按照磨损机理，磨损包括磨粒磨损、粘着磨损、疲劳（含冷热疲劳和机械疲劳）磨损、氧化（腐蚀或化学）磨损。研究锻模的失效是要找到失效的根本原因，采取预防措施，尽量避免早期和偶然失效，延长正常失效的时间。

根据模具的磨损形式，典型的锻模正常失效类型主要有：磨蚀、热疲劳裂纹、机械疲劳裂纹、粘着和塑性变形。当然，还有脆性断裂损坏，那是由于不正常操作或锻模先天质量不合格造成的，属于非正常破坏，属于早期失效或偶然失效。

1）磨蚀

在模锻加载过程中，模膛表面与热坯料的热传导加剧、金属流动与模膛表面摩擦产生巨大的热效应，在二者的共同作用下，会引起很高的瞬时温升，产生氧化反应。氧化反应所形成的氧化膜在锻造载荷和金属流动冲刷作用下会剥落，成为磨粒。如果模膛表面的瞬时温升使模具材料软化或熔融时，沿模膛表面流动的金属就会将模具的已软化或熔融部位冲刷起皱、加速腐蚀，形成凹坑。

模具在正常使用情况下，在高温、高压条件下的模膛表面，由于氧化皮、润滑剂中的硬质颗粒及其他固体颗粒等随金属流动的冲刷以及环境介质的腐蚀，引起模具表面机械磨损、氧化、腐蚀和熔融，这些统称为磨蚀。磨蚀大多以较缓慢的速度进行，但它是锻模最觉的损坏形式，其主要特征是外圆角和棱角半径增大、平面下凹或出现凹坑、表面沟痕、剥落和粘模等。

（1）热锻模具模膛表面各部位的摩擦和磨损主要取决于相应部位的受力状态、几何形状和表面粗糙度等。根据各部位所受的负荷和金属流动特征，模膛表面大致可分为三个区域：压（应）力区（无滑移区或死区）、剪切（应力）区（滑移区）和过渡区（微滑移区）。

①压（应）力区或称无滑移区。坯料相对于模膛表面基本不流动，模膛主要承受压应力的作用，实质上相当于镦粗工序的死区。该区域的中心部位可能产生极高的压应力，可能将模膛表面局部压凹，也可能发生坯料与模膛粘结，在模锻钛合金和铝合金锻件时，这种坯料粘结在模膛上的现象时有发生。在压应力的作用下，模膛表面不断粗糙化，逐渐形成点状抗穴，最后扩展为网状的压痕。

②剪切（应力）区哉称滑移区。坯料相对于模膛表面剧烈流动，模膛承受坯料流动形成的剪切应用作用，此外也还承受压应力的作用，该区的受力状态相当于镦粗工序的最大变形区。该区（特别是模膛表面已因回火而软化的部位）在金属流动的冲刷作用下，将模膛表面拉伤，形成与金属滑移方向一致的沟槽。

③过渡区或称微滑移区。一般位于滑移区和死区之间。其受力状态和磨蚀特征都介于二者之间。其磨蚀特征是在金属滑移方向形成具有椭圆形凹坑的间断沟槽。

（2）热锻模的机械磨损和腐蚀、熔融磨损出现的部位的状态。机械磨损和氧化磨损主要导致模膛尺寸和形状发生变化，最终使模具的外圆磨钝和模膛侧壁扩展致使模报废；而腐蚀和熔融主要影响模膛表面质量，使锻模形成严重折皱和凹坑而无法修理，造成报废。

2）粘着

当锻造润滑不充分时，工件和模具的相对滑动表面在摩擦力的作用下，氧化膜破裂，新鲜金属表面裸露出来，在分子力的作用下，两个表面发生焊合。若变形莲荷不能克服焊点的结合力，工件将粘附在模具上；若变形载荷能够克服焊点的结合力，工件将被撕裂，部分工件金属粘附在模具上。按照磨损机理，粘着是磨损的一种形式。

化学性质活泼（如铝和钛等）和互溶性强的金属粘着性大。热稳定性低和内应力大的显微组织粘着性大。载荷大、温度高和滑动速度快的变形粘着性大。此外，环境介质对粘着性也有影响。

3）机械疲劳裂纹

（1）机械疲劳裂纹及其形貌：锻模在长期连续使用过程中，由于脉冲负荷的作用，在应力最高的薄弱部位逐渐疲劳，萌生微裂纹。微裂纹进一步扩展成为机械疲劳裂纹，继续使用该模具，裂纹变得越来越大，最后模具突然断裂破坏。

疲劳裂纹总是从模具表面和内部的缺陷处开始的，当模具内部受力不均匀，局部区域就会出现较大的应力集中，在循环载荷的反复作用下，应力集中处最先萌生裂纹，在连续使用过程中，裂纹扩展，最后引起断裂。当模具材料的断裂韧性高可有效防止裂纹萌生及降低裂纹扩展速率，从而减少疲劳断裂失效。

（2）常见机械疲劳裂纹的产生部位：机械疲劳裂纹一般首先出现在模膛表面，产生的部位因模膛的结构而异。当模膛表面存在冶金缺陷或机械损伤时，由于应力集中使机械疲劳提前发生，例如在模具尺寸过渡（圆角、尖角、凹模）处、刀痕、磨损沟痕和材料冶金缺陷（夹杂、严重偏析）处。在载荷的作用下，当这些部位的应力超过材料疲劳极限时，就会产生机械疲劳裂纹。在模具疲劳裂纹引起的失效中，锤锻模比机械压力机模具多30%左右。

疲劳裂纹易发生在模膛底部承受较大弯曲力矩的拐角部位，其伸展方向与锻击方向呈45^。，对于圆截面模膛侧壁，疲劳裂纹也易产生在深而窄的模膛底部及凸缘根部，因应力集中和受弯曲力矩而形成沿凸缘根部伸展。因为曲轴的形状结构决定金属在填充模膛过程中首先要进行轴向流动，即向长度方向运动，使模膛的凸缘部位反复推拉运动，在巨大的弯矩作用下，凸缘根部势必产生疲劳，形成疲劳裂纹。当长期作用在凸缘根部的力矩超过模具的疲劳极限时，根部开始开裂，严重时可使凸缘连根拔掉，疲劳裂纹也是曲轴模具失效最常见的形式之一。

4）冷热疲劳裂纹

冷热疲劳裂纹包括冷热疲劳引起的冷热疲劳裂纹和相变引起的相变裂纹。冷热疲劳裂纹以网状的形式出现，也有呈放射状、平行状等细小裂纹或局部崩裂形式出现，也称“龟裂”，冷热疲劳裂纹经常是产生折皱的前奏。产生冷热疲劳裂纹的主要原因是模锻过程中坯料在加载状态与模膛的接触时间过长和模具预热和冷却不当。“龟裂”多数出现在模膛中变形金属流动缓慢的部位。模具正常损坏报废时，其表面均有微小的网状裂纹（龟裂）。

5）塑性变形

模具在生产过程中承受有大的不均匀应用，当模具的某个部位的应用超过当时温度下模具材料的屈服强度时，则发生塑性变形，从而改变模具的几何形状或尺寸，造成模具失效。

在热负荷反复作用下，模膛表面会发生回火，硬度降低，在锻造载荷的作用下，模膛的变形金属高速流动的部位被剧烈的摩擦热效应进一步软化，或模膛某部位在高温金属包围中而软化，如曲轴模膛中的凸缘，会产生局部区域的塑性变形，常见于模膛塌陷、模膛侧壁扩展、凸台和棱角倒塌等。

此外，在模锻过程中，如果模具钢强度不足，也会使模壁产生塑性变形或模具承击面积太小而产生塌陷，深挤压冲头在高温金属包围下易软化，并在挤压时产生弯曲变形。

6）脆性断裂

脆性断裂是以模块折断、劈裂和脆裂等形式出现，一般是由于坯料温度过低、无锻件空击、锻模预热温度过低（尤其是冬季）和锻模安装不当等操作不当以及模具材质低劣、模膛表面应力集中等原因造成的。

当模块出现过热、过烧、回火不足、内应力过大、材质存在严重冶金缺陷（如组织不均匀，严重成分偏析、夹渣、淬透性差或模块锻造比小，未能揉碎碳化物）、大型锤锻模内部存在残余应力时韧性不足、模膛内内圆角过小、模膛表面有刀痕或表面粗糙时，都能造成应力集中，即使在正常操作和较小的机械负荷情况下，也可能造成锻模脆性破裂。

例如，某锻造公司新制造的16MN摩擦压力机模架，垫板厚度60mm，材料5CrNiMo，上面有12mm深的十字键模，还有四条开通的紧固模具的梯形模，使用一个月后即发生脆性断裂。经检测是材料的镍含量低，且硬度过高（52HRC）所致。众所周知，5CrNiMo硬度大于48HRC时，冲击韧性ak值下降很快，这是造成垫板脆性断裂的原因。后来，按原设计图纸制造的新垫板（图形相同，化学成分合格，硬度45HRC～47HRC），即达到正常使用要求。

再如，某锻造公司每年有几十套锻模的十字键槽断裂，其原因是十字键槽的内圆角太小（R2mm）产生应力集中而造成的。十字键槽的内圆角太小，若有刀痕或粗糙度高，再加上模具预热温度低或不均匀，极易造成模具断裂。

必须指出，上述热锻模具的每种失效模式（磨蚀、热疲劳裂纹、机械疲劳裂纹、粘着和塑性变形）并不是单独发生、发展而孤立存在的，而是由于热锻模具的工作条件十分复杂，在一副模具上往往出现多种形式的损伤。这些损伤往往相互作用与促进，会加速锻模的失效过程。例如，磨蚀的沟痕既可以成为机械疲劳断裂的裂纹源，加速疲劳裂纹的萌生和扩展，也可以由于应力集中成为脆性断裂的起点。再如，冷热疲劳裂纹或机械疲劳裂纹也会加速锻模的磨蚀和脆性断裂。

坎内潘（Kannappan）对德国20个企业所使用的锻锤和压力机锻模共160种、2300个不同模具模膛的损坏情况的进行了统计，得出如下规律：

1）磨损失效所占比较最大

在四种失效类型中，磨损失效所占比例最大，约占70%；其次是机械疲劳裂纹，占25%；冷热疲劳裂纹和塑性变形较少，二者约占5%

而在以磨蚀而报废的锻模中，因外圆角磨钝和模膛侧壁扩展而导致模具报废的数量分别约占全部报废锻模数量的40%和20%。其他损坏模式所占的数量均较少。以磨蚀而报废锻模的各种损坏模式按照如下顺序递减：外圆角磨钝—模膛侧壁扩展—凹抗—折皱。

2）底角裂纹导致模具报废是机械疲劳裂纹的主要表现形式

在以机械疲劳裂纹而报废的锻模中，因底角裂纹而导致模具报废的数量约占全部报废锻模数量的20%；包括冷热疲劳裂纹失效在内的其他损坏模式的总和约占10%。

以机械疲劳裂纹而报废锻模的各种损坏模式按照如下顺序递减：底角裂纹—纵向裂纹—底部局部碎裂—壁角裂纹—凸台根部裂纹—横向裂纹。

3）锻模不同失效模式的寿命比较

当锻模以模膛扩展模式报废时，模具寿命最高；依次是外圆角磨损、凹坑、底角裂纹；当锻模以热裂纹和折皱报废时，寿命最低。

4）锻模结构与锻模失效模式的关系

当锻模结构或锻件类型不同时，锻模的主要失效模式也不同。对于具有凸台肋、辐条和展宽结构的锻模，主要失效模式是裂纹；对于轴类和平面结构的锻模，其主要失效模式是磨蚀。

5）锻模的失效模式与锻造环境有关

在锻模的所有失效类型中因冷热疲劳裂纹失效、塑性变形失效和脆性断裂失效的锻模数量较低。但在高温合金、钛合金和铝合金等特殊材料的锻件生产中，由于锻造载荷大和模具温度高以及金属化学性质活泼等原因，锻模的粘着和塑性变形失效明显增加。

显然，改善润滑和隔热条件及提高模具预热温度，杜绝模膛表面马氏体相变和回火，使金属均匀、平衡流动，降低变形抗力、减少滑移量和滑移速度是减少模具磨损、提高其寿命的重要措施。

友情推荐：4Cr3Mo3W4VNb（GR）钢