圖1：影響冷作鋼模具壽命的因素
模具鋼材料
◆ 選擇冷作模具鋼的基本原則
在選擇冷作鋼時(shí)，首先考慮的兩個(gè)基本機(jī)械性能是硬度與韌性。硬度（或強(qiáng)度）確保模具的切削刃口足以切下加工的材料，同時(shí)韌性保證模具在工作時(shí)不會(huì)發(fā)生崩角或開裂。理想狀態(tài)是，高硬度和高韌性的結(jié)合。然而，由于冷作模具鋼的高合金成分使得硬度增加時(shí)，韌性卻急劇降低。
表1列出了當(dāng)前ASSAB銷售的冷作模具鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分。Vanadis 4、ASP 23 和Vanadis l0都是粉末冶金高合金模具鋼。
表1 當(dāng)前ASSAB銷售的冷作模具鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分
圖2列出了粉末冶金鋼和常規(guī)模具鋼AISI O1，D2，D3的韌性比較。可以看到，與常規(guī)模具鋼相比，粉末冶金鋼在縱向和橫向的韌性變化很少。粉末冶金鋼顯示出比常規(guī)模具鋼更高的韌性，也預(yù)示著粉末冶金鋼能在更高的硬度下使用。
圖2：粉末冶金鋼與常規(guī)模具鋼的韌性比較
粉末冶金鋼具有更高的韌性和更好的各向同性性能的原因是其獨(dú)特的鋼材制作方法。粉末冶金模具鋼由金屬粉末制造，確保成型時(shí)碳化物分布均勻、細(xì)小、且大小均勻。圖3是Vanadis 4的顯微組織。可以看到它有細(xì)化的組織和小顆粒的碳化物。
圖3：VANADIS 4硬化態(tài)的顯微組織
常規(guī)模具鋼的制造方法是液態(tài)金屬在鋼錠模中冷卻而導(dǎo)致嚴(yán)重的網(wǎng)狀碳化物偏析。網(wǎng)狀碳化物僅在隨后的鍛造或軋制過程中被打碎成較小的尺寸。這些加工使得在軋制方向和橫向上的韌性產(chǎn)生更大變化，與粉末冶金鋼相比，韌性也更低。
◆ 模具失效機(jī)制和模具磨損
冷作模常見的失效情況有：磨損、崩角、變形、開裂和咬合。
很容易理解在沖頭和模具之間經(jīng)過多次沖切后，沖頭和模具的切削刃口會(huì)被倒圓，稱為磨損。通常被沖切出的材料有多余毛刺，這是模具磨損的征兆。沖切實(shí)際上是一個(gè)低周疲勞過程，粗磨或者EDM加工過的模具會(huì)產(chǎn)生崩角問題，粗糙的表面意味著許多應(yīng)力集中點(diǎn)，可能會(huì)是裂紋萌生的位置。
如果模具硬度選擇正確，模具的變形很少發(fā)生。模具的開裂通常是由于韌性較低。當(dāng)沖切軟的材料諸如鋁或銅時(shí)，特別會(huì)發(fā)生粘模。害處是微量的軟材料改變了沖頭和模具之間的間隙，這樣導(dǎo)致了表面拉毛。
有兩種磨損形式 ：粘著磨損和磨粒磨損。粘著磨損發(fā)生在加工軟材料時(shí)，例如不銹鋼或者銅。研究表明，粘著磨損是由于垂直沖切運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生許多微裂紋。圖4a顯示了在沖切不銹鋼9萬(wàn)次后沖頭（AISI D2）圓周部分的SEM照片。當(dāng)沖頭在循環(huán)載荷作用下發(fā)生低周疲勞，粘著磨損產(chǎn)生的微裂紋會(huì)進(jìn)一步發(fā)展成崩掉的微坑。圖4b顯示了一件（AISI D2類）模具沖切硬度為HRC46鋼帶后的磨損痕跡。從這張顯微照片可知，磨粒磨損引起沿模具運(yùn)動(dòng)方向產(chǎn)生摩擦流線。
圖4
a： 粘著磨損的SEM顯微 b：磨粒磨損的SEM顯微
模具鋼的加工
模具可通過磨、車、鉆、線切割、研磨等手段來加工制造。在加工過程中表面附近的組織會(huì)改變。從冶金學(xué)觀點(diǎn)來說，加工切割表面附近產(chǎn)生高密度位錯(cuò)，這樣就形成了一層應(yīng)力區(qū)。在隨后的淬火過程中，加工表面趨于釋放這些應(yīng)力，因而導(dǎo)致模具產(chǎn)生大量的變形。為了使畸變降低到最小限度，在淬火前對(duì)加工過的模具進(jìn)行去應(yīng)力處理是一個(gè)好方法。
冷作模通常在硬化態(tài)下用線切割加工。有兩種典型的線切割問題：1）線切割模具的表面太粗糙，不能得到可靠的模具壽命；2）在線切割時(shí)模具開裂。
眾所周知，粗線切割會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定的模具壽命。用高電流進(jìn)行粗線切割會(huì)產(chǎn)生可能含有裂紋的脆性重鑄層。線切割表面通常有拉應(yīng)力，使得模具壽命比預(yù)期的要短。
必需在比最終回火溫度低大約20℃的溫度進(jìn)行去應(yīng)力處理，釋放拉應(yīng)力。有時(shí)在去應(yīng)力前推薦對(duì)線切割表面進(jìn)行拋光。然而，由于幾何形狀復(fù)雜，精密設(shè)計(jì)零件有時(shí)有難以拋光。因此，推薦至少進(jìn)行三次以上的線切割。通常要達(dá)到可靠、一致的模具壽命，需要進(jìn)行七次線切割。
當(dāng)對(duì)已淬火和回火過的較厚模具板材（>35mm）進(jìn)行線切割時(shí)，主要問題之一是模具偶然會(huì)開裂。發(fā)現(xiàn)模具開裂通常與回火溫度有關(guān)，高溫回火（>500℃）對(duì)于降低淬硬模具的應(yīng)力比較好。當(dāng)模具從回火溫度冷卻時(shí)，高溫回火也能使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。對(duì)于線切割模具，盡可能少的殘余奧氏體很重要，因?yàn)樵诰€切割時(shí)由于局部高熱量輸入使得殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體而引起開裂。
對(duì)于整體淬火的模具鋼，淬火和回火后的應(yīng)力狀態(tài)為中心受壓，表層受拉。如果在線切割時(shí)此應(yīng)力狀態(tài)被打亂，模具可能產(chǎn)生變形或者開裂。
圖5：七次線切割后的模具線切割截面（400X）