实例1 大型热压铸模具因硬度偏高造成模具早期断裂的分析与对策。

大型热压铸模具，材料为H13钢，外形尺寸为ϕ500mm×140mm，要求模具硬度为52～54HRC。

（1）热处理工艺 热处理工艺如图5-6所示。淬火加热在盐浴炉中进行，回火后硬度为52～54HRC，回火后的金相组织为针状回火马氏体+回火索氏体，符合技术要求。

图5-6 H13钢模具热处理工艺曲线

（2）模具断裂原因分析 模具在安装试用阶段就产生断裂。经分析发现，模具硬度太高，韧性不足，属于脆性断裂。

（3）对策 将模具技术要求改为46～48HRC后避免了模具脆性断裂。

实例2 纺织配件用小型压铸模因表层硬度太低造成模具早期龟裂失效的分析与对策。

纺织配件用小型压铸模，外形尺寸为ϕ180mm×85mm，材料为H13钢，技术要求为48～50HRC。

（1）热处理工艺及其质量检验 模具淬火加热温度为1030℃，回火温度为580℃，热处理后磨去模具表层，检测硬度为49HRC，符合技术要求。

（2）模具失效及其原因分析 模具仅压铸2000件即出现表面龟裂而失效。经检验分析，其表层（距离表面1mm范围内）碳的质量分数<0.25%，脱碳层为1.5mm（碳的质量分数<0.3%），模具表面硬度仅为33～35HRC，这是由于在给模具加热时，高温箱式电阻炉内无保护气氛，引起模具表层脱碳所致。低碳表面层的强度低，导致模具在使用过程中发生早期龟裂失效。

（3）对策 将高温抗氧化防脱碳涂料涂覆在模具表面，烘干后装入高温箱式电阻炉中加热，模具淬火后表面硬度>50HRC，回火后表面硬度为45～50HRC。改进工艺后，该模具在压铸4000件后还未发生龟裂等缺陷。

实例3 热压铸模因表面硬度高、基体硬度低造成早期龟裂失效的分析与对策。

热压铸模，外形尺寸为ϕ150mm×70mm，材料为H13钢，基体硬度为23～25HRC，基体金相组织为细化了碳化物的球化组织，要求热处理。

（1）热处理工艺及质量检验 采用渗氮处理，渗氮温度为580℃，保温时间4.5h，出炉后油冷。渗氮后表面硬度＞900HV，扩散层深度约为0.2mm。

（2）模具失效及其原因分析 模具仅挤压2000件便发生龟裂失效而不能使用。经检验分析，发现模具基体硬度过低。

（3）对策 将热处理工艺改为先进行1030℃加热淬火及580℃回火（此时基体硬度为45～50HRC），然后再进行氮碳共渗处理。经检测，模具表面硬度>900HV，渗氮层深为0.2mm左右，模具基体硬度为48HRC。改进工艺后，模具工作状况良好，可热挤压零件8000件以上。

实例4 热穿孔冲头的变形与开裂失效分析与对策。

热穿孔冲头，材料为3Cr2W8V钢，要求淬火、回火处理。

（1）失效形式及产生原因 热穿孔冲头经正常工艺处理。在冲制55钢和60钢时，使用寿命低，有的平均使用寿命仅200～300次。主要损坏形式是软化变形和开裂。其原因是与钢材存在带状碳化物或夹杂物有关。

（2）改进措施与效果 对3Cr2W8V钢采用短时高温加热淬火处理，可使碳化物大量溶入奥氏体中，并使脆性夹杂物高度弥散地分布于晶粒内部，不但净化了晶界，提高了冲头材料的热硬性，还减少了应力集中，因此可大幅度提高模具使用寿命，并可基本上消除模具开裂现象。具体工艺如下：850℃×40min预热，1250～1280℃×15min加热保温，300～320℃×15min盐浴等温后空冷，600～610℃×1.5h回火2次，再进行1次200℃×1h回火。等温淬火盐浴的成分（质量分数）为50%Na₂NO₃+50%KNO₃。

改进工艺后，冲头淬火硬度为44～47HRC，回火硬度为46～48HRC，使用寿命可达1500～2200次，基本上不发生开裂。

实例5 汽车前轴模具断裂的失效分析与对策。(www.daowen.com)

汽车前轴模具，外形尺寸为2300mm×660mm×480mm，材料为5CrNiMo钢，安装在16t蒸汽锤上使用。

（1）原加工工艺流程 冶炼→浇注钢锭→锻造毛坯→等温退火→粗加工→超声波检测→调质→精加工。

（2）原热处理工艺

1）等温退火工艺。加热780℃×11h，快速降温到680℃并保温12h，然后炉冷至500℃以下出炉空冷。

2）调质工艺。将模具型腔表面涂覆保护涂料，随炉升温至650℃并保温3h进行预热，然后升温至860℃并保温11h，出炉后油冷，当模具表面冷至180℃时出油并及时回火，高温回火520℃×14h，出炉空冷。

（3）失效分析 该模具生产汽车前轴约80件后横断面出现贯穿性裂纹，从模具断口上可以清楚看到粗大晶粒、组织疏松和非金属夹杂物。裂纹源位于模具的中心部分，而裂纹源附近冶金缺陷、锻造缺陷引起的应力集中又促使了裂纹的产生和扩展。由于模具尺寸较大，因此在冷却末期虽然外层金属温度低，但心部温度却较高。当模具心部继续降温时，心部金属因体积收缩会受到外层金属的强力阻碍，故心部承受三向拉应力，使模具中心部位的冶金及锻造缺陷在拉应力作用下成为了断裂源，并迅速扩展直至模具断裂。

（4）改进工艺 毛坯锻造后增加了正火工序，等温退火工艺不变，调质工艺进行了改进。

1）改进后的加工工艺流程。冶炼→浇注钢锭→锻造毛坯→正火→等温退火→粗加工→超声波检测→调质→精加工。

2）正火工艺。将模具装入炉内，随炉加热升温至880℃并保温12h，出炉空冷。

3）改进后的调质工艺。将模具的型腔表面涂覆保护涂料，随炉升温至620℃并保温3h进行预热，再升温至840℃并保温11h后出炉，表面预冷至750～780℃后迅速放入20～50℃油中淬火，当模具表面温度达到230～250℃时出油，在空气中冷却至100～150℃时，立即转入回火炉中进行回火；第一次回火将温度升温至350℃并保温4h进行预热，再升温至600℃并保温15h，随炉冷却至300℃以下出炉后空冷；第二次回火将温度600℃变为580℃，其他的工艺参数均不变。在整个调质过程中，所有加热升温速度均控制在50℃/h以内。

实例6 滚丝模螺纹牙顶崩裂或剥落的失效分析与对策。

滚丝模（M156×2mm，厚度100mm），材料为Cr12MoV钢，淬火、回火后硬度≥58HRC。

（1）失效形式 经热处理及机械加工后，模具寿命在生产使用中不稳定（约500件），许多模具使用不久螺纹牙顶即发生较大面积脆性崩裂或剥落，导致早期失效，废品率高达20%～30%。

（2）加工工艺路线：棒料下料→机械加工→反滚压成形→真空炉1020℃油淬+200℃×2h×3次油中回火→磨削加工、抛光→成品出厂。

（3）失效分析 经检验，化学成分合格。检测失效模具的硬度为60～62HRC，合格。切块检查金相组织为回火马氏体+体积分数约10%的残留奥氏体+粗大碳化物，碳化物偏析级别为3.0～4.5级不等，表层与心部晶粒度等级分别为10级和8级。断口宏观分析可见螺纹牙顶大面积的崩裂或剥落，断口呈脆性断裂；模具表面及工作面无斑点、麻面，看不到严重氧化迹象，未发现因强度和硬度不足产生的工作部位挤压变形或磨损。

由于Cr12MoV钢属于高碳、高铬莱氏体钢，钢材内部共晶碳化物多、颗粒多、偏析严重，这些碳化物的存在加大了模具的脆性；因该模具直接采用棒料下料加工，机械加工前未经反复镦粗、拔长锻造，故钢中碳化物偏析严重，成为疲劳裂纹源，造成滚丝模早期崩刃失效；滚丝模淬火时，在1020℃高温长时间加热，致使0.5～2.0mm螺纹牙齿厚处奥氏体晶粒不断长大，容易引发过热等现象，加剧模具牙齿产生剥落等早期失效。

（4）改进措施与效果 毛坯必须进行改锻，锻造后必须进行球化退火或调质处理。改进热处理工艺为：1100℃×10min淬油+750℃×2h调质处理；淬火加热980℃×30min+250℃×20min等温油淬+200℃×2h×3次回火；-120℃×4h深冷处理+190℃×2h×3次回火。经以上改进后，每副滚丝模平均可加工零件11000件，比原来的模具寿命提高了22倍。

实例7 汽车半轴摆辗成形模具热疲劳裂纹的分析与对策。

汽车半轴摆辗成形模具，材料为3Cr2W8V钢，要求淬火、回火处理。

（1）失效原因分析 该模具的受力情况是：不但承受压缩应力和弯曲应力，脱模时还承受一定的拉应力。此外，由于模具与炽热的毛坯接触，需要水冷，因而承受冷热应力引起的热疲劳和热冲蚀。在这种恶劣的使用条件下，模具产生热疲劳裂纹而报废。

原工艺采用600～650℃预热2h，升温至870～890℃并保温2.5h后入油淬火，580～600℃×2.5h×2次回火，然后入油冷却。由于淬火加热温度低，大量的合金碳化物未溶解，所以淬火后硬度很低，只有20～25HRC，通过回火的二次硬化也只能使硬度达到30HRC以上，虽然模具韧性较好，但容易出现热疲劳，热磨损严重，寿命低。

（2）改进工艺与效果 在经过充分预热并在高温区保温0.5h后分级淬火，再经高温回火完成组织转变和消除应力，低温回火消除残余应力，可使模具表层具有高的耐疲劳性且心部具有良好的冲击韧度，同时还可获得高温强度和冲击韧度最佳的匹配。摆辗机的热挤压终锻模具用摆块和套模原来使用寿命分别为800～1200件和1000～1500件，改进工艺后使用寿命分别为2000～3000件和2500～3500件，即使用寿命提高了2～3倍。