典型冷作模具钢性能与失效关系的探讨

陈再良,陈蕴博,佟晓辉,吕东显(北京机电研究所,北京　100083)

摘  要:通过对比几种典型冷作模具钢的处理工艺及其力学性能,综合分析了该类模具钢失效的3种类型,即过载失效、磨损失效和疲劳失效的形态和特征;重点探讨了高硬度冷作模具钢的表面开裂敏感性、缺口断裂性能和断口分形维数与工艺参数的关系,提出一些提高冷作模具断裂抗力、减少模具早期失效的途径。

关键词:工艺和力学性能;冷作模具钢;失效分析;断口形态

　  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和性能,而且直接影响到制造成本和效率。我国模具生产厂家约2万余家,模具总产值超过450亿元人民币[1]。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[2]。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钢性能和失效有关的几个问题。

1　冷作模具材料及性能要求

冷作模具主要用于金属或非金属材料的冷成形,包括冷冲压、冷挤压和冷镦等。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)、韧度、硬度、抗磨能力(特别是表面抗磨损能力)及抗疲劳能力(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。

根据文献[3～8]整理的部分冷作模具钢典型处理工艺及其力学性能见表1,可以供选择模具材料和制定处理工艺时参考。

2　冷作模具失效问题探讨

通过对国内冷镦、冷冲、冷挤压模具失效情况调查分析,统计结果如表2所示。从表2统计结果看,冷作模具主要失效类型是过载失效和磨损失效,约占失效总数的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的比例明显高于低工作应力的冷冲模具。

表2中收集的疲劳断裂失效比例较少,这与冷作模具材料多采用高碳、高合金钢,硬度达60HRC,疲劳断裂的形态难于区分和统计有关。实际上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了困难。

2.1　冷作模具钢工作应力、硬度和寿命的关系

统计结果表明,对于制品为钢铁材料,冷挤压模具承受的平均工作应力约2500MPa,使用硬度62～64HRC;冷镦模具承受的平均工作应力约1500MPa,使用硬度58～62HRC;冷冲模具承受的平均工作应力约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。

冷作模具钢工作硬度对寿命的影响是综合作用的结果。图1所示为冷挤压用W6Mo5Cr4V2钢冲头(挤压20Cr钢)工作硬度与失效类型、使用寿命时统计图[7]。

图1　W6Mo5Cr4V2钢冷挤压冲头硬度与失效类型、使用寿命统计图

A—塑变失效区　B—塑变+脆断混合区　C—脆断失效区

D—脆断+磨损混合区　E—磨损失效区

　　图1所示W6Mo5Cr4V2钢硬度与寿命关系说明,寿命曲线存在两个低寿命的硬度区(即图1中C和A+B区),当硬度低于63HRC时(塑变失效为主)或高于64HRC时(脆断失效为主)的低寿命区。对于早期失效的冷作模具应当仔细分析材料因素和其他因素的影响。

2.2　冷作模具主要的失效形态

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,其典型的失效形态见图2,下面分别讨论。

2.2.1　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(包括约10%的随机波动载荷)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的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,以往因此类失效曾出现过人身事故,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2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。

(2)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<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。

2.2.2　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(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:

(1)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(刃口、冲头)形状和尺寸发生变化引起的失效。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(图2c)。

(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,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),引起被加工产品(或模具材料)表面形状和尺寸发生突变,或在被加工产品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(图2d)。

2.2.3　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。

模具钢的疲劳性能与特征与结构钢有很大差异。因为脆性材料疲劳裂纹的萌生期占大部分寿命,多数情况裂纹萌生与扩展难于区分。仔细分析疲劳条纹微观形态看出,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。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作用,使裂纹源位置转移到次表面约0.2mm处(图2e),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、冷镦冲头模具中。

图2　几种冷作模具钢的典型失效形态

(a)Cr12MoV钢脆性断裂　(b)Cr12MoV钢弯曲断口(A为源区)　(c)W6Mo5Cr4V2钢正常磨损　

(d)W6Mo5Cr4V2钢冲头端部非正常磨损 

 (e)W6Mo5Cr4V2钢表面喷丸后多冲疲劳断口(3.7J,11.34万次),中心暗区A为源区,距表面约250μm　×200 

(f)一种冷冲模具的实际疲劳断口

2.3　Cr12钢的表面开裂敏感性问题

高硬度材料表面开裂敏感性是一项反映材料表面失效抗力性能的指标,表面裂纹是模具常出现的问题,传统方法难于评价。对冷作模具钢用维氏硬度试验法检测表面开裂敏感性,是一种有效简便的方法[9]。开裂检测在布洛维硬度计上进行,先将试样细磨机械抛光,用4%硝酸酒精溶液侵蚀后,用一个相对面间夹角为136°的金刚石正四棱锥体压头,在一定载荷下压入被测金属表面。在显微镜下观测压痕正方形边界形态变化。每个试样测3～5点。受力分析表明,只有当作用在边界的应力大于材料局部区域开裂的门槛值时,就可能出现裂纹,从而可以判断该材料的表面开裂敏感性。

2.4　高速钢W6Mo5Cr4V2钢的缺口敏感性问题

高速钢模具中不可避免地存在宏观、微观应力集中,研究高硬度材料的应力集中对断裂失效分析有重要意义。

W6Mo5Cr4V2钢缺口敏感性研究采用轴对称缺口拉伸试样,缺口应力集中系数分别为4.5、3.8、3.2、2.4和1.0,试样分别经过1170℃、1190℃、1210℃和1230℃淬火及560℃回火。图3为不同奥氏体化温度下试样缺口半径与缺口断裂韧度KI(r)的关系[10]。试验表明,W6Mo5Cr4V2钢缺口断裂韧度随缺口半径r1/2呈线性递增关系:KI(r)=KI(ro)+Y·r1/2;淬火温度上升,断裂韧度KI(ro)下降,KI(r)-r1/2曲线斜率亦从Y=491下降到173。斜率变化不同表明,低温斜率Y值高于高温状态,说明低温淬火更有利于提高材料抗应力集中的能力。

图3　W6Mo5Cr4V2钢试样淬火温度(560℃回火)、缺口半径r与缺口断裂韧度KI(r)的关系

2.5　W6Mo5Cr4V2钢的断口分形维数D与处理工艺的关系

断口经扫描电镜观察,并使用SEM入射电子束沿断口表面一定方向扫描得到二次电子线曲线图。该曲线反映了断口沿此方向的二次电子线强度变化。材料断裂表面的不规则程度按统计意义上讲可以用分形维数D(无量纲)来定量描述。D值大小是表征断口不平整程度大小的度量,D值大表明断口表面不平度大,断裂时消耗能大,通过断口照片和二次电子线对应比较可以说明这种对应关系。图4为W6Mo5Cr4V2钢不同处理工艺的扫描断口与二次电子线的对应图[11]。

图4　W6Mo5Cr4V2钢不同处理工艺的扫描断口与二次电子线的对应图

(a)1170℃淬火　(b)1210℃淬火　(c)1230℃淬火

　　试验测量了W6Mo5Cr4V2钢不同工艺断口分形维数D和力学性能间关系,结果见表3[11]。由表3可知,随着淬火温度增加,W6Mo5Cr4V2钢分形维数D呈下降趋势,即D值从1170℃时的1.615降到1230℃时的1.375,同时可以看出,随着断裂韧度KIC和冲击韧度αK的增加,材料的D值也增大。分析W6Mo5Cr4V2钢分形维数D与硬度(HRC)、晶粒尺寸d及弯曲强度的关系可知,随着钢的弯曲强度的增加,D值增大;随着硬度HRC值增大,或晶粒尺寸d的增加,D值随之减小;淬火温度提高,W6Mo5Cr4V2钢的晶粒尺寸d增大,硬度HRC值增大,而韧性KIC和αK均减小,因此断裂时的能耗和D值均减少。

3　冷模具材料的抗断裂能力问题探讨

用于评价失效抗力或承载能力的指标:对于整体材料通常用σs、σb、σf、αK、硬度(HRC)等。对于裂纹体(缺口)有JIC、KIC及缺口强度等。对韧性断裂的材料,这些指标测得的试验数据相对比较稳定,重现性好,能够较好地反映材料的失效抗力指标。

对于脆性断裂的材料,包括韧-脆混合断裂的材料,其失效抗力的评价还很不完善。主要问题是这类材料的屈服与断裂无明显界限;材料性能测试数据分散性大,测定较困难,因而国内外对此类材料的评价各不相同。综上所说,作者认为:①脆性是与韧性相反定义的一项材料强度塑性指标,评价材料脆性,采用强度2塑性综合指标为宜,用单一强度或塑性指标尚不能完整表述脆性材料的属性。②材料的脆断过程往往是从无宏观裂纹→裂纹体形成→裂纹扩展断裂。所以评价材料脆性,应分别考虑无宏观断裂纹体的材料脆性和有裂纹体的材料脆性两种属性。③无宏观裂纹体的脆性材料断裂评价,用断裂消耗能量评价,如拉伸、压缩、弯曲等应力2应变的面积(或力2位移曲线下面积),冲击功等消耗的能量。表面的粗糙度和缺陷尺寸对此性能测量影响很大。④有裂纹体的材料用断裂韧性指标评价:如KIC、JIC、GIC等扩展裂纹体消耗的能量,但是脆性材料的断裂韧性值都很低,裂纹体尖端形状和性能的均匀性对性能测量影响很大,常见工程材料的断裂韧度分布见图5。经过对W6Mo5Cr4V2钢冷挤压冲头模具实际承载能力分析计算可知,脆性失效材料承受工作应变能力是断裂消耗能的上千倍,几乎全部能量转变为扩展动能,使冲头迅速爆裂。

图5　常见工程材料的断裂韧度分布图

材料强度和韧度虽然并非总是相互矛盾,但这种矛盾关系具有普遍性。有关评价冷作模具材料抗脆性断裂的性能问题有待进一步探讨。

根据实践经验,在选择模具材料和制定合理处理工艺方面,提出一些减少冷作模具早期失效的途径。①细化冷作模具钢的碳化物的颗粒或晶粒尺寸,可提高材料强度和断裂韧度,提高材料抗脆断能力。②提高模具表面质量,由于脆性材料对表面缺陷特别敏感(缺口应力集中),采用抛光、磨光、表面强化等途径均可提高抗脆断能力。③复相组织增韧增强,在材料中增加一种或数种增韧增强的弥散组织,可以起到吸收能量,阻碍裂纹扩展的作用,例如ZrO2材料中的增韧相、钢中的残留奥氏体等都能起到增韧效果。④纤维增强复合材料,利用金属和非金属纤维材料的强韧性配合制备复合材料,提高抗断裂强度。⑤梯度材料,根据不同性能要求采用复合多层功能梯度材料,如用表面抗脆性能好的涂层材料来提高表面韧度等。⑥采用不同加工工艺,热处理工艺等,如脆断失效减硬度;变形失效增硬度等,可以在一定范围内提高抗脆断能力。

4　结论

(1)根据模具使用寿命和失效统计分析结果,提出一些冷作模具钢材和性能选择参数。

(2)分析了冷作模具钢的几种主要失效形式,过载失效、磨损失效和疲劳失效特征和形态等,提出典型冷作模具失效规律,探讨模具失效、模具寿命及材料工艺之间的联系。

(3)对高硬度模具钢的表面开裂敏感性、缺口断裂性能以及脆性断裂机理进行分析研究。

(4)强调正确选择模具材质和制定合理处理工艺的重要性,提出一些减少脆断的方法。