PVD涂层刀具、模具失效分析郭 硕摘要：1、阐述了刀具、模具的基本失效模式；2、失效模式与原因分析的方法；3、刀具、模具经过PVD （物理气相沉积）处理后，失效模式的分析与改善方法。

关键字：PVD、ALTiN、TiCN、TiN、磨损、失效模式1、概述1.1失效：即产品丧失规定功能。

（国标GB3187-82中定义）比如刀具刃口磨损变钝，不能继续切削使用。

1.2失效模式：是指失效的外在宏观表现形式和过程规律，一般可理解为失效的性质和类型。

1.3失效分析：是指判断产品失效模式，查找失效机理和原因，提出改善和预防措施的活动。

2、失效模式2.1 主要的失效模式（针对模具、刀具、机械零件等）2.1.1 磨损2.1.2 断裂2.1.3 变形2.1.4 腐蚀2.2 磨损2.2.1 磨损过程（如下图所示）（1）磨合阶段（Ⅰ区，O~A）（2）正常磨损阶段（Ⅱ区，A~B）（3）快速磨损阶段，也称严重磨损阶段（Ⅲ区，B~C）图1 磨损过程示意图z磨损是一定会发生的，我们的分析与研究只是为了尽可能延长“正常磨损阶段”（即Ⅱ区）的时间，并能对B点的到来作出准确的预测。

2.2.2 磨损的分类（1）粘着磨损：相对运动的物体，接触表面发生了固相粘着，使材料从一个表面转移到另一个表面的现象。

粘着磨损情况严重时会出现“咬死”“卡死”现象。

z产生原因：①表面粗糙，表面凸起来的部分在摩擦过程中，受到很大压力发生塑性变形，进而彼此粘着。

②接触的两种材料之间物理、化学特性接近，有粘着在一起的可能，比如金属之间可能发生粘着，而金属和木材之间就不可能发生粘着。

z对于刀具、模具而言，轻微的情况就是粘料、积屑，以及进而形成的擦伤、拉毛等。

比如五金拉伸模具，模具表面粘料后，产品将出现拉毛、擦伤等异常。

（2）磨粒磨损：又称磨料磨损或研磨磨损，是指两物体接触时，一方硬度比另一方大得多时，或接触面之间存在着硬质颗粒时，所产生的磨损。

z此类磨损，在我们涂层的模具或零件应用中极为常见。

因为涂层本身硬度极高，一旦脱落，其碎片就是“硬质颗粒”，它夹杂在摩擦面之间，会造成模具本身的快速磨损。

（3）表面疲劳磨损：是指两物体接触摩擦，在交变应力作用下，材料表面疲劳，产生小坑点和很浅的细小裂纹以及由裂纹造成的下片金属脱落。

表面疲劳是介于疲劳与磨损之间的破坏形式。

z比如，冲压螺丝的十字精冲，冲压到某一寿命次数之后，十字针上就会出现很细小的裂纹和小坑点。

（4）腐蚀磨损：是指在有腐蚀性的环境下，摩擦面受到化学、电化学腐蚀与摩擦的双重作用，从而引起的破坏形式。

z塑胶模具，对于存在腐蚀性的胶料，同时受压力较大的部位（比如进胶口），在腐蚀和磨损双重作用下，就会更容易被破坏。

2.2.3 “正常磨损阶段”时间没有达到预期值（即我们所说的“寿命异常”）的失效分析，就是找出实际发生的属于那种磨损形式，以及为何没有达到正常标准时限，并找出改善其摩擦环境的措施。

2.2.4 在实际的磨损过程中，往往是多种磨损同时发生或交替作用，而且各种机理在里面的作用大小也不一定，故我们在做失效模式判断时，要根据实际情况，作出全面的分析判断。

2.3 断裂2.3.1 断裂：是指产品在外力作用下产生裂纹进而扩展分裂成两部分或多部分的过程。

对于刀具、模具的局部断裂，我通常称为“崩刃”、“崩口”。

2.3.2 断口：即断裂形成的断面。

我们分析断裂原因时，就是根据断口的痕迹与特征来判断的。

2.3.3 断裂的分类：（1）脆性断裂：材料本身的韧性不够好，在承受过大的外力时，仅发生了很小的变形就断裂。

（2）塑性断裂：材料本身韧性较好，但由于承受的外力过大，发生严重塑性变形后断裂。

（3）疲劳断裂：材料在交变应力反复作用下（如冲压加工），萌生裂纹及裂纹扩展进而造成断裂。

2.3.4 对于刀具、模具而言，发生断裂的主要原因：（1）材料问题，材料本身的强度不足以承受这般大的外力，故而断裂。

（2）热处理问题，热处理的方式或工艺不当，造成刀具、模具内部应力没有完全消除，脆性过大进而断裂。

（3）使用不当，如装夹偏位、撞车、撞刀等。

（4）加工参数设定太严苛，使得刀具、模具负荷过大，或造成机台振动，从而造成刀具、模具崩裂。

（5）使用一段时间后，模具材料出现疲劳，从而发生疲劳断裂。

2.4 变形：是指构件的外形发生塑性形变，在轮廓尺寸或相对尺寸上发生了改变，从而不能完成预定目标。

2.4.1变形原因（针对模具、刀具、金属零件）：（1）受到过大的外力，局部或整体发生塑性形变。

（2）环境温度的改变，发生热胀冷缩。

（3）受自身重力作用，久而久之发生弯曲变形，比如横放的轴、细长杆件等。

（4）受到高温，材料内部应力改变与释放，使得产品形变，比如热处理时，模具或多或少都会发生变形。

（5）材料热处理时，应力消除不彻底，后续应力慢慢释放的过程中，构件就会发生形变。

（6）模具、刀具是由多种材料构成，一旦受热，由于各种材料的膨胀系数不一，从而造成形变。

比如焊接刀具，在镀膜过程中，很容易发生“精度超差”的问题。

2.4.2 变形是一个“绝对”的概念，现实中，我们只在乎超出我们精度要求的变形。

2.5 腐蚀：金属材料与周围介质发生化学或电化学作用而遭受的变质与破坏。

如模具、刀具在使用中会接触酸性或碱性的液体，从而被腐蚀破坏。

3、失效分析3.1 失效分析的基本理论与技术：痕迹分析、裂纹分析、断口分析是失效分析中最基础的技术。

3.1.1 痕迹分析（1）机械失效往往是从表面损伤开始的，并会留下某些特征痕迹，如表面形貌、成分（材料转移），颜色、表层组织、性能、残余应力等变化。

（2）痕迹分析就是对上述的变化特征进行观察、检测与鉴别，判断出变化的过程和原因，为真正的失效原因分析提供线索和证据。

z对于磨损失效分析，最重要的手段就是“痕迹分析”。

3.1.2 裂纹分析（1）裂纹一般出现在断裂的前阶段。

（2）表面疲劳磨损时，表面也可能出现很浅的细小裂纹。

（3）热处理时如果应力消除不彻底，在后续使用或加工中，材料有可能出现裂纹。

3.1.3 断口分析：对断裂处的断口的痕迹、晶格、成分等作宏观和微观的分析，以寻求断裂原因的方法。

3.2 失效分析方法3.2.1分析思路：我们通常从4M1E（即人（Man）、机器（Machine）、材料（Material）、工艺方法（Method）、环境（Environment））这五个方面去分析。

然后再将每一个方面下面的可能原因写出来，逐个分析，找到最大可能的原因。

此分析方法叫做“因果分析法”，也叫“鱼骨图”，如下图所示：图2 鱼骨图（因果分析法）3.2.2 我们在做失效分析时，都是从我们“直接看到的失效现象（即异常现象） → 进一步观察损伤形貌 → 判断出失效模式 → 进一步分析出失效原因。

比如，齿轮齿断裂的失效分析： 失效现象 损伤形貌失效模式失效原因（可能） 1、脆性断裂；2、断口粗糙，露出晶粒。

强制断裂1、掉进异物卡死掰断 2、离合器换档操作不正确造成撞击… 齿轮齿断裂1、细晶粒断口有贝壳花样；2、有褐色微振磨损区。

疲劳断裂1、材料缺陷 2、锻造缺陷3、冲击4、热处理不当…4、 PVD 涂层后的刀具、模具失效分析z 由于刀具、五金冲压拉伸模具PVD 涂层（ALTiN、TiCN、TiN、CrN 等）目的就是提高其耐磨性，故与我们涂层有关的刀具、模具寿命问题主要都是磨损问题。

所以我们在本章节主要就从分析磨损来讨论涂层刀具、模具失效分析。

4.1 分析前要确认的问题4.1.1 异常的具体现象，比如磨损、崩刃、粘料、产品拉痕、蚀纹塑胶产品发亮等。

4.1.2 使用寿命的数据，以及与之相比对或预期寿命的数据，或者是异常出现的时机。

4.1.3 模具、刀具的不良率，比如100%，还是1%，甚至只是个例等。

4.1.4 加工方式与参数（包括机台、被加工件的信息、环境条件等）。

4.1.5 要求客户将使用过，已失效的不良样品返回作分析。

4.2 刀具、模具涂层前后磨损差异分析4.2.1刀具、模具涂层前后磨损曲线— 未涂层磨损曲线— 涂层后磨损曲线图3 刀具、模具涂层前后磨损曲线4.2.2 从上图，我们可以看出，刀模具涂层后主要是“正常磨损阶段（即A~B之间）”的时间延长了。

也就是说，我们所说的“延长刀具、模具使用寿命”就是延长“正常磨损阶段”的时间。

4.2.3 比较上面的两条曲线，发现“B1~C1”比“B2~C2”更长，也就是说涂层后的刀具、模具“严重磨损阶段”时间更短，磨损更快。

这是什么原因呢？？4.2.4 我们做刀模具耐磨性分析，主要就是分析“正常磨损阶段”是否正常，以及是否达到预期时长、行程或次数。

4.3 分析的流程（“十六字”方针）4.3.1 追溯：追溯生产记录，如所选制程，OQC的膜厚、附着力，前处理时是否有抛光、喷砂等。

4.3.2 检测：检测产品材料与涂层参数，如材料硬度、涂层实际膜厚、附着力等。

4.3.3 观察：观察产品涂层及损伤处状况。

从宏观、微观（显微镜）等多方面对磨损痕迹作观察。

注意任何一个细节，是找到真正失效原因的关键。

4.3.4 描述：描述观察到的现象，将目视以及通过显微镜等工具观察到的现象作详尽的描述出来。

值得说明的一点是：当你在描述你所观察到的现象时，如果发现仅聊聊几个字就完了，那就说明你观察还不够仔细，忽略了很多细节。

4.3.5 判断：判断失效模式。

根据上面观察到的痕迹现象，结合你的经验，得出是涂层的问题，还是材料的问题、使用的问题，亦或涂层附着力问题等可能原因。

4.3.6 分析：整理上面的所有信息，综合分析，得出失效原因的结论（当然，这个结论也允许是“多种可能”）。

4.3.7 验证：如果上面的结论还不是很肯定的话，我们还需要做出一些假设，并想办法去进一步验证。

4.3.8 改善：提出改善与预防措施：根据上面的结论（一个或多个），我们可以分别做出有针对性的对策（并不需要有完全肯定的结论才可以提出改善和预防措施）。

4.4 综合分析4.4.1 涂层问题：（1）涂层质量问题：①涂层膜厚问题。

如果出现以下几种情况，可能是膜厚偏薄的问题：a）使用寿命仅比正常值短了20%左右；b）从磨损痕迹来看，属于正常的磨损：在显微镜下可看到涂层磨损的“斜切面”；c）产品上附着力测试OK；d）膜厚实测结果比我们的标准要求偏低；e）材料硬度正常；f）图4 涂层磨损情况一②附着力问题。

如果出现以下几种情况，可能是附着力的问题：a）使用寿命严重低于正常值，与不做涂层的效果差不多，甚至比不做涂层的更差；b）磨损痕迹不正常：涂层脱落的地方磨损非常严重，涂层未脱落的地方的磨损不明显，在显微镜下看不到涂层磨损的“斜切面”；c）在显微镜下观察，涂层未脱落的地方可能有小坑点，但不一定见基材；d）产品上附着力测试结果达不到A级；e）材料硬度正常；f）图5 涂层磨损情况二③涂层耐磨性问题，其实是一个宏观表象，其实质很复杂，它涵盖了很多方面的内容，存在着很多种可能原因。