隨著工業(yè)的發(fā)展，對冷作模具沖壓的性能要求也越來越高。一個簡單沖切模具，具有20萬次的壽命也不再滿足低成本、高產(chǎn)量標準的要求。使用新開發(fā)的模具材料（例如粉末冶金模具鋼）能夠達到百萬次的模具壽命。從模具經(jīng)濟性方面考慮，使用粉末冶金（PM）模具鋼大大降低了單件成本。盡管模具初始成本較高，但是延長模具壽命，減少停工時間，同樣讓使用者獲益。從冶金學(xué)觀點來看，根據(jù)特殊方法冶煉推出的粉末冶金模具鋼比常規(guī)工具鋼的壽命長。粉末冶金模具鋼碳化物細小且分布均勻。碳化物類型能夠被設(shè)計出來，形成更硬的碳化物VC。碳化物越硬，尺寸越小，分布越均勻，就越能提高模具壽命。
雖然粉末冶金模具鋼得到越來越多的認可，但是通過客戶服務(wù)發(fā)現(xiàn)，在使用粉末冶金材料時，仍遇到料想不到的失效實例。這些失效通常不是由材料的缺陷引起，而是與模具的加工有關(guān)。如圖1所概括的，沖切這種冷作加工受許多因素的影響。所有參數(shù)的正確調(diào)整是非常重要的，以便模具獲得可靠的性能。
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(xué)成分。Vanadis 4、ASP 23 和Vanadis l0都是粉末冶金高合金模具鋼。
表1 當前ASSAB銷售的冷作模具鋼的牌號和化學(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?？梢钥吹剿屑毣慕M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(yīng)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(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，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(xué)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(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，在淬火前對加工過的模具進行去應(yīng)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(dǎo)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(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℃的溫度進行去應(yīng)力處理，釋放拉應(yīng)力。有時在去應(yīng)力前推薦對線切割表面進行拋光。然而，由于幾何形狀復(fù)雜，精密設(shè)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(guān)，高溫回火（>500℃）對于降低淬硬模具的應(yīng)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(yīng)力狀態(tài)為中心受壓，表層受拉。如果在線切割時此應(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）
模具鋼的熱處理
冷作模具鋼以軟的退火態(tài)供應(yīng)。為了得到強度需要進行淬火，為了得到好的顯微組織，應(yīng)控制淬火質(zhì)量。應(yīng)牢記顯微組織決定鋼的（物理、機械、化學(xué)）性能。通過熱處理得到好的顯微組織確保好的模具壽命。
◆ 模具鋼的淬火-熱處理循環(huán)
模具鋼的淬火包括模具組件的加熱和冷卻。在熱處理過程中，模具必須加熱到奧氏體化溫度（如AISI D2的奧氏體化溫度為1030℃），這樣模具鋼的基體組織從球化珠光體轉(zhuǎn)變成奧氏體。隨后快速冷卻（淬火），奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體。理想狀態(tài)是，正確淬火的高合金冷作鋼應(yīng)該有碳化物強化的馬氏體基體組織。
奧氏體化過程中的保溫時間和溫度必須正確設(shè)定，不允許有增碳或脫碳。淬火介質(zhì)必須正確選擇，因為太快的淬火可能會導(dǎo)致開裂。必須牢記當淬火過程中奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體時，會增加4％以上的絕對體積。
模具的失效經(jīng)常與錯誤的或者不適當?shù)臒崽幚矸椒ㄓ嘘P(guān)。這里值得提到的一個失效案例是手表后殼的成型模具。模具經(jīng)常發(fā)生崩角。模具材料Calmax，是Uddeholm tooling AB的專利材料。此材料在57HRC的工作硬度具有高韌性。可以看到，模具表面有局部脫碳，是崩角產(chǎn)生的原因。
◆ 模具鋼的變形控制
模具鋼淬火后由于高溫過程會產(chǎn)生變形?？紤]到精密模具的應(yīng)用領(lǐng)域，變形應(yīng)該最小。如果使用不同的熱處理設(shè)備，產(chǎn)生的效果會大不一樣。要求最小變形的模具鋼，其淬火的一種趨勢是使用高壓淬火的真空爐。
變形控制的普遍原則是，盡可能慢的加熱零件以及盡可能慢的淬火，將熱沖擊減到最小。從顯微組織觀點來看，模具應(yīng)快速淬火以得到好的顯微組織。因此必須找到淬火冷卻速度快慢的平衡點。
在淬火精密模具時，要求在熱處理后模具的平整度不能改變。典型的平板尺寸是30×150×300mm。然而由于熱處理前模具上有預(yù)加工的細孔，在淬火以后模具呈現(xiàn)彎曲，一旦發(fā)生彎曲，應(yīng)進行矯直。
實際經(jīng)驗表明，平板形狀的模具在鋼中軟的奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變時被矯直。牢記這條規(guī)則就是用兩種方法能夠避免平板模具的彎曲：一是淬火過程中模具從奧氏體溫度冷卻時，把模具放在夾具中。這種方法可在某種敞開式爐，如鹽浴爐中進行。模具應(yīng)在有關(guān)材料的Ms點上溫度時放置在夾具中。
矯直的另一種方法是在回火時夾住已淬火的模具。重要的是選擇合適的溫度，當冷卻時，殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)樨愂象w或者馬氏體，在相變過程中，回火模具將受到夾具的輪廓限制而使彎曲被矯直。這種方法特別適用于ASP 23材料，因為在回火前它有相當高的殘余奧氏體量（在1170℃淬火時30％的殘余奧氏體量）。
◆ 表面處理
冷作模具鋼典型的表面擴散處理為滲氮或者氮碳共滲。這種工藝中，氮（碳氮共滲中的碳）原子擴散進鋼的基體中，在鋼中與合金元素形成了氮化物。大多數(shù)合金元素如Cr，Mo，V等是強氮化物和碳化物形成元素。一定時間的處理后，形成了一層均勻分布的氮化層，這將延長模具壽命，因為它有高的硬度并降低摩擦系數(shù)。
工業(yè)上應(yīng)用已經(jīng)證明，通過PVD或者CVD處理的如TiN或者TiCN沉淀陶瓷，有延長模具壽命的作用，壽命增加約10倍。表面硬涂層的有效性依賴于涂層與基體的附著程度。用粉末冶金鋼作硬涂層的基體，達到了好的附著效果，這是因為在粉末冶金鋼中的MC類碳化物與TiN類涂層有一定的晶體親和力。
◆ 表面處理
冷作模具鋼典型的表面擴散處理為滲氮或者氮碳共滲。這種工藝中，氮（碳氮共滲中的碳）原子擴散進鋼的基體中，在鋼中與合金元素形成了氮化物。大多數(shù)合金元素如Cr，Mo，V等是強氮化物和碳化物形成元素。一定時間的處理后，形成了一層均勻分布的氮化層，這將延長模具壽命，因為它有高的硬度并降低摩擦系數(shù)。
工業(yè)上應(yīng)用已經(jīng)證明，通過PVD或者CVD處理的如TiN或者TiCN沉淀陶瓷，有延長模具壽命的作用，壽命增加約10倍。表面硬涂層的有效性依賴于涂層與基體的附著程度。用粉末冶金鋼作硬涂層的基體，達到了好的附著效果，這是因為在粉末冶金鋼中的MC類碳化物與TiN類涂層有一定的晶體親和力。
作者感謝ASSAB Pacific Pte. Ltd.副總裁Mr. Jan Tidlund的技術(shù)指導(dǎo)以及Uddeholm tooling AB允許使用其技術(shù)數(shù)據(jù)。