第一章 前言
1.1 概述
冷作模具主要用于金属或非金属材料的冷态变形，包括冷冲模、冷镦模、冷挤模、拉伸模、拉丝模、滚丝模、冷剪切模等。冷作模具在工作中承受拉伸、弯曲、压缩、冲击、疲劳等不同应力的作用而用于金属冷挤、冷镦、冷拉伸的模具，有时还要承受 300℃左右的交变温度作用。冷作模具工作条件相当苛刻，对模具材料及加工质量要求很高。冷作模具钢种类繁多，根据不同的用途和工况条件，冷作模具可用碳素工具钢、高碳低合金钢、高耐磨冷作模具钢、高强韧性冷作模具钢和特殊性能冷作模具钢等钢材进行制造。Cr12 类型钢是我国最为常见的冷作模具钢。Cr12 类型钢包括国产的 Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV、Cr12MoV1 等钢，以及日本、美国生产的 SKD11、DC53、D2、D3 等钢。该类钢种的特点是：高 C 含量、高 Cr 含量、高淬透性、组织中存在大量的碳化物，因此该类钢淬火后具有高硬度、高耐磨性，但韧性、塑性一般。一些改良的钢种（如 DC53 等），通过减少 C、Cr 含量，从而减少碳化物含量、改变碳化物形态及分布状态，达到提高韧性的目的。
随着经济的高速发展，我国的模具工业高速发展，近年来一直保持着 15%左右的发展速度。2007 年我国模具较上年增长 21%，产值达到 870 亿元以上，紧随日本、美国，位居世界第三。尽管我国模具工业总产值已经排在世界前列，不过我国的模具产业普遍水平不高。因为高档次模具的匮乏，我国不得不舍近求远花高几倍的价钱从国外进口。模具加工工艺设备落后、模具开发能力较差、模具材料质量不佳、模具加工技术水平低是我国模具水平落后的主要原因。具体表现在模具开发速度慢、模具设计水平差、制造精度差、使用寿命只有国外模具的 1/2 至 1/10。落后的模具工业造成了大量国产模具的使用时间达不到预期的使用寿命，造成了巨大的经济损失、以及人力物力的浪费。通过模具的失效分析，发现问题根源，采取合适的应对措施，吸取经验教训，以避免同类事件再次发生，无疑有着相当重要的经济意义。我国已全面进入市场经济社会。在强大的市场竞争下，我国模具行业想要发展壮大，首先必须提高模具质量。各国的经验表明，失效分析是提高产品质量的有力措施。通过失效分析可以揭示模具在设计、制造、使用方面的不足。吸取失败教训，将信息反馈到模具设计生产部门，在今后的模具生产过程中采取措施提高模具质量，对于提高我国整体模具质量有着积极作用。当前关于失效分析的著作不少，但是专门研究 Cr12 类型钢制模具的失效分析文献不多。本文以 Cr12 类型钢为例，研究导致冷作模具失效的原因、延长模具寿命的措施、冷作模具失效实例等等。对人们了解该类模具失效情况，避免该类模具的失效有一定参考价值。本文通过对多个当前 Cr12 类钢制模具失效案例进行分析研究，归纳出该类模具最为常见的失效原因。除了以此借鉴，防止该类模具失效以外，对于人们了解我国冷作模具的发展水平都有一定的参考价值。文中选取了一些典型案例，希望对于加深该类模具失效分析的研究深度，起到一定作用。
1.2 Cr12 类型钢制冷作模具失效分析现状
Cr12 类型钢制冷作模具失效分析属于失效分析一个分支，随着失效分析技术的发展而发展，因此其发展现状可参考失效分析这门学科的发展现状。失效分析工作自古以来一直存在。古代工业技术落后，失效案例鲜有存在。当时的失效分析基本上处于现象描述和经验状态，失效分析发展缓慢。这是失效分析发展的第一阶段。随着以蒸汽机为代表的近代工业革命的兴起，工业发展突飞猛进。在给人类带来巨大的物质文明的同事，不可避免地带来了越来越多的失效分析案例。锅炉爆炸、车轴断裂、桥梁倒塌、船舶断裂等事故频繁出现，引起了人们的重视，从而促进了失效分析的发展。
随着蒸汽机锅炉爆炸案例越来越多，英国成立了世界上第一个蒸汽机锅炉监察局，正式把失效分析作为一种仲裁事故的法律手段和提高产品质量的技术手段。随着失效分析地不断发展，失效分析机构在工业发达国家不断涌现，推动着失效分析相关学科特别是强度理论和断裂力学学科的创立和发展。由于科学技术发展水平的限制，这个时期的失效分析工作仅仅局限在断裂工件宏观痕迹和材质宏观检查。由于电子显微学和其他学科发展滞后，人们不可能从微观的角度解释失效的物理本质和化学本质。因此从工业革命到电子显微学得到飞速发展的 20 世纪 50 年代，可以看做失效分析发展的第二阶段。
20 世纪 50 年代，随着电子工业的高速发展，人们首先在电子行业将失效分析的成果引入产品的可靠性设计，将失效分析带入了一个新阶段。同时，作为失效分析基础学科的材料科学和力学高速发展，电子显微学技术的长足进步，特别是扫描电镜的问世，为失效分析的迅猛发展铺平了道路，取得了辉煌成果。随后大量现代物理测试技术的应用，诸如 X 射线及紫外线光电子能谱分析、X 射线显微分析、俄歇电子能谱分析等，更让失效分析发展到新的台阶。这一阶段所获得的失效分析知识和技术，千百倍于前两个阶段的总和。
第二章 Cr12类型钢材料特性
Cr12 类型钢指的是 Cr12 以及以其为基础经过优化的一系列高碳高铬钢，包括我国常见的 Cr12、Cr12MoV、Cr12MoV1 等钢，以及日本的 SKD11、DC53、SLD 等钢，和美国的 D2、D3 等钢。常见的 Cr12 类型钢的钢号和化学成分见表 2-1，热处理工艺、交货状态及淬火状态的硬度值可参考表 2-2。
该类钢种拥有高淬透性、热处理变形小、高强度、高硬度、高耐磨性等优点。一些改良的钢种（如 DC53 等），通过减少 C、Cr 含量，从而减少碳化物含量、改变碳化物形态及分布状态，达到提高韧性的目的。大量碳化物的存在不仅使硬度很高，而且能阻止晶粒长大。但是如果碳化物偏析较为严重，会增大钢的脆性。因此该类钢必须经过锻打工序，将碳化物破碎，降低碳化物不均匀的危害。在锻后应进行退火处理，消除钢的内应力、降低硬度，并为机加工做好准备。通过控制淬火加热温度来控制合金元素向奥氏体的溶解量，从而可以降低模具的变形量，达到微变形。该类钢主要用于金属或非金属的冲裁、拉伸、弯曲、滚丝、冷墩等。常常用于制造冲裁用的模具(落料冲孔模、修边模、冲头、剪刀等)、冷镦模和冷挤压模、压弯模及拉丝模等。冷作模具钢的工作条件及性能要求冷作模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力比较大，模具的工作部分必须能承受很大的压力、弯曲力、冲击力及摩擦力。
第三章 Cr12 类型钢制冷作模具常....................... 19-38
3.1 Cr12 类型钢制冷作模具常见的失....................... 19-21
3.1.1 过载失效 .......................19-20
3.1.2 磨损失效....................... 20
3.1.3 疲劳失效....................... 20-21
3.2 Cr12 类型钢制冷作模具....................... 21-29
3.3 防止Cr12 类型钢制冷作模具....................... 29-37
3.4 本章小结 .......................37-38
第四章 Cr12 类型钢制冷作模具失效.......................38-45
4.1 保护失效现场收集原始操作记录....................... 38
4.2 化学成分分析....................... 38
4.3 冶金质量检测....................... 38-39
4.4 力学性能分析....................... 39-40
4.5 断口分析....................... 40-43
4.6 金相分析 .......................43-44
4.7 本章小结....................... 44-45
第五章 Cr12 类型钢制冷作模具失效....................... 45-80
5.1 Cr12MOV 钢制滚丝轮断裂失效分析....................... 45-50
5.2 SKD11 钢制滚丝轮失效分析....................... 50-58
5.3 DC53 钢制搓丝板失效分析....................... 58-65
5.4 SLD 钢制模具崩裂原因分析 .......................65-68
5.5 SKD11 钢制模块线切割黑纹产生....................... 68-72
5.6 Cr12MOV 模具钻孔开裂原因分析 .......................72-75
5.7 SLD 钢制模板尺寸超差失效分析....................... 75-78
5.8 本章小结 .......................78-80
结论
Cr12 类型钢是我国当前普遍使用的典型冷作模具钢之一，广泛应用于制造各种类型的冷作模具。模具的早期失效，往往给工业生产带来重大的经济损失。本文通过对若干该类型模具的典型失效案例进行分析，试图对 Cr12 类型钢制模具的失效进行较为系统的研究，希冀了解其失效形式、失效机理及其与模具材料、加工过程和使用过程的关系。
（1）Cr12 类型钢具有高淬透性、热处理畸变小的热处理特性，拥有高强度、高硬度和高耐磨性等力学性能，但脆性较大是这类钢的致命弱点。
（2）Cr12 类型钢制冷作模具的早期失效可以发生在一系列的加工过程和服役过程中。发生于模具加工过程中的失效是一种比较常见的现象。
（3）Cr12 类型钢制冷作模具的常见失效形式包括脆性开裂、脆性崩落和磨损过快。模具因畸变导致尺寸超差也属这类模具的失效形式之一。
（4）Cr12 类型钢制冷作模具的早期失效与材料的特性、材料的冶金质量、模具的结构设计、锻造加工及其后续热处理、机械加工不良、热处理强化处理以及模具后期的线切割、磨削或电火花加工工艺、加工工序等一系列加工过程均有关系。
（5）在当前的模具生产水平和市场环境下，Cr12 类型钢制冷作模具的失效主要出现于模具材料的冶金质量、锻造加工和最终热处理等环节上。
（6）Cr12 类型钢的非金属夹杂物含量过多和共晶碳化物的偏析与粗化对其所制造的模具质量危害相当严重。
（7）Cr12 类型钢锻造加工工艺不到位以及其后的退火处理工艺不当，将使模具材料无法获得最终热处理前的良好组织。
（8）Cr12 类型钢制模具的热处理工艺不当更多的是表现在回火不足方面，而这种回火不足也常见于材料中因碳化物的不均匀性（包括碳化物块度过大和碳化物堆积等情况）严重导致组织偏析，从而使模具中因回火不均匀而引起整体回火不足。
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