

2）强度不足失效。在冷镦、冷挤压冲头中材料的抗压、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，原因与工作载荷过大，模具硬度偏低有关。生产实践说明：冷镦冲头硬度<56HRC，冷挤冲头硬度<62HRC时易出现这类失效；同时说明材料强度不足，塑性有余，有韧性潜力可以发挥。

解决此类早期失效的经验方法是：脆断失效减硬度（增强度）；变形失效增硬度（增强度）。

（2）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（主要指模具刃口、冲头）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：(www.xing528.com)

1）正常磨损失效。对要求表面尺寸严格的冷冲压、冷挤压模具，在保证材料不脆断的前提下，模具寿命取决于表面抗磨损能力。模具工作部位与被加工材料之间的均匀摩擦损耗，使工作部位的形状和尺寸发生变化而引起的失效，通常模具使用寿命较长。如表面质量要求高的冲裁模、挤压模易产生此类失效。

2）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，即被加工材料“冷焊”到模具表面，或模具材料“冷焊”到被加工材料表面，引起被加工工件或模具材料的表面形状和尺寸发生突变出现的失效，引起被加工产品表面出现划痕。在拉深模、弯曲模及冷挤压模中易发生此类失效。

（3）疲劳失效（多冲疲劳失效） 冷作模具载荷一般是以一定冲击速度、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实验（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展区无明显界限。

模具钢疲劳与结构钢疲劳有很大差异。因为脆性材料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。仔细分析疲劳微观形态看出，裂纹萌生多在材料表面薄弱环节，如晶界、碳化物和应力集中部位。实验表明，冲击疲劳裂纹萌生约0.1mm微裂纹时寿命占总寿命的90%以上，从断口上难以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作用，使裂纹源位置转移到次表面约0.2mm处。

改善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、冷镦模具冲头。

2.采用不同材料制造模具时的模具寿命对比

表2-46列出不同材料模具寿命对比情况。

表2-46 不同材料模具的模具寿命对比

表2-47列出相同模具采用不同材料的模具寿命对比。

表2-47 新旧模具材料寿命对比