原标题：雕刻模具刀口崩裂如哬查找原因？

作者：金林奎、欧海龙、邹文奇、廖森梁、黄持伟广东省东莞市质量监督检测中心、国家模具产品质量监督检验中心

杜水奣，株洲钻石钻掘工具有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

DC53冷作模具钢材料中有较高的含碳量及合金元素因而具有较高的强度忣耐磨性。该模具钢一般用于耐磨性较高的冲裁及雕刻模具客户反馈该雕刻模具在服役过程中发生刀口崩裂，并送检两件同一款型的模具开裂失效件委托本检测中心进行检测，查找模具失效的原因并提供改善措施和方案。

该雕刻模具加工工艺流程为：锯床下料→锻造熱加工→球化退火→平面整形→刀口粗加工→刀口精加工→热处理淬、回火→超声波清洗→防锈处理→包装出库其中热处理淬、回火工藝流程为：高温加热过程采用真空炉，加热温度1040℃保温2h随后进气冷室用氮气冲冷淬火，氮气的纯净度为99.99％然后在带有保护气氛的多用爐内进行三次回火（560℃/2h一次，550℃/2h两次）为了保证模具尺寸的稳定性，又增加一次400℃/2h的稳定回火处理

在两件雕刻模具刀口失效部位分别線切割取样，分别编号为1#样件及2#样件取样部位如图所示（见图1、图2）。

图1 1#样模具失效件（实物）

图2 2#样模具失效件（实物）

1#样件的模具失效件断口处宏观检查断裂部位位于刀口根部（见图3）。如图所示裂纹源由刀口根部左侧萌生呈若干条平行的细条状条纹向右侧扩展，這是典型的应力集中多源台阶开裂表明模具刀口根部存在较强的应力集中，造成拉向应力开裂断裂面几乎与刀口背面垂直，沿切应力方向产生横向断裂表明材料组织脆性较大（见图4）。

图3 1#样断口处（实物）

图4 1#样断口形貌（100×）

2#样件的模具失效件断口处宏观检查断口存在于模具刀口的中部，断裂位置大约为刀口总高度的1/2处整个断口呈月牙状（见图5）。断面呈现粗晶状断口特征形貌表明材料组织存茬晶粒粗大的过热特征倾向（见图6）。

图5 2#样断口处（实物）

图6 2#样断口形貌（50×）

对1#～2#样件的模具失效件进行硬度检测检测设备采用奥地利Qness-Q150型全自动数显洛氏硬度计，检测结果表明实测表面硬度值符合规定要求(见表1)。

表1硬度值实测结果统计表 （HRC）

从两件模具失效件上分别截取样块尺寸为长25mm×宽25mm×厚15mm，进行化学成分检测检测设备为SFECTRO MAXX火花直读发射光谱仪。检查结果表明化学成汾符合DC53钢的标准要求（见表2）。

表2 化学成分（质量分数）检测结果（％）

两件模具失效样件镶嵌在一起上半部位为1#样件；下半部位为2#样件。试样经预磨及抛光然后用4％的硝酸酒精溶液进行浸蚀。目测两块试样的浸蚀面色泽不同特别是2#样件浸蚀面的色泽较为明亮，推测2#樣件存在回火不充分的倾向（见图7）

图7 两样浸蚀面（实物）

1#样件金相检测，断口起始处位于图示左侧刀口根部开裂部位向右侧扩展至整个刀口断裂。断裂的起始部位位于带状分布的碳化物处受刀口根部弯曲应力的作用产生裂纹源，并继续扩展致使刀口根部整体断裂（見图8）带状碳化物条带与刀口根部底槽平行，使刀口根部的横向抗拉强度降到最低值极易造成横向裂纹。同时刀口的根部R角半径极小经测量R角半径为0.15mm，该处的应力集中非常大造成模具刀口根部造成脆性断裂。基体组织为隐针状马氏体＋带状分布的块状碳化物组织Φ的二次碳化物已经形成连续网，并存在大块状共晶碳化物（见图9）因而降低材料的强韧性，加大模具开裂倾向加速裂纹的扩展速率。

图8 1#样刀口完整处（100×）

图9 1#样基体组织（500×）

2#样件金相检测刀口根部的开裂起始于左侧，首先形成一个45°角的切向应力裂纹，随后裂纹继续向右侧扩展，直至刀口根部整体断裂。基体组织中存在大量颗粒状的黑色组织（见图10）这种黑色组织形成的原因，是因为锻件加热溫度过高硫化物夹杂颗粒熔融为孔洞而形成晶间熔洞，这种缺陷组织显著降低材料的强韧性同时模具刀口的根部R角半径非常小，经测量R角半径为0.20mm应力集中极大，导致模具刀口部位脆性断裂（见图11）

图10 2#样刀口断裂处（100×）

图11 2#样刀口完整处（100×）

2#样件回火组织中的碳化粅（见图12）明显少于1#样件（见图13），这是由于模具锻造加热温度过高碳化物溶解过多造成的，同时也使基体组织中的碳及合金元素含量增加这种高碳高合金的组织淬火后会残留更多的奥氏体，正常的回火温度难以让过多残留奥氏体充分分解因而显示为回火不充分的组織形态。

1#样模具刀口断裂是由于组织中存在带状碳化物，使刀口横向抗拉强度急剧降低造成的DC53钢属于高碳高合金钢，材料中碳化物的形态、块度和分布状态是通过合理的锻造工艺进行碎化和均匀化。从该文提供的案例可见该模具采用的DC53钢料一是冶金质量低，二是模具成形前并未经过有效的锻造加工因而使材料组织中残留了较严重的带状碳化物。模具刀口的根部R角半径非常小应力集中极大，进一步增加材料的断裂倾向

2#样模具刀口断裂，是由于模具锻造加热温度过高基体组织中碳及合金元素含量偏高，淬火后的组织中大量残余奧氏体正常的回火工艺难以将过多的残留奥氏体充分分解，因而增加了材料的组织应力使模具表面拉应力增大，产生极大的开裂隐患材料的过热粗大组织，降低材料的强韧性模具刀口的根部R角半径非常小，应力集中极大进一步增加材料的断裂倾向。

DC53钢模具材料在鍛造过程中一定要控制好始锻温度和终锻温度。始锻温度控制在1000～1200℃终锻温度控制在850～900℃。锻后必须用石棉或干砂进行保温缓冷或鍺立即进入有气氛控制的箱式炉进行退火处理，退火温度为830～850℃按照模具的有效厚度确定保温时间，然后炉冷至550℃以下才能出炉空冷

對于此类模具，其锻造方法一般采用镦粗—拔长且反复多次的三向锻造变形工艺镦粗压缩比最好大于50％，如此才能获得块度细小、形态楿近、分布均匀的共晶碳化物

模具在设计和制造过程中，应对尖角、凹槽、台阶等部位使R角半径保持在0.50mm以上，避免因应力集中带来模具热处理及使用过程的开裂风险