图1：影响冷作钢模具寿命的因素

模具钢材料

◆ 选择冷作模具钢的基本原则

在选择冷作钢时，首先考虑的两个基本机械性能是硬度与韧性。硬度（或强度）确保模具的切削刃口足以切下加工的材料，同时韧性保证模具在工作时不会发生崩角或开裂。理想状态是，高硬度和高韧性的结合。然而，由于冷作模具钢的高合金成分使得硬度增加时，韧性却急剧降低。

表1列出了当前ASSAB销售的冷作模具钢的牌号和化学成分。Vanadis 4、ASP 23 和Vanadis l0都是粉末冶金高合金模具钢。

表1 当前ASSAB销售的冷作模具钢的牌号和化学成分

图2列出了粉末冶金钢和常规模具钢AISI O1，D2，D3的韧性比较。可以看到，与常规模具钢相比，粉末冶金钢在纵向和横向的韧性变化很少。粉末冶金钢显示出比常规模具钢更高的韧性，也预示着粉末冶金钢能在更高的硬度下使用。

图2：粉末冶金钢与常规模具钢的韧性比较

粉末冶金钢具有更高的韧性和更好的各向同性性能的原因是其独特的钢材制作方法。粉末冶金模具钢由金属粉末制造，确保成型时碳化物分布均匀、细小、且大小均匀。图3是Vanadis 4的显微组织。可以看到它有细化的组织和小颗粒的碳化物。

图3：VANADIS 4硬化态的显微组织

常规模具钢的制造方法是液态金属在钢锭模中冷却而导致严重的网状碳化物偏析。网状碳化物仅在随后的锻造或轧制过程中被打碎成较小的尺寸。这些加工使得在轧制方向和横向上的韧性产生更大变化，与粉末冶金钢相比，韧性也更低。

◆ 模具失效机制和模具磨损

冷作模常见的失效情况有：磨损、崩角、变形、开裂和咬合。

很容易理解在冲头和模具之间经过多次冲切后，冲头和模具的切削刃口会被倒圆，称为磨损。通常被冲切出的材料有多余毛刺，这是模具磨损的征兆。冲切实际上是一个低周疲劳过程，粗磨或者EDM加工过的模具会产生崩角问题，粗糙的表面意味着许多应力集中点，可能会是裂纹萌生的位置。

如果模具硬度选择正确，模具的变形很少发生。模具的开裂通常是由于韧性较低。当冲切软的材料诸如铝或铜时，特别会发生粘模。害处是微量的软材料改变了冲头和模具之间的间隙，这样导致了表面拉毛。

有两种磨损形式 ：粘着磨损和磨粒磨损。粘着磨损发生在加工软材料时，例如不锈钢或者铜。研究表明，粘着磨损是由于垂直冲切运动方向上产生许多微裂纹。图4a显示了在冲切不锈钢9万次后冲头（AISI D2）圆周部分的SEM照片。当冲头在循环载荷作用下发生低周疲劳，粘着磨损产生的微裂纹会进一步发展成崩掉的微坑。图4b显示了一件（AISI D2类）模具冲切硬度为HRC46钢带后的磨损痕迹。从这张显微照片可知，磨粒磨损引起沿模具运动方向产生摩擦流线。

图4
a： 粘着磨损的SEM显微 b：磨粒磨损的SEM显微

模具钢的加工

模具可通过磨、车、钻、线切割、研磨等手段来加工制造。在加工过程中表面附近的组织会改变。从冶金学观点来说，加工切割表面附近产生高密度位错，这样就形成了一层应力区。在随后的淬火过程中，加工表面趋于释放这些应力，因而导致模具产生大量的变形。为了使畸变降低到最小限度，在淬火前对加工过的模具进行去应力处理是一个好方法。

冷作模通常在硬化态下用线切割加工。有两种典型的线切割问题：1）线切割模具的表面太粗糙，不能得到可靠的模具寿命；2）在线切割时模具开裂。

众所周知，粗线切割会导致不稳定的模具寿命。用高电流进行粗线切割会产生可能含有裂纹的脆性重铸层。线切割表面通常有拉应力，使得模具寿命比预期的要短。

必需在比最终回火温度低大约20℃的温度进行去应力处理，释放拉应力。有时在去应力前推荐对线切割表面进行抛光。然而，由于几何形状复杂，精密设计零件有时有难以抛光。因此，推荐至少进行三次以上的线切割。通常要达到可靠、一致的模具寿命，需要进行七次线切割。

当对已淬火和回火过的较厚模具板材（>35mm）进行线切割时，主要问题之一是模具偶然会开裂。发现模具开裂通常与回火温度有关，高温回火（>500℃）对于降低淬硬模具的应力比较好。当模具从回火温度冷却时，高温回火也能使残余奥氏体转变成马氏体。对于线切割模具，尽可能少的残余奥氏体很重要，因为在线切割时由于局部高热量输入使得残余奥氏体转变成马氏体而引起开裂。

对于整体淬火的模具钢，淬火和回火后的应力状态为中心受压，表层受拉。如果在线切割时此应力状态被打乱，模具可能产生变形或者开裂。

图5：七次线切割后的模具线切割截面（400X）