在模具制造过程中，为了防止模具开裂，应根据模具的形状、尺寸、技术要求及淬裂倾向等，选择适当的、质量优良的钢材，正确进行模具毛坯材料的取向、锻造及预备热处理，保证机械加工质量，制定合理的热处理工艺规程，并进行正确的热处理操作等。

1.防止模具开裂的措施

（1）正确选用钢材 一般来说，碳素工具钢中含碳量高的比含碳量低的开裂倾向要大，合金工具钢比碳素工具钢的开裂倾向要小。对大型复杂模具应选用淬透性好的模具钢。一般情况下，钢中合金元素含量越多，则它的淬透性越大，且所需的临界淬火冷却速度越小，即可以用较温和的淬火冷却介质使钢进行淬火冷却时形成较小的内应力，以避免形成淬火裂纹。而钢的淬透性指标，一方面可以为设计者在考虑模具热处理后的硬度能否满足工作状态使用性能的要求时提供依据；另一方面，在衡量模具淬火过程形成裂纹敏感性时，可以作为参考。

（2）严格控制原材料的内在质量 如果模具钢坯料中有缩孔、夹层、白点及严重的树枝状偏析等缺陷，则在加热和锻造时易于产生裂纹。为了避免锻造加工产生裂纹，在钢材投入生产前，应首先对锻坯进行一次低倍的热酸蚀检查。对于有较严重的碳化物偏析的钢材，可以通过加大总的锻造比或增加镦粗与拉伸次数来改善碳化物的不均匀性，从而减少模具钢热处理的开裂倾向。

（3）正确设计模具 改进模具结构、合理确定技术条件非常重要。模具各部分的壁厚要尽量均匀，减少截面尺寸的急剧变化。设计模具形状和尺寸时应当注意：①如果既对防止裂纹有必要又不影响其使用性能，则可将模具较厚的部分和较薄的部分先分别加工成形，然后再装配在一起；②为了减少淬火应力，在不破坏整体结构的基础上可附加工艺孔，或将盲孔改成通孔；③大型模具也可以制成中空的结构。如图4-34所示就是利用对壁厚不均匀的模具增开工艺孔，来增加冷却均匀性，减少开裂倾向。

模具在设计形状时还要避免有尖锐的棱角，因为淬火时在尖锐棱角处容易形成应力集中，以至引起开裂，或者在使用过程中因尖角处的应力集中引起早期疲劳破裂。

图4-34 模具增加工艺孔减少开裂倾向的示意图

此外，合理地确定技术条件也是减少淬火裂纹的办法之一。例如，局部硬化或表面硬化即可满足使用性能要求的模具，尽量不要整体淬火；对于整体淬火钢件，局部可以放宽要求的，尽量不强求高硬度。图4-35所示为T10钢制冲模（凸模），要求硬度为58～62HRC。如果要求工作刃口（A面）和装夹面（B面）硬度一致，则淬火冷却时极易在B面的螺纹孔处产生弧形裂纹。实际上，该模具并不需要整体硬度一致，在刃口硬度满足58～62HRC的前提下，其余部分的硬度为30～35HRC即可。因此，在淬火时只要根据A面的有效尺寸，控制好其在水中的停留时间，并适当地降低B面的冷却速度，便可减轻淬裂倾向。

图4-35 冲模（凸模）

模具开裂多数是由在冷却时产生的拉应力和压应力不均衡而引起的，所以设计模具时对其结构、形状必须予以特别的注意，应尽量避免尖角并使得壁厚均匀，如图4-36所示。实际上，要求所有的模具设计完全达到理想的形状并不现实，但可以通过选择合适的材料和热处理方法来弥补形状结构上的不足。当然，即使采用空冷钢，由于形状、结构存在缺陷或热处理操作不当也会产生开裂。因此，在考虑热处理操作能否产生开裂的问题时，一定要和模具形状的影响紧密地联系起来加以考虑。

（4）合理选用锻造方法 选用锻造方法时应考虑模具的工作要求和原材料的情况。一般来说，对于较小锻件或心部质量要求不是很高的模具锻件可采用轴向反复镦拔，通常高合金钢需不少于三火（即三次加热三次镦拔成形）；对于工作部位在心部的某些模具的锻件，尤其像冷镦凹模等工作部位不太深的模具，可采用反复镦拔，沿纤维方向横向拔出成形；对内部及外部质量要求很高的锻件（如冲模、拉深模），可采用十字镦拔和三向镦拔方法（即对钢料轮番从三个方位进行反复换向锻造）。镦拔的次数取决于碳化物不均匀的级别和对锻件碳化物不均匀度级别的要求，一般每镦拔三次可提高1～2级。采用六面锻造方法（该工艺是三向镦粗和拔长的联合工艺，每次镦拔都要有一定的锻造比，以使共晶碳化物逐步变成无规则的均匀分布），有利于改善莱氏体钢内部存在的粗大枝晶状共晶碳化物有效。

图4-36 模具形状设计好与不好的示例

a）内腔 b）机械零件 c）凸起处 d）厚截面和薄截面 e）内部或外部凸起或沟槽 f）位置的设计

锻造比是指锻造坯料在锻造前后的横截面积之比。锻造比越大，则杂质破碎细化程度越大。如果锻造比太小，则不能改变碳化物的形状及分布状态。当碳化物级别高时，应使总的锻造比（反复镦拔时总的锻造比等于各次锻造比之和）大于6（对于高合金钢，总的锻造比一般选取8～10）。由于工具钢的热变形抗力比普通结构钢大好几倍，因此反复镦锻时每次的锻造比应为2左右，不宜太大。

改进锻造工艺与操作以及球化退火工艺，可消除网状、带状和链状碳化物，改善球化组织的均匀性。在生产中常见的Cr12型钢成为豆腐渣状或因内裂而报废，都是因锻造工艺不当而造成的。

（5）进行去应力退火 对在机械加工后或冷塑变形后的模具进行去应力退火（一般在550～650℃保温2～4h），可以消除内部残余应力，并使其在后续加工过程中（如磨削、电加工）减少开裂倾向。

（6）合理进行预备热处理 如选用正确的退火（如球化退火）及调质工艺等。钢件淬火前的原始组织和应力状态对形成淬火裂纹有一定的影响，因此为改善其应力状态并为后续淬火奠定良好的组织基础，应当正确地进行钢件的预备热处理。对截面尺寸较大（直径或厚度50mm以上）、容易形成弧形裂纹的高碳钢制件，可进行正火处理（尤其组织中有网状碳化物时），以获得较小的片状珠光体；对截面尺寸较小的高碳钢和低合金工具钢件，可采用球化退火工艺，以获得球状珠光体组织。

实例3Cr2W8V钢韧性、塑性较差，在生产中易产生裂纹，原锻造后退火工艺路线为：500～600℃装料→（790±10）℃×2h加热→空冷至550℃+升温至600℃均温后保温2h→空冷至550℃+再升温至660℃均温后保温25h→空冷至400℃后以20℃/h冷至200℃出炉。退火后在表面清理检查时发现纵向裂纹，裂纹都是由表面向内扩展，裂纹深度大于其半径。

现采用（790±10）℃均温后保温2h，然后以≤30℃/h冷却至550℃，再升温进行去氢退火，则可完全可避免马氏体的产生，不但能够使锻件获得粒状或球状珠光体组织，还避免了裂纹的产生。

（7）合理制定热处理工艺规范 适宜的热处理规范包括：合理装炉（保证加热均匀）、正确加热（对高碳高合金钢及截面变化大的模具应缓慢加热、合理保护以防止氧化脱碳）、选用合理的淬火温度和保温时间、采用合适的淬火冷却介质及冷却方式（如采用PAG水基淬火冷却介质并采用预冷淬火、双介质淬火、低温淬火、分级淬火、等温淬火及复合淬火等冷却方式）。生产实践证明，淬火时使钢在马氏体转变区域内缓慢冷却，是防止裂纹形成和提高模具使用寿命的重要措施之一。

1）对形状复杂的模具应采用石棉堵塞螺纹孔，包扎危险截面和薄壁处，并采用分级淬火或等温淬火来防止裂纹的产生。

对高碳钢模具的淬火，一般都采用双介质淬火法，即水淬、油冷的工艺方法。由于模具形状各异，且分布着各种孔洞（如固定和紧固模具用的光孔、阶梯孔或螺纹孔等），因此对高碳钢模具来说，有选择地堵孔极为重要。这样做的目的是使模具各部分冷却速度尽量均匀，以防残余应力过大，超过该处的断裂强度而产生裂纹，使模具报废。对此，可采用以下几种堵孔方法：①黏土堵孔方法，即选用较干燥（有一定粘结力的前提下）且黏性较大的黏土泥堵住孔洞，再分层用锤子砸紧实，对于光孔及阶梯孔，宜砸成铆钉状。②耐火泥堵孔方法，即用水玻璃与耐火泥搅拌均匀（搅拌成比糨糊状略干即可）后堵孔，在高温加热时，孔的两端水玻璃与耐火泥会膨胀成铆钉状，起固定作用，效果较好。③棉绳堵孔方法，即用石棉绳堵孔，最好在石棉绳中浸少许水玻璃，若没有水玻璃，用干石棉绳也可以，但必须使石棉绳在孔中相互牵连拉扯，为了达到这一目的，所用石棉绳的量要大于将该孔堵紧实时所需要的量，并用直径为孔径1/2的圆钢棒和锤子将其砸紧实。

图4-37 用铁皮包扎的冲压凹模示意图

为了避免形状复杂模具的薄壁处在加热时过热或在冷却时过冷，生产现场也常用铁皮包扎或石棉绳包扎薄壁处的方法来减缓其加热或冷却速度，以防止裂纹的产生，如图4-37所示。

2）返修或翻新模具时需进行退火或高温回火。

3）模具在淬火加热时应采取预热措施（尤其是大尺寸和高合金钢模具最好采用分段预热方法，如合金钢第一次预热500℃左右，第二次预热800℃左右）且冷却时采取预冷措施，并选择合适的淬火冷却介质。

4）应严格控制淬火加热温度和时间，防止造成模具过热和过烧。在保证模具性能要求的前提下，尽量采用下限淬火加热温度，尤其对具有薄边的碳素工具钢模具或有内尖角的合金钢模具，这样做有显著降低淬裂倾向的效果。例如，T10A钢凸模在830℃加热双液淬火后严重开裂，而改为780℃加热后，在同样淬火冷却介质中淬火不再开裂；用45或50钢制作的小截面模具辅助零件，常规采用820～840℃加热淬火，易于开裂，后改为790℃充分透烧淬火（即临界淬火工艺），降低了淬裂的废品率。

5）采用合适的冷却方式。模具的淬火开裂大多发生在冷却阶段，因此模具在淬火冷却时应尽可能采用缓慢的冷却方法，如采用热介质（热油、碱浴、硝盐浴等）分级或等温淬火，以减少变形与开裂倾向。

6）模具淬火后应及时回火，保温时间要充分。淬火后的模具最好在其冷至70～80℃再进行回火，以防开裂。同时，必须保证充分回火。实验证明，碳素工具钢在200℃回火1h和2h，应力分别消除50%左右和75%～80%；在500～600℃回火1h，应力消除90%左右。因此，必须充分回火，以防在热处理后的磨削中产生裂纹或开裂。对合金钢，在回火时还会发生残留奥氏体向马氏体的转变，因此只有充分回火，有时要多次回火（如高合金复杂模具应回火2～3次）才能消除残余应力，得到所需的组织和性能，并避免后续的磨削和电加工中的变形和开裂。此外，还要正确选择回火后的冷却方式，并避免在回火脆性区回火。

（8）正确制定淬火后的机械加工工艺规范

1）制定正确的磨削工艺，选择合适的砂轮、切削液及磨削进给量，可减少加工应力，避免产生磨削裂纹。例如，T10A钢制冷镦螺钉光冲模，其型腔深而陡，使用中经常发生早期塌陷失效，寿命小于4000次，经分析，其原因是由于磨削型腔时砂轮进给量过大，使表面烧伤软化，导致表面出现网状裂纹，后改进磨削工艺，光冲模寿命显著提高，稳定在3万次以上。

2）改进模具电火花加工工艺，并进行去应力回火，以防止裂纹产生。

3）改进线切割加工工艺。线切割加工后，模具表面会形成一定厚度的变质层。变质层非常不稳定，它的存在不但使模具表面产生非常大的拉应力，而且导致模具晶粒粗大，强度低，极易形成细微裂纹，甚至有时受到轻微冲击就会开裂，所以对模具寿命非常不利。对此，如果采用线切割后再精磨切割面的方法来消除变质层。则模具的寿命可以大大提高。(www.daowen.com)

为了提高模具寿命，必须在线切割加工后以略低于原来的回火温度再回火一次来提高模具的韧性。线切割加工后再次进行回火处理，在一定程度上能使粗大晶粒组织得到细化，这对消除应力、防止开裂、提高模具的耐磨性及寿命无疑是一种重要的热处理工艺措施。当然，如果其他条件允许，把线切割电加工放在热处理之前，更有利于改善加工表面的质量。

（9）模具淬火裂纹的补救方法 如图4-38所示，在锻模燕尾部位产生裂纹。建议按下列情况进行处理。

1）若上模的裂纹长度小于10mm，或下模的裂纹长度小于35mm，允许经修补后使用；若a∶b≥2，裂纹深度在25mm以内时，可以补焊；若a∶b≤2，裂纹深度在35mm以内时，也可以补焊；如果裂纹情况超出上述规定，则必须报废。

2）裂纹应全部切除，直至完全露出金属面为止，切口宽度最小不得小于22mm（见图4-38）。此外，需注意切口及切槽应便于补焊。

3）补焊前，锻模需预热到450～550℃。

4）补焊时，用直流或交流电焊机均可。使用的焊条应符合或接近被补焊锻模的化学成分和性能。焊条直径选择ϕ4～ϕ5mm即可。用ϕ4mm和ϕ5mm焊条时，其电流强度可分别选160～180A和180～200A。

5）补焊后立即放入450～550℃炉中进行预热，然后升温到650～680℃进行退火。

6）检查合格后应先进行机械加工整形，然后再进行正常的淬火和回火处理。

图4-38 锻模裂纹切除示意图

2.防止模具热处理开裂的措施与实例

实例1 带尖角的薄壁模具（尺寸为70mm×80mm×60mm），材料为CrWMn钢，要求淬火与回火处理。

（1）原工艺及模具开裂情况 按普通工艺淬火后，模膛尺寸经常胀大0.04～0.06mm或开裂而报废。

（2）改进措施与效果 采用淬火加热后在200～210℃热油中等温停留30min，然后随炉冷却，一般只胀大0～0.02mm，消除了淬火裂纹，达到了技术要求。

实例2 带尖角的薄壁模具（见图4-39），材料为CrWMn钢，要求淬火与回火处理。

（1）原工艺及模具淬火裂纹情况 经一般工艺淬火后，常发生尺寸胀大并在尖角处出现裂纹（见图4-39）。

（2）改进措施与效果 将模具装入RX3-15-9型箱式电阻炉中，随炉升温，淬火加热810～830℃×2.5h，然后采用分级淬火（160～180℃碱浴中等温15min，转入160～220℃油炉中冷却）。经检验，模具硬度为59HRC，变形为0.01mm，无裂纹产生。

图4-39 CrWMn钢制薄壁模具的淬火裂纹示意图

实例3 大型压模，外形尺寸ϕ371mm（外径）×70mm（厚度），在模具上均布24个小槽[13mm（宽度）×12mm（深度）]和24个ϕ13mm通孔，以及多个其他通孔，材料为45钢，要求整体淬火与回火处理，硬度为38～43HRC。

（1）模具特点 该模具特点是形状复杂、多孔多槽且截面尺寸厚薄相差很大，模具尺寸较大、较重、操作不方便，常规淬火容易出现淬火裂纹。

（2）措施 采用断续淬火法解决淬火开裂问题。其工艺过程如下：为了防止薄壁处产生过热，用石棉绳堵塞全部边孔。在850℃的RX3-60-9型箱式炉中保护加热，透烧后预冷至810～830℃。淬入水中，停留2～3s后提出在空气中冷却1～1.5s，重复3次。出水后检查硬度较高，再在350℃保温1h（回火）后空冷。检查质量合格且无裂纹。

实例4铝合金挤压模，外形尺寸为ϕ270mm（外径）/ϕ170mm（内径）×210mm（厚度），材料为H13钢，要求淬火与回火处理。

（1）模具产生淬火裂纹情况 采用真空炉加热，1030℃保温缓冷后淬入35℃油中，冷却到80℃左右出油空冷，在室温下放置1h后，其中一件沿着模具表面的沟槽开裂。

（2）裂纹原因分析与改进措施

1）冷加工时刀痕的影响。检查发现，裂纹是沿模具表面的沟槽开裂，其沟槽底部过渡圆角偏小。

2）油冷时淬火油温较低，应采用60℃以上油温淬火冷却。

3）模具出油温度低，应在150℃左右出油。

4）出油后应及时回火。

实例5采用正确的热处理操作，防止淬火裂纹的产生。

1）用石棉、耐火泥将一些非工作孔、型腔或截面尺寸剧烈变化的部位堵塞（见图4-40），使其冷却减慢或均匀，以防开裂，减少变形。

2）在模具截面变化悬殊处用铁丝、石棉、耐火泥或铁皮加以绑扎（见图4-41），以防开裂，减少变形。

图4-40 采用堵塞模具上小孔的方法防止开裂示意图

图4-41 采用绑扎方法防止模具开裂示意图