冷挤压模具的失效分析和提高寿命的途径
冷挤压技术具有明显的经济效益，所以自二次世界大战以来，世界各国竞相开发此项技术，我国在六十年代时期在有色金属冷挤压方面取得了很快的发展，黑色金属的冷挤压也有少量应用。我厂八十年代末开发了冷挤压技术，从调试开始自今，经历了不少波折，克服了许多困难，取得了许多宝贵的经验，终于使冷挤压技术在火花塞壳体上获得了成功应用，使我厂自行开发的冷挤压技术领先于同行业。本文就是根据我们的实际经验对于冷挤压模具的失效形式和提高寿命的途径谈谈自己的一些体会。
冷挤压模具的失效
在冷挤压过程中，模具失效的形式主要有四种，即磨损、塑性变形、疲劳破坏和断裂，其中磨损和疲劳破坏属正常失效形式。
磨损
冷挤时，由于被挤材料在模具表面激烈地流动，造成模具工作表面容易磨损，按照磨损机理的不同，冷挤压模具的磨损又分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。
粘着磨损
由于冷挤时被挤金属在模具表面的激烈流动，所以被挤金属与凹凸模工作表面产生相对运动，于是分别构成了滑动摩擦付，当表面不平时，便会出现峰顶接触，由于接触面积小，峰顶压力很高，足以引起塑性变形，导致接触还发生粘着现象。在相对滑动情况下，粘着点被剪切，塑性材料就会转移到另一工件表面上，于是出现粘着─剪切─再粘着的循环过程，这就形成了粘着磨损，我们的凹模芯及凹模出现的“拉毛”现象就属于此类。
引起粘着磨损的有以下几个因素：
材料特性
脆性材料比塑性材料的抗粘能力强。
性大的材料组成的摩擦付粘着倾向大，互容性小的材料（异种金属或晶格不相近的金属）组成的摩擦付粘着倾向力小。
从金相组织上看，多相金属比单相金属粘着倾向力小，化合物相比单相固溶体粘着倾向小。
因此，对冷挤压毛坯及模具进行表面处理来避免金属相互摩擦。如对豆料进行磷化处理，模具涂层处理就是基于此种原理。因此，在有条件时应对模具进行表面处理。
挤压速度
一般来讲，挤压过程中，挤压速度主要取决于被挤材料的可塑性所允许的变形速度。对火花塞壳体冷挤压来讲，其速度不宜太快。
表面光洁度
表面光洁度越高，抗粘着磨损能力越强。提高模具表面光洁度，可使接触面积增大，各点接触压力减小，但过高地提高表面光洁度，因润滑剂不能存储于摩擦付表面内，反而促进粘着，一般为Ra0.4至Ra0.2。
温度
由于冷挤时金属流动速度很快，所以产生的热量很大，通常达200-400℃以上，因此模具材料必须具备高的热稳定性，否则将因模具材料处于回火状态而降低强度，并促使粘着磨损的产生。
润滑油脂
润滑状态对粘着磨损影响较大，能适应高强度、重载荷的冷挤压油目前国内尚在研制中，还有部分依赖进口解决，目前采用的MoS2就是一种良好有润滑剂。
磨粒磨损
冷挤时由于润滑油的不清洁等因素，带有硬的颗粒进入模腔，于是产生微量切削或刮擦作用而引起模具表面脱落。一般情况，模具材料硬度越高，耐磨性越好，但在火花塞壳体冷挤中，必须先考虑提高材料强度和毒性，再考虑材料的硬度，以防脆断或早期破坏。
腐蚀磨损
冷挤压中的腐蚀磨损主要是氧化磨损，它是通过氧化物的磨损过程进行的。金属表面与氧化膜被磨损后又形成新的氧化膜，然后又被磨掉。它与滑动速度、接触压力、介质状态等有直接关系。
在冷挤过程中，粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损往往是相互伴随发生的。冷挤压的磨损实际上是一种复合磨损形式，如果稍微处理不当，磨损是相当厉害的。减少磨损的办法主要是良好合理的设计，降低摩擦，使金属流向合理，提高模具光洁度，选择合适润滑剂，选用耐磨性好的材料，以提高模具的耐磨性。
2、塑性变形
火花塞壳体所需的单位挤压力是很大的，尤以四序为最大，共有420KN，而凸模主要工作截面直径不到15mm，且最小处仅为Φ8.6mm，在冷挤时所受的负荷很大，在材料一定的情况下，只要热处理稍有不慎，即可能发生镦粗、折断的现象。
四序冲头发生镦粗的现象是由于挤压时，它所受的工作应力超过弹性极限，在最初的几次或几十次便会出现直径漲大0.1或更多，曾发生由于冲头涨大而卡死，造成模具损坏。镦粗部位一般发生在距工作端部长约1/3-1/4凸模长度的地方。
防止模具产生塑性变形的方法是选择合适的模具材料，采用先进的热处理工艺，使其在保持韧性的前提下，尽可能具有足够的强度和硬度。
3、疲劳破坏
疲劳破坏属于冷挤压模具一种正常的失效形式，它是由于应力的反复作用，在应力集中部位造成疲劳裂纹，疲劳裂纹扩展而造成断裂破坏，这在凸凹模随处可见。火花塞壳体冷挤压中，疲劳破坏最多的是四序冲头及四序凹模，这跟它们的受力状况有关。四序属于复合挤压，先正挤、随后反挤，正挤时，冲头承受压应力，当同心度不是很高时，还受弯曲应力。反挤时，先承受压应力和弯曲应力，在回程时还受到拉应力，即冲头呈不对称循环的交变应力作用，从而导致疲劳裂纹的产生。同时冲头在冷挤过程中，由于火花塞壳体变形时的热效，应和流动金属与模具表面的摩擦，都有大量的热产生，使冲头温度升高，通常都在200-400℃以上，从冲头工作端部色看，甚至可达500℃以上。当退出工作，加润滑剂及工作间隙，模具表面散热降温，这就使冲头表面受到交变的热应力作用，将导致热疲劳裂纹的产生。凹模在挤压过程中，同时受到径向、轴向和切向拉应力。径向和切向拉应力是金属变形时对凹模型腔内壁的压力所造成的，轴向拉应力是由于由于金属剧烈流动与凹模内表面发生强烈摩擦形成的。同冲头一样，还受到热应力的作用。在这四种应力的反复作用下，在凹模的内壁易造成径向疲劳裂纹，一般发生在应力集中的部位。
4、断裂
断裂是冷挤压发生的一种不正常的失效形式，按断裂的性质有韧性断裂和脆性断裂两种。
韧性断裂是应力超过屈服极限，这在冷挤压中不存在。
冷挤压模具基本上属于脆性断裂，在断裂前没有屈服现象。在火花塞壳体冷挤压的实践中，我们见到的脆性断裂主要有两种情况：一种情况是机械手失灵造成冲头及凹模不正常断裂及前序冲头断头被送入后一工序而引起冲头折断。另一种是由于设计及热处理原因造成不能使用而产生的断裂，四序凹模芯就经常发生。
根据几处的生产实践，冷挤压模具的损坏都与上面所述的四种失效形式相联系，有的是几种失效形式结合起来产生破坏的，所以提高模具寿命的途径也与克服和防止这四种失效形式分不开。
二、提高模具寿命的途径
1、模具设计和制造应尽可能避免应力集中
实践证明，模具形状的微妙变化对模具寿命的影响很大。例如四序冲头头部过渡R原为R1.5，后改为R2.5，模具寿命也由原来的无法使用或寿命不足5000次提高到10000次，最多可达30000次以上。
在模具设计时，凸凹模的过渡部位应避免夹角，采用适当的圆弧过渡，以减少应力集中，模具寿命可大幅度提高。在模具制造时，也必须保证设计要求，例如圆弧过渡加工不好也是不好使用的，因此，我们应尽可能采用现代化的加工手段来保证。例如通过仿型磨来加工工作型面，利用珩磨新工艺加工六方凹模，都取得了明显的效果。
2、正确选用模具材料和热处理工艺
目前国内冷挤模具材料主要有Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2高速钢、基体钢、硬质合金、钢结合金、科研院所研制的多种冷挤模具钢。
Cr12类钢模具，抗冲击性高，但它的抗弯强度、耐磨性和高温抗磨性较差。
W18Cr4V及W6Mo5Cr4V2高速钢的抗压强度、抗弯强度、耐磨性、红硬性均高于Cr12类钢。高速钢在过去主要是用于刀具，做模具少有应用，这是由于人们一直沿用老工艺，所以寿命总是很低。只是近廿十年来，亚温淬火风行世界各国。实践证明，高速钢模具亚温淬火后，晶粒度一般在11.5-12级，可获得很高的韧性，而其它性能指标并不低于老工艺所获得的性能指标。亚温淬火就是将淬火温度降低20-80℃，此外，采用贝氏体等温淬火也是获得高韧性的一种热处理方法，使用效果很好。
根据火花塞壳体冷挤压的特点，每一工序受力状况的不同，所以不同模具的应力状态不一样，模具寿命也有很大差异。有的工序凹模可用硬质合金制造，而有些工序则不能采用。硬质合金是一种很有发展前途的冷挤压模具材料，在我厂复合电极冷挤中已取得好的应用。
基体钢由于具有高速钢的性能而韧性又高得多，因而在近廿多年来得到广泛应用，这是由于基体钢是在高速钢的基础上降低含碳量增加多种合金元素而得到的钢种。在冷挤压行业中也得到了广泛的应用。我们的凹模芯采用此种材料制造，估计将有明显的效果。
3、提高模具表面光洁度
提高模具表面光洁度，可以减少突然折断的不正常破坏，特别可以大大提高疲劳强度。非工作面的光洁度也应达到Ra0.8左右，这样可以避免非工作部位疲劳裂纹的产生。
4、使模具表面保留残余压应力
由于模具间隙不均或毛坯端面不平等多种原因，导致凸模承受很高的弯曲应力，使模具表面保留残余压应力有利于防止疲劳破坏。有以下几种方法可使表面获得残留压应力。
喷丸处理
对模具进行正规淬火回火后，对粗加工表面进行喷丸硬化，然后进行磨光，使表面具有压应力，其抗弯能力和耐磨性有显著提高。
滚压表面
对模具表面进行滚压，使其光洁度高且有压应力，可明显增加疲劳强度。
5、防止加工时产生裂纹
在模具进行磨削和电火花加工时，都可产生裂纹，措施是尽可能减少预留的磨削余量，磨削时要采用小进刀量，选用锐利的砂轮，以减少磨削时的发热量，磨削后要进行削除应力回火。
用电火花加工模具型孔时，要防止加工表面引起裂纹，主要方法是放慢电火花的加工速度，这样可做到时电弧能量小、热量少，还可采用再回火处理（较原回火温度约低50℃），在压装模具后，采用消除应力回火。
6、对凸凹模经常进行去应力回火
疲劳破坏是积累引起的，凸凹模在使用一段时间后，最好能进行消除应力回火，这对防止疲劳裂纹的产生、提高模具寿命有利。在模具入库前，也应进行一次去除应力回火，延长模具寿命。
7、进行表面处理
对模具进行表面处理不但可提高耐磨性，而且由于表面处理后，表面留有残余压应力，疲劳强度也得到改善。
表面处理有以下几种方法：
软氮化处理
软氮化处理即低温渗氮。它具有不受钢种限制和处理温度低、时间短等优点，经软氮化处理的模具表面可获得一层硬而不脆、并有一定韧性的组织（Fe3N的ε相），因而模具寿命可提高。
滲硼
渗硼是使模具表面获得一层高硬度的金属硼化物，因而能显著提高模具的耐磨性。
气相沉积
使用气相沉积的方法，使TiC或TiC化合物560℃涂覆在模具表面，能显著提高模具表面硬度（HV1500以上），且能大大降低摩擦系数，故能有效提高模具寿命，在国内外已广泛利用气相沉积法处理工模具，我厂也有部分应用。
采用边界润滑涂料
由于润滑涂料分子的有序排列，其润滑效果明显，具有一定的实用价值。
不断提高坯料处理的质量
由于我们对坯料退火工艺进行了一系列改进，使坯料的可塑性大大提高，但是磷化处理的质量还不是很理想，要想取得好的效果，必须不断提高坯料的质量。
提高模具寿命的途径可能还有一些其它方法，但我们根据多年生产的实践，认为主要是这些。随着生产力的发展和工艺水平的提高，只要遵循冷挤压的客观规律，模具寿命是可以稳定和提高的。
