实际生产中发现，许多模具的早期失效都可以归因于模具设计。模具设计不仅要求科学、合理，而且还应根据模具工作条件和受力状态，选择合适的材料，制订适当的热处理工艺，以防止在热处理时及使用中出现裂纹、变形、断裂、塌陷等模具早期失效现象。

1.合理设计模具

模具设计是模具制造过程中的重要环节，如果模具设计不合理，则在随后的热处理和使用的过程中常会发生裂纹、折断、崩刃及塌陷等形式的失效，以及显著降低模具的使用寿命。模具设计主要包括结构设计、硬度要求及材料选用等。

（1）结构设计 模具的结构设计是影响其使用寿命的一个重要的环节，因此预防模具早期失效必须从最初的结构设计开始考虑。合理的模具结构设计应使模具工作时受力均匀、应力集中小、不容易偏载，同时结合模具的结构形式和工作条件，综合、统筹地提出模具结构设计的方案。

设计模具时，还要根据理论分析及模具使用的实际情况，充分利用CAD系统功能对产品进行二维及三维设计，以保证产品原始信息的统一性和精确性及避免人为因素的影响，并不断进行改进和优化结构设计，从而提高模具的设计质量。这也是提高模具寿命的最经济、最有效的方法之一。

1）模具厚、薄壁相接处的设计。具有不同壁厚型腔的模具，往往在模具的厚、薄相接处容易产生淬火裂纹。因此，设计这种模具时应适当加大壁厚。一般要求模具型腔的壁厚为槽深的1～1.5倍。

2）模具过渡角的设计。模具型腔内或外部有尖角或过渡角过小时，在热处理和使用过程中常会因应力集中而开裂。如果适当增大圆角，则有可能避免开裂的发生，如当外圆角半径由1mm增大到5mm时，最大应力可减少40%。

3）模具的工作间隙设计。模具的工作间隙是冷冲裁模设计的重要技术指标，从某种意义上说，凸、凹模间隙的大小决定了模具的制造质量与使用寿命的高低。我国冲裁模所选冲裁间隙适用范围为板料厚的16%～22%。适当放大间隙有利于提高冲模寿命及冲裁件截面质量。

4）采用组合式或镶套设计。将模具中容易产生应力集中的整体式结构分为两部分或几部分，可有效避免整体模具在凹模、尖角等处引起的应力集中，防止模具的开裂。

①组合设计。即将模具结构设计成组合式，如组合凸模结构（有可动、固定、多层及带芯杆的结构）和组合凹模结构等。采用硬质合金凹模时，为了防止脆裂，更需采用多层组合式。

许多冷镦模采用整体结构，其优点是制造方便，缺点是寿命低。例如，整体式冷镦滚子凹模，使用中常常发生早期纵向劈裂或型腔底部环形开裂，改为组合式凹模后，不但消除了上述早期开裂现象，而且还可提高寿命4～5倍。

热锻压模采用组合结构，也有利于避免早期断裂失效而提高模具寿命。例如热挤压轴承圈凹模，原采用整体结构，容易发生早期断裂，改用组合结构后，在同样硬度下使用，提高了寿命2～3倍。

尺寸变化较大而圆角半径又不能过大的冲头，经常由于在尺寸过渡处产生裂纹而早期折断，改为组合式后，消除了应力集中，从而避免了早期折断失效。

②镶套设计。为防止模具胀裂，对于冷镦、冷挤压凹模，既要求其具有高的硬度和耐磨性，同时还要求其具有高的强度与韧性，但采用整体结构很难满足这些要求。如果采用预应力镶套结构（工作部分采用淬硬的高速工具钢或硬质合金等高硬度、高耐磨性的材料制造，再通过压力将工作部分镶入凹模体中，其他部分可采用高强韧性的材料），则可兼顾高硬度和高强韧性，使模具获得高寿命。

镶套结构也适用于热作模具。例如，热切边模要求刃口部分具有高的高温硬度及热稳定性，要求模具本身具备高的强韧性，如果在工作部分镶入YG20硬质合金，其他部分采用高强韧性结构钢制造，则可满足要求。又如汽车行星齿轮热切边模具，原采用8Cr3钢制造成整体结构，刃口部分经常发生早期变形失效，仅能冲切0.3～0.4万件，后改为在刃口部分镶入YG20硬质合金，可切边15～20万件，提高了寿命约50倍。

除了以上设计外，还应考虑模具的尺寸过渡方式、结构刚度、几何角度及不同模具的特殊性能要求等。

（2）硬度要求 不同类型的模具，硬度要求也不相同。硬度设计过高，则韧性不足，在模具工作过程中易产生裂纹，甚至造成脆性断裂；如果硬度设计过低，则会造成型腔塌陷、变形和镦粗而失效。因此，要根据工作条件、失效形式及材料特性，设计合理的模具硬度。例如，某大型H13钢热压铸模具，外形尺寸为ϕ500mm×140mm，设计要求硬度为52～54HRC，模具经热处理后硬度符合设计要求，但在装配试用阶段模具产生断裂。经分析，失效原因是模具硬度太高、韧性不足，属脆性断裂，后将模具硬度降至46～48HRC，解决了模具脆性断裂问题。

（3）选材 模具材料的选择应根据模具受力状况、生产批量大小、工作条件及材料的性能来确定，如生产同一种工件的模具，选择9Mn2V钢制模具材料，其使用寿命为5万次，而采用Cr12MoV钢渗氮处理后，其使用寿命可达40万次。在选择冷作模具钢时，静载模具（如薄板冲裁模）可选用高碳模具钢（耐磨性高而强韧性差），动载模具（如冷镦模）应选用强韧性高的中碳或高碳合金工具钢（耐磨性不足时可对其进行表面强化处理）。在选择热作模具钢时，对模具工作时承受急冷急热的热作模具，应选用冷热疲劳抗力、断裂韧度、热稳定性均高的模具钢；只有对工作温度较高而温度波动较小的模具，才能选用高温强度及热稳定性均很高而冷热疲劳性能较低的热作模具钢。

2.合理选用优质模具材料

模具材料除了要具有适应模具工况的优良性能，更重要的是材料本身的质量要合格。因此，选择模具材料时要选择质量可靠厂家的钢材，并且对进厂钢材要进行质量复检，以保证其化学成分符合相应的国家标准和行业标准；100kg以上的大型模块要采用电渣重熔钢，以确保其内在质量，并避免可能出现的严重成分偏析及非金属夹杂物等内部缺陷。另外，对模具材料还要采用超声波检测等无损检测仪器设备进行检查，以保证每件模块毛坯内在质量良好，避免废品的产生。

对于特殊要求的模具材料，可以采用粉末高速工具钢和粉末高合金模具钢，以便更好地改善钢的显微组织和性能，提高模具的使用寿命。(www.daowen.com)

3.改进模具制造质量

模具制造一般需经过车、铣、刨、磨、钻及电加工（电火花、线切割等）等冷加工，以及铸造、锻造、焊接及热处理等热加工。在诸多加工工序中，任何一道加工工序不当都会影响到模具使用寿命。

（1）改进模具钢锻造质量 良好的锻造不但可以将铸锭或成形材料中的气孔、疏松、缩孔和微裂纹焊合，提高锻坯的致密度，而且还可以使共晶碳化物破碎并细化，把粗大的枝晶状共晶碳化物打碎、打散，提高碳化物分布的均匀性，细化碳化物的粒度，同时可以进一步改善钢的各种性能，提高模具材料的等向性，特别是对于W6Mo5Cr4V2高速工具钢及Cr12MoV钢，由于钢中碳化物分布的均匀性对热处理工艺和模具使用寿命影响很大，因此模具毛坯需要通过多次镦拔、锻打来提高碳化物的均匀度。例如Cr12MoV钢，要求锻造后碳化物的均匀度达3级以上，其锻造及退火工艺要点如下：

1）选择碳化物均匀度较高的棒料作为模具材料。

2）模具坯料锻造时预热温度为880～900℃，保温时间为1min/mm。

3）模具坯料锻造时加热温度为1080～1120℃，保温时间为1min/mm。

4）采用综合锻造法镦粗、拔长6次，分两次加热完成，900℃停锻，然后在550℃炉内保温。

5）球化退火工艺为：加热至860～880℃，保温3～4h，炉冷至720～740℃，保温4～6h，炉冷至550℃以下出炉空冷。

锻造后的模具毛坯必须进行球化退火或锻后余热淬火，并于750℃左右高温回火，以使锻后毛坯中的碳化物晶粒细化，有效地改善模具钢的碳化物偏析，最大限度地消除模具钢中的网状碳化物。

（2）改进机械加工质量 精度是衡量模具质量的一个重要指标，要保证模具具有高精度，必须提高机械加工的质量。

1）降低模具表面粗糙度值。模具表面加工时留下的刀痕、磨痕都是应力集中的部位，在热处理或使用过程中极有可能转变成为早期裂纹源和疲劳裂纹源，因此在模具加工时一定要将其去除掉。

2）消除磨削裂纹。模具在磨削后要在260～315℃进行去应力退火。

3）用机械加工方法去除电加工产生的白亮层及其中的微观裂纹。模具电加工后应进行180℃左右的低温回火来消除残余应力，以减轻电加工层的脆性，防止裂纹扩展。

（3）合理制订热处理工艺 在模具结构和模具材料不变的情况下，制订合适的热处理工艺是发挥模具材料性能、防止早期失效及提高模具使用寿命的关键。

对于采用不同的材料、不同加工方法制造的模具，应采用不同的热处理工艺。通过对Cr12、Cr12MoV钢制模具进行热处理失效研究发现，对于小型简单模具，一般热处理工艺即可解决模具热处理后的失效问题；对于较大型模具，如果材料中存在碳化物级别高、碳化物偏析严重等缺陷，则热处理后模具断裂现象严重。如果能在模具粗加工后进行一次高温调质处理（淬火加热温度为1100～1150℃，高温回火温度为720～760℃，保温4～6h后炉冷至500℃以下出炉空冷），则可使钢中碳化物细化，同时使奥氏体晶粒超细化，减少模具热处理后早期失效，并可提高模具的使用寿命。

快速加热法具有加热时间短、氧化脱碳倾向小、晶粒细小的特点，可以满足碳素工具钢制大型模具淬火变形小、综合力学性能好的要求。高速工具钢模具采用低温淬火加热+高温回火工艺可以大大提高模具的韧性，尽管模具硬度略有降低，但因减少了折断及疲劳破坏的可能性，对提高模具寿命却极为有利。生产实践发现，对3Cr2W8V钢热挤压模具的热处理采用1150℃加热淬火、600℃回火工艺，可以使模具具有高硬度和较好的韧性。

淬火冷却是模具淬火后能否获得技术要求的关键工序。合金钢因淬透性高，淬火冷却可以采用油冷或空冷；对于碳素钢和低合金钢，因淬透性较差，必须采用冷却速度较快的油冷或水冷，才能获得较高的硬度。对于大型模具，如果冷却速度不能达到要求，将会使碳化物沿晶界析出或得不到马氏体组织，尤其是模具尺寸较厚的部位，其中心部位冷却速度较慢，将会使碳化物或杂质元素沿晶界析出并偏聚，形成黑色晶界，以致增加模具脆性，降低模具的使用寿命。

为了减少残余应力，淬火后应及时回火，并要保证回火充分，否则容易引起裂纹或导致早期失效。对碳素工具钢采用200℃回火1h、2h，残余应力可分别消除50%和75%～80%；采用500～600℃回火1h，残余应力可消除90%左右。某厂CrWMn钢制模具在淬火后200℃回火1h，使用不久后便发生断裂情况，而改为200℃回火2.5h后，使用中未发生断裂现象，这说明原工艺回火不充分，虽然模具表面硬度达到了要求，但由于模具内部组织不均匀、残余应力消除不充分将诱发晶间微裂纹的扩展，因此导致了模具早期断裂失效。回火后一般采取空冷方式，但由于在回火冷却过程中材料内部可能出现新的拉应力，因此一般应缓冷到100～120℃以后再空冷，或在高温回火后再增加一次低温回火。

（4）适当的表面强化处理 模具经适当的表面强化处理后，可以在心部具有一定韧性的同时获得高的表面硬度，以及良好的耐磨性、耐热性、耐蚀性、耐疲劳性及抗咬合性，充分发挥模具材料的性能并有效地减少模具的失效。模具表面强化处理的方法包括改变表面的化学成分方法（如渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼及渗金属等）、不改变化学成分方法（如高频淬火、激光淬火等）及表面形成硬化层方法（如镀硬铬、热喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积等）等。