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，首先考慮的兩個基本機械性能是硬度與韌性。硬度（或強度）確保模具的切削刃口足以切下加工的材料，同時韌性保證模具在工作時不會發(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，韌性卻急劇降低。
表1列出了當前ASSAB銷售的冷作模具鋼的牌號和化學成分。Vanadis 4、ASP 23 和Vanadis l0都是粉末冶金高合金模具鋼。
表1 當前ASSAB銷售的冷作模具鋼的牌號和化學成分
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，確保成型時碳化物分布均勻、細小、且大小均勻。圖3是Vanadis 4的顯微組織。可以看到它有細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致嚴重的網(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。沖切實際上是一個低周疲勞過程，粗磨或者EDM加工過的模具會產(chǎn)生崩角問題，粗糙的表面意味著許多應力集中點，可能會是裂紋萌生的位置。
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。當沖切軟的材料諸如鋁或銅時，特別會發(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，例如不銹鋼或者銅。研究表明，粘著磨損是由于垂直沖切運動方向上產(chǎn)生許多微裂紋。圖4a顯示了在沖切不銹鋼9萬次后沖頭（AISI D2）圓周部分的SEM照片。當沖頭在循環(huán)載荷作用下發(fā)生低周疲勞，粘著磨損產(chǎn)生的微裂紋會進一步發(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動方向產(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改變。從冶金學觀點來說，加工切割表面附近產(chǎn)生高密度位錯，這樣就形成了一層應力區(qū)。在隨后的淬火過程中，加工表面趨于釋放這些應力，因而導致模具產(chǎn)生大量的變形。為了使畸變降低到最小限度，在淬火前對加工過的模具進行去應力處理是一個好方法。
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）在線切割時模具開裂。
眾所周知，粗線切割會導致不穩(wěn)定的模具壽命。用高電流進行粗線切割會產(chǎn)生可能含有裂紋的脆性重鑄層。線切割表面通常有拉應力，使得模具壽命比預期的要短。
必需在比最終回火溫度低大約20℃的溫度進行去應力處理，釋放拉應力。有時在去應力前推薦對線切割表面進行拋光。然而，由于幾何形狀復雜，精密設計零件有時有難以拋光。因此，推薦至少進行三次以上的線切割。通常要達到可靠、一致的模具壽命，需要進行七次線切割。
當對已淬火和回火過的較厚模具板材（>35mm）進行線切割時，主要問題之一是模具偶然會開裂。發(fā)現(xiàn)模具開裂通常與回火溫度有關，高溫回火（>500℃）對于降低淬硬模具的應力比較好。當模具從回火溫度冷卻時，高溫回火也能使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。對于線切割模具，盡可能少的殘余奧氏體很重要，因為在線切割時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。
對于整體淬火的模具鋼，淬火和回火后的應力狀態(tài)為中心受壓，表層受拉。如果在線切割時此應力狀態(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）