第10章冷冲压模具寿命及模具材料

1、第十章第十章 冲压模具寿命及模具材料冲压模具寿命及模具材料一、前言：一、前言： 过去由于被加工材料的单一化和冲床加工速度的放慢，大多数的模具失效现象不经常出现。近来生产技术已有了显著地提高，为了改进产品精度及生产效率，人们对机器设备和工厂设置已越来越注重。并对降低生产成本和提高利润非常强调。用高速冲床迅速将不易加工材料即时制成零件的现象已很普遍。模具设计、模具制作方法、模具材料及被加工材料是增进生产效率和减少生产成本的重大因素。为获得最佳生产效率，同时掌握模具材料选择和模具制造方面知识也是必不可少的。二、冲压模具要求：二、冲压模具要求：模具寿命受许多因素影响，这些因素如下；、模具设计：、模具设

2、计：尺寸镶块厚度复杂性、模具材料、模具材料硬度碳化物数量大小硬度淬透性、热处理：、热处理：预热温度时间淬火介质零下处理表面处理、模具制作：、模具制作：机械加工线割加工研磨加工抛光、补焊二、冲压模具要求：二、冲压模具要求：模具寿命受许多因素影响，这些因素如下；、被加工材料：、被加工材料：种类硬度硬质颗粒延展性厚度表面镀膜、生产状态：、生产状态：模具间隙润滑作用设备稳定性冲压速度、模具维修：、模具维修：再研磨清理抛光补焊应力回火三、材料失效原理三、材料失效原理 从许多不同模具用途中，检验大批模具材料的失效结果显示，在冷作模具使用过程中会遇到个主要的失效结果：2.爆模 1.磨损 3.朔性变形三、材料

3、失效原理三、材料失效原理 从许多不同模具用途中，检验大批模具材料的失效结果显示，在冷作模具使用过程中会遇到个主要的失效结果：4.破裂/整体破裂5.粘着被加工材料模具运动方向切削颗粒磨损四、失效机理与工具钢性能的关系：四、失效机理与工具钢性能的关系：、磨粒磨损：、磨粒磨损：当被加工材料很硬以及或者其中含有很硬的氧化物或碳化物颗粒时，这类磨损现象非常明显。这些硬质颗粒擦伤模具表面模具钢抵抗磨粒磨损所需具备的主要性能是：高硬度大量的碳化物碳化物的硬度很高大的碳化物颗粒、粘著磨损：、粘著磨损：引起粘著磨损的原因是模具表面与被加工材料间的局部点焊现象（如图）模具与被加工材料间的相对运动将引起微点焊的再次

4、撕开以及模具表面出现小碎片的脱落。像这样的持续，模具材料的损失最终导致了模具的明显磨损。被撕落的模具表面碎片也会粘著在被加工材料，同样会造成模具表面的磨粒磨损。(不锈钢材料生产加挥发油）、崩角、崩角崩角大部分是在模具早期使用时发生的现象。是低周期疲劳机理中的一种。在模具工作表面首先出现一些小裂纹，随着裂纹的逐渐长大最终导致材料成片崩出。、塑性变形：、塑性变形：当工具钢所受应力超过其屈服强度时会发生塑性变形。塑性变形会对模具工作面引起损害或使其形状发生变化。高硬度是工具钢抗塑性变形的一种主要性能。、破裂：、破裂：破裂是一种自发的失效机理，其通常会导致模具的更换，裂纹不稳定的扩展起这类失效的原因。

5、裂纹的产生都是由于应力集中所造成。如：研磨刮痕，机械 加工痕迹或者是设计上的尖角或倒角。（制造实际要求）另外，在模具表面的电火花白层也是引起破裂的一个常见原因：工具钢抵抗破裂所需具备的性能是：低的硬度 高的显微组织韧性注意：降低硬度对工具钢在抵抗其它失效机理方面会产生不利影响，因此采用低硬度不是一个好的方法，更好的方法是钢材具备优良显微组织韧性。五、工具钢的主要性能：五、工具钢的主要性能： 因为各种钢种的材料都具有不同性能，所以每种工具钢对于各类失效机理的抗力也随不同的钢种，而发生变化，工具钢的性能在相当大程度上取决于化学成份及其生产方法。美国美国/日本日本/一胜百一胜百/冷作常用工具钢化学元

6、素成份表：冷作常用工具钢化学元素成份表：2、工具钢抵抗失效机理的特性比较：、工具钢抵抗失效机理的特性比较：（条柱长，抵抗性越好）六、工具钢的选择：六、工具钢的选择：在实际用途中工具钢是一根据模具主要失效机理进行选择的。选择工具钢仅仅拥有钢材性能方面的知识是远远不够的。还必需考虑生产零件的数量。被加工材料的类型，厚度及其硬度等因素。选择工具钢的一种基本方法是先把除磨损外的其他，失效机理全部排除，然后选择具备最适合耐磨损性的工具钢，以满足产品生产量的要求。 下面一引起简装的例子显示如何有步骤的选择工具钢。1、磨损类型的判定：、磨损类型的判定： 必须认真考虑下列被加工材料的特性，并以此确定何种主要磨

7、损磨粒，粘著或混合）将会发生：被加工材料类型被加工材料硬度 被加工材料中是否有硬颗粒存在这是非常基本的步骤，因为通过这样才能确定工具钢应该具备何种抗磨损能力。2、崩角或塑性变形的发生、崩角或塑性变形的发生下列条项将说明工具钢发生崩角和/或塑性变形的危险程度，也就是说材料是否需要高的韧性和/或高的硬度：工具用途类型 被加工材料的厚度和硬度 生产零件的几何复杂程度/模具设计制造需有这方面经验。3、破裂的风险、破裂的风险下列条项将说明工具钢出现破裂的风险程度，也就是说用户是否应该选用高韧性工具钢和/或中等硬度水平的工具钢。模具应用类型 生产零件的几何形状 模具设计和模具尺寸 被加工材料的厚度和硬度4

8、、生产零件的数量、生产零件的数量高生产数量有时需要不只一副模具才能满足产量需求，因此需要高寿命的工具钢，以达到模具的整体经济效益，另外，低产量要求的模具可使用低合金工具钢。5、工具钢的选择、工具钢的选择 利用表2中的内容，选择工具钢，具备克服主要失效机理合适性能。工具钢选择的步骤请参考下列应用实例：已热处理过（45HRC）薄（0.5mm）钢带的冲压(1)磨粒磨损将成为主要的磨损机理(2)对于形状简单的零件而言，工具产生崩角或破裂的危险很小，随着零件形状的越来越复杂，其危险性也相应增大。(3)如果模具硬度足够高，产生塑性变形的危险是很小的。当零件形状简单且生产数量不大时，对于中等尺寸的模具而言D

9、F-2，DF-3钢足以胜任。但对于大尺寸模具而言，由于淬透性的原因就需要选用高合金钢材，在这里CALMAX钢将是一个良好的选择。当零件形状相对简单，而模具要求寿命长及抗磨粒磨损时，选XW-41，XW-42是一个好的选择。而当零件形状复杂时，则由于破裂危险的增高，ASP 23是很好的选择。若模具寿命要求很长则必须具备极高的抗磨粒磨损能力，在此就该选择VANADIS-10（无论零件形状简单或复杂均可胜任）。软的（150HV）奥氏体不锈钢厚板（5mm）的冲压(1)粘著磨损是主要磨损机理(2)存在明显的破裂或崩角风险(3)模具存在一定的塑性变形危险，对此可通过提高工具钢硬度和韧性来克服 对于无论零件形

10、状如何，但模具寿命要求短的问题， CALMAX是一个完美的选择。对于无论零件形状如何，但寿命要求较长或很长的情况，VANADIS是一个明智的选择。6、根据产品批量选择工具钢、根据产品批量选择工具钢有关模具工作寿命，中，长的定义是靠经验的。通常情况下，低寿命定义为100，000件以下产量，中寿命为100，000至1，000，000件产量，长寿命为1，000，000件以上产量。然而，这种定义法并未考虑到被加工材料的厚度和硬度因素，而这两种因素又会对模具的磨损，崩角或破裂产生影响。为弥补这些不足，新的工作寿命定义如下所述：短工作寿命：一副低合金制造的模具，就能生产所需的产品数量。中工作寿命：一副由中

11、等寿命制造的模具，就能生产所需的数量。长工作寿命：必须使用不止一副模具，才能满足产量的要求，这时就必须使用高寿命工具钢。ASSAB冷作工具钢按短，中，长工作寿命分成三组：短工作寿命钢：CARMO/CALMAX ，DF-2， DF-3中工作寿命钢：CALMAX，XW-10，XW-41，XW-42 ;SKD11长工作寿命钢：VANDIS 4，ASP-23，XW-5，VANADIS 10七、模具制作七、模具制作工具钢能在维修最少，故障率最少的情况下获得优质的产品，这并不仅仅是选择正确模具钢，正确的模具制作也是极其重要的。如果在这方面不能做好，那么在模具生产过程中将会发生许多问题。正如前面章节中提到：

12、失效机理会由于不合适的模具制作而增多，不正确的模具制作会导致工具使用寿命严重降低。1、基本的工具设计：、基本的工具设计：无用多言，模具必须适当设计才能胜任将来的工作。当然，如果模具由于被加工材料很厚且很硬而处于严重负载状态，那么即使考虑模具设计和被加工材料厚度也可能无济于事。下列有关模具设计方面的基本建议其作用在于避免工具在热处理或使用中的早期失效。足够的总体尺寸以确保基本的模具强度和支撑避免尖角，尽可能用圆角替代。应避免在模具设计中邻近区域厚薄相差悬殊。避免由于压制，粗加工或切削刀痕等潜在因素造成的应力增加。在孔洞与模具表面之间保留充足的厚度。对于形状复杂的模具通常最好采用拼块组合，由此可以

13、减少热处理风险并且易于矫正和替换。2、脱碳层：、脱碳层：在模具钢棒的生产过程中，要阻止表层不被脱碳和氧化是不可能的。钢棒的脱碳程度取决于钢材的成份，同时也取决于加热方法。有时钢棒上并没有完全被脱碳的表层，但却有可能在表面的某一区域出现含碳量低于平均水平的情况。在钢棒制成模具之前，去除表面脱碳层是很重要的。如果不进行这道工序，将发生下列情况：模具可能在热处理（淬火）或生产过程中破裂模具工作面会发生塑性变形模具耐磨性下降由于电火花的关系，钢材表面脱碳层的去除也很重要。那些在淬火过程中由于存在脱碳层而导致破裂的现象已众所周知。具体的脱碳层去除量视钢材尺寸和形状而定，各种组织如AISI等，均对此提供也

14、各自的标准。3、研磨、研磨使用正确的研磨技术对于模具制作和模具性能均有积极的作用。在研磨过程中由于高温，摩擦力和压力互相结合而在模具表面产生和应力可用下列方法控制至最小值：使用经适当削锐的砂轮限定砂轮压力/金属磨削率或砂轮进刀深度。足够的冷却剂高合金工具钢经低温回火后对研磨操作特别每感。在此要求特别小心对待。通常使用的经验法则是：硬的钢材配软的砂轮。反之亦然。不好的研磨情况，将对工具钢产生如下影响：表面硬度下降（回火烧焦）这会引起工具钢耐磨性的下降研磨表面再硬化，这会导致研磨裂纹和模具出现砂裂及崩角现象在模具中产生严重的内应力，这会增加模具失效风险在粗研磨后再进行一次精研磨去除应力影响层是很重

15、要的。另外，研磨应力也可以采用低于回火温度约25（50 ）应力回火来去除。必须注意：当工具钢在热处理过程中过热，过长时间保温或回火不充分，将使研磨表面出现破裂的危险性大大增加。这是因为工具钢显微组织中存在残留奥氏体,在研磨过程中产生的热和压力通常将这些残留奥氏体转变成未回火马氏体,导致工具钢表面硬且脆,容易发生破裂现象。模具工作面上的研磨刮痕会在其使用中导致下列情况：研磨刮痕会使模具内应力上升并导致崩角，剥落，甚至破裂。研磨刮痕，尤其当它垂直于金属轧制方向时会引起粘著现象。如果模具工作面的研磨或研光（磨石）能沿著其工作或轧制方向，那么模具寿命将会显著改善。在模具表面进行精研磨或重新研磨时，产生

16、的薄边应轻柔地用手工磨光操作来小心地清除它，只有这样才能降低模具使用起始阶段切削刃部产生崩角或剥落的可能性。这对于高硬度模具用于切削薄片材料时尤其重要。ASP和VANADIS粉末治金钢，因其具有极细小碳化物颗粒所以比同等高合金钢具有更好的研磨性。 4、热处理：、热处理：模具热处理的目的是为了获得合适的机械性能，如硬度、韧性和强度等。与热处理有关的主要问题有：变形尺寸变化脱碳渗碳碳化物晶界析出（先共析碳化物）5、变形：、变形：在热处理过程中产生模具变形的原因是：机械加工应力热应力组织转变应力为降低机械加工应力，模具在粗加工后应做应力消除。另外，通过控制淬火前的最后一道机械加工工序，可调整模具变形

17、率。当模具被加热时会产生热应力。如果加热速度过快或加热不均匀，模具中的热应力会增加。对于大型或形状复杂零件，加热应用多道预热方式，以此来使得零件温度均衡。为减少整个零件的内外温差，应尽量放慢模具加热速度。上述的这些同样也适用于淬火工艺。模具在淬火过程中会产生很大的应力，一般的通则是：淬火速度越慢，则相应由热应力而引起的模具变形亦越少。 6、尺寸变化：、尺寸变化：当钢材显微组织发生转变时会产生组织转变应力。除非改换钢材种类，否则由于组织转变而产生的模具尺寸变化是很难修正的。通常钢材在淬火和回火过程中都会出现尺寸变化。在估算模具尺寸变化时，应将淬火和回火两者对模具尺寸的影响相加起来，有关尺寸变形的

18、数据可参据可参阅“ASSABA手册工具钢的实证”。7、脱碳：、脱碳：模具在热处理时防止氧化和脱碳是很重要的。通常为做到这点，最好的保护措施是使用真空热处理炉。一旦模具发生脱碳，其耐磨性能将会降低。8、渗碳：、渗碳：在淬火过程中，如果保护介质中含有游离碳原子，则由于钢材表面摄取碳原子而出现渗碳现象，结果是模具表面产生一硬且脆的薄层，增大了崩角和破裂的危险性。9、碳化物晶界析出：、碳化物晶界析出：如果工具钢淬火速度太慢，会发生碳化物沿晶界析出。其结果是降低材料的韧性和最终硬度。有关热处理方面的更详细资料请参阅ASSAB的“工具钢的热处理”。10、电火花加工（、电火花加工（EDM）在电火花加工时，为

19、获得满意的结果必须注意几个要点。在电火花过程，已经热处理的钢材表面会被再次硬化并处于脆性状态，这很容易导致崩角，疲劳裂纹及缩短工具寿命。为避免这些情况，应采取下列预防措施：最终的电火花加工采用“细”放电操作（即：小电流，高频率）。为确保去除由“粗”放电加工产生的表面影响层，必须正确设定“细”放电加工的电极尺寸。由“细”放电加工产生的表面白层应采用抛光或磨石研光将之去除。模具在表面电火花影响层完全去除后，应再次回火，回火温度较前面回火温度低1525（2535 ） 11、线切割：、线切割：采用线切割工艺可以很容易地从淬硬钢块上切割形状复杂的零件。通常，淬硬的钢材都存在残留应力，因此，如果一次切割量

20、较多的话，有时会导致模具变形或零件破裂。破裂常常只有在模具横截面相对较厚的情况才会发生，例如：厚度超过50毫米（2）。线切割破裂的风险能够通过不同的预防措施予以减少：通过高温回火来降低整个零件的残留应力水平。这只适用一具有抗高温回火性的钢材。正确的淬火工艺和二次回火操作是很必要的。对于横截面很厚的模具推荐采用三次回火。模具在热处理前，用一般机械加工到接近最终形状尺寸。模具淬火回火前，在需线切割去除的区域内先钻一些孔，然后用锯床将 这些联结起来。由线切割产生的表面再硬化层一般比较薄，与“细”放电加工十分相似。这样的硬化层对于那些对形状复杂十分敏感的高硬度工具钢而言，已足以引起崩角或破裂。因此我们

21、推荐在“粗”线切割后至少做一次“细”线切割加工。当然欲加工到规定尺寸公差，都必需经过一次或者多次“细”线切割加工。12、表面处理：、表面处理：对于某些具体模具，如：冲孔冲头，成型和拉深模等，常采用不同的表面处理来提高模具表面硬度，如：氮化，以此增进模具的寿命。13、气体氮化：、气体氮化：气体氮化可使模具表面具有良好抗磨粒磨损性能。然而，因为表面这层坚硬的氮化层非常脆，所以一旦模具承受冲击或者急剧的温度变化，氮化层就有可以崩裂或剥落，其危险性随氮化层厚度的增加而增加。模具在氮化前，必须经过淬火和回火处理，回火温度应比氮化温度高大约25（45 ）14、软氮化：、软氮化：软氮化产生的氮化层一般比离子或气体氮化薄。韧性比较佳并具有润滑作用。通常发现对于冲切薄而粘的材料，如：奥氏体不锈钢，经软氮化处理后的冲头都具有特别好的效果。主要原因是氮化层减少了冲头与被加工材料间的粘著作用。下列ASSAB冷作钢均可以进行氮化：XW-10，CALMAX，XW-41，XW-42，XW-5，VANADIS-4，VANADI