熱擠壓H13鋼模具工作帶劃傷原因探討

呂慶玉，鄧玉臻

（山東叢林集團(tuán)，山東 龍口 265705）

熱擠壓H13鋼模具工作帶劃傷原因探討

呂慶玉，鄧玉臻

（山東叢林集團(tuán)，山東 龍口 265705）

某H13鋼擠壓模具在連續(xù)擠壓后，出現(xiàn)模具工作局部大面積劃傷。通過開展模具調(diào)查和原因分析，確定模具損傷的原因是連續(xù)高溫中速長時擠壓后，模具工作帶局部回火軟化，硬度和耐磨性降低，發(fā)生粘著磨損劃傷。針對此情況，提出五項改善措施并部分應(yīng)用于此劃傷模具，模具后續(xù)使用狀態(tài)良好。

H13鋼；擠壓模具；劃傷；回火

0 前言

在現(xiàn)代化的鋁型材大量生產(chǎn)中，工模具對整個擠壓過程有著十分重要的意義。擠壓模具工作時直接與高溫錠接觸，同時承受高溫、高壓、劇烈摩擦等作用，工作條件極其惡劣，極易因磨損和疲勞而失效，這要求模具在使用過程中應(yīng)注意過程控制，防止由于設(shè)備、工藝參數(shù)等變動導(dǎo)致模具失效[1]。

目前，國內(nèi)鋁型材擠壓模具普遍采用H13鋼（國內(nèi)牌號為4Cr5MoSiV1）。經(jīng)適當(dāng)熱處理，H13模具鋼可獲得優(yōu)良的綜合性能，具有良好的熱強(qiáng)性、紅硬性、較高的韌性、抗熱疲勞性和抗熱振性等[2]，工作溫度可達(dá)600℃，能很好滿足擠壓使用要求。某H13鋼模具擠壓數(shù)次后發(fā)現(xiàn)，上、下模的工作帶出現(xiàn)較為嚴(yán)重的劃傷情況，劃傷集中在入口一側(cè)，出口側(cè)仍光亮，說明劃傷情況的出現(xiàn)是一種局部現(xiàn)象。

1 模具劃傷及調(diào)查

使用TH130里氏硬度計對出現(xiàn)劃傷的模具的工作帶部位和模具表面進(jìn)行硬度檢測，硬度分別為42HRC和48.9HRC。工作帶硬度的檢測部位為劃傷部位后側(cè)（圖1中箭頭所示位置），劃傷部位硬度更低。因此，本次劃傷主因是模具入口側(cè)的局部硬度劇降導(dǎo)致模具熱強(qiáng)性、耐磨性惡化所致。

圖1 模具工作帶嚴(yán)重劃傷

針對模具工作帶劃傷情況，開展模具使用調(diào)查。數(shù)據(jù)顯示（見表1），此模具入廠和出廠的過程檢測檢測均合格，使用過程中偶現(xiàn)輕微劃傷，說明此模具劃傷不是偶然現(xiàn)象。模具鋼原材料、加工、使用和修整過程中必然有導(dǎo)致此問題出現(xiàn)的因素。

表1 損傷模具使用信息調(diào)查

劃傷模具成分檢測符合GB/T 24594-2009要求，原材料金相檢測結(jié)果見圖2。由圖可見，50倍觀察顯示存在一定成分偏析，但無明顯液析碳化物存在。500倍觀察顯示組織為典型的球化珠光體組織，原材料的組織形態(tài)整體尚可，符合北美壓鑄模金相標(biāo)準(zhǔn)NACDA 207-2003標(biāo)準(zhǔn)級要求，來自于材料本身的問題不突出。后因損傷模具經(jīng)適當(dāng)修整和處理后再次上機(jī)，未再取樣檢測。

圖2 不同放大倍數(shù)下的劃傷模具原材料金相

模具加工過程嚴(yán)格按照工藝執(zhí)行，未出現(xiàn)加工錯誤。模具熱處理采用德國辛普森真空氣淬淬火爐和真空回火爐，熱處理過程穩(wěn)定，出廠硬度檢測顯示符合工藝要求（48±1HRC）。

對模具整個使用過程進(jìn)行梳理，確認(rèn)模具入口工作帶硬度下降是在模具使用過程。模具修正過程未對模具工作帶進(jìn)行過焊補(bǔ)工作，排除焊接導(dǎo)致局部材料加熱軟化的可能。此模具為7000t擠壓機(jī)用平面分流模具，具有較大的寬厚比（比值130），使用合金為6N01，成材長度30m左右。擠壓時易出現(xiàn)壓力高的情況，故選用高溫中速擠壓（530℃+4m/min）。前梁出口溫度可達(dá)540℃以上，此狀態(tài)下模具連續(xù)擠壓21支長尺鋁棒，擠壓數(shù)量較多，時間較長（8h）。

綜上分析，導(dǎo)致模具工作帶劃傷的原因是模具使用時由于高溫中速連續(xù)擠壓，導(dǎo)致模具工作帶局部溫升，超出模具鋼的高溫承受能力，回火軟化，使模具鋼硬度和耐磨性降低，被鋁合金內(nèi)的硬質(zhì)顆粒劃傷。

2 原因分析

模具鋼的回火軟化主要受材料本身的回火穩(wěn)定性、服役環(huán)境的影響，其中服役環(huán)境對材料性能的影響更為主要。

回火穩(wěn)定性是熱作模具鋼的主要性能之一，它反映了模具鋼在高的工作溫度下抵抗軟化的能力，它關(guān)系到鋼的高溫硬度、高溫強(qiáng)度及熱疲勞抗力等，提高回火穩(wěn)定性有助于延長模具的使用壽命。圖3為某H13模具鋼在不同溫度下的回火穩(wěn)定性示意圖?？梢姕囟仍礁?，模具鋼的高溫穩(wěn)定性越差。這是因為溫度過高（大于600℃）時,H13鋼因回火時析出以M7C3型為主的碳化物,導(dǎo)致馬氏體含量降低，鋼的硬度下降。因此模具鋼選用時要重點關(guān)注回火穩(wěn)定性，尤其是在長時間高溫使用的情況下。

圖3 回火至45 HRC的模具鋼硬度隨溫度和時間變化曲線

模具服役過程中，模具工作帶溫升主要受兩個方面的影響。一方面，鋁合金與模具間的熱傳遞和摩擦促使模具溫度升高。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，當(dāng)鋁棒和模具存在溫差時，熱量會在合金錠和模具間傳遞。同時，鋁棒又與模具表面摩擦產(chǎn)熱，出現(xiàn)局部摩擦升溫，此種情況易在高速擠壓時出現(xiàn)，因此高速擠壓時一般會降低鋁棒溫度來平衡模具溫升。熱傳遞和摩擦生熱均會使模具溫度呈上升趨勢。另一方面，由于模具外表面直接與模套、模座等接觸，發(fā)生熱散失從而可使表面模溫降低，加速模具內(nèi)部熱傳遞過程。如果散熱良好，模具溫升就較小，甚至?xí)霈F(xiàn)模溫降低、擠壓壓力升高的情況。最佳的理想狀態(tài)是模具溫升與熱量散失達(dá)到平衡，此時模具狀態(tài)最佳，可實現(xiàn)連續(xù)擠壓。

2.1 熱傳遞

劃傷模具上機(jī)前的預(yù)熱溫度在480℃～500℃之間，此溫度下H13模具鋼性能穩(wěn)定，具有較好的綜合性能。但是擠壓過程中，由于鋁棒加熱溫度較高（530℃），會有一部分熱量經(jīng)過熱傳遞到模具。不考慮模具本身熱量散失的情況下，鋁合金和模具的接觸面部位會因熱傳遞出現(xiàn)一定的溫升，但這種上升幅度有限，最高也就是接近鋁棒溫度。根據(jù)H13模具鋼的回火穩(wěn)定性曲線（見圖3），僅鋁棒向模具的熱傳遞而言，其對H13鋼性能的影響有限，在這種溫度下模具鋼性能短時間內(nèi)不會出現(xiàn)大的波動。

2.2 摩擦溫升

擠壓過程中，由于鋁料與模具間存在相對流動，摩擦生熱，動能轉(zhuǎn)化為熱能，使模具與鋁料接觸面局部發(fā)生溫升。在正向擠壓過程中，金屬流入模具到擠出過程中，會發(fā)生多次變形，其中以在工作帶處的變形最為劇烈。當(dāng)擠壓速度較小（小于10m/min）時[3、4]，隨劇烈變形的是工作帶附近的劇烈摩擦。圖4為工作帶附近的金屬相對流動和摩擦力分布情況。

圖4 工作帶處的金屬相對流動和摩擦力分布

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，工作帶入口和出口處的受力存在差異。入口處，金屬料與模具在焊合室內(nèi)存在相互摩擦，摩擦力分布較為均勻。金屬料進(jìn)入工作帶后，由于流動受阻，模具所受正應(yīng)力增加，摩擦力升高，在工作帶長度方向呈遞減趨勢，因此入口處的摩擦最為劇烈，溫升幅度最大。從摩擦力遞減看，越靠近入口溫升越大，隨后逐步降低，這種溫升特征與模具鋼工作帶劃傷形貌相符。

摩擦導(dǎo)致的溫升一般都是發(fā)生在接觸面并通過熱傳遞向模具內(nèi)部和型材傳遞，根據(jù)摩擦狀態(tài)和持續(xù)時間，瞬時溫升在較大空間內(nèi)波動，如模具工作帶向外熱傳遞效率小于局部產(chǎn)熱效率，會產(chǎn)生較大的溫升，導(dǎo)致模具在連續(xù)使用后發(fā)生回火軟化。

3 改善措施

改善模具工作帶劃傷最為有效的手段是通過鋁棒梯度加熱和擠壓工藝控制來保證擠壓時模具溫度穩(wěn)定，即實現(xiàn)等溫擠壓。如因設(shè)備因素難以實現(xiàn)等溫擠壓，可從模具選材、模具氮化、模具冷卻、擠壓工藝調(diào)整和計劃控制五個方面改善：

（1）從提高模具鋼回火穩(wěn)定性角度考慮，選用具備更優(yōu)良回火穩(wěn)定性的熱作模具鋼[5、6]，提高高溫使用性能。H13鋼是第二代性能優(yōu)異的中溫（≤600℃）熱作模具鋼，使用溫度在600℃以內(nèi)時能保持板條狀馬氏體組織，當(dāng)回火溫度高于650℃，模具馬氏體形態(tài)逐漸消失，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體，引起熱強(qiáng)性的嚴(yán)重惡化。目前，性能更為優(yōu)異的第三代熱作模具鋼早已投入商業(yè)運(yùn)行，以UHB QRO 90 SUPREME鋼為例，其回火穩(wěn)定性能優(yōu)異。當(dāng)回火溫度超過550℃，硬度逐漸下降，但下降速率低于H13鋼?；鼗饻囟葹?50℃時，UHB QRO 90 SUPREME鋼硬度為41HRC，而H13鋼硬度則為36.5HRC，而且此鋼成本與H13接近，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

（2）從模具工作帶局部強(qiáng)化角度考慮，對模具進(jìn)行氮化處理，以提高模具工作帶硬度和耐磨性，減少摩擦。資料顯示[8]，表面氮化處理可解決模子材料硬度和沖擊韌性、斷裂韌性的矛盾，提高模具的表面耐磨性。擠壓時，鋁合金因摩擦熱使溫度升高，摩擦面有顆粒狀析出物產(chǎn)生，增大與模具工作帶的摩擦。提高模具化合層內(nèi)的含氮量可明顯阻止析出物出現(xiàn)，從而減小了磨擦系數(shù)，進(jìn)而減小工作帶部位的摩擦程度，有助于減慢局部溫升速率和平衡模具溫度，降低模具短時使用時產(chǎn)生回火軟化的概率。

（3）從平衡模具工作帶溫度的角度考慮，可對模具進(jìn)行整體氮冷或工作帶局部氮冷，降低模具工作帶部位的溫升。氮冷，不僅能有效降低模具溫度，而且冷卻后形成的氮氣可包覆在型材表面，阻止型材表面氧化，提高型材表面質(zhì)量。目前，為簡化機(jī)加工，常用的是對模墊進(jìn)行冷卻[7]，更為理想的工藝趨向于在模具本體直接加工氮冷通道。通過模具氮冷可強(qiáng)化模具向外的熱傳遞散熱過程，使模具內(nèi)部因局部摩擦導(dǎo)致的溫度失衡得到有效改善。

（4）從降低模具局部溫升角度考慮，調(diào)整擠壓工藝，適當(dāng)降低棒溫和擠壓速度，改善模具的摩擦狀態(tài)，減少模具溫升。資料顯示[4]，模具工作帶的摩擦情況主要受擠壓速度影響，當(dāng)速度較大時，隨著擠壓速度的增加，擠壓壓力升高，工作帶部位（尤其是入口部位）的正應(yīng)力相應(yīng)增加，摩擦變得劇烈，產(chǎn)熱與散熱平衡被打破，熱量積聚使工作帶部位溫度升高，此時若進(jìn)行連續(xù)擠壓，持續(xù)溫升極易導(dǎo)致工作帶局部回火軟化，粘著磨損風(fēng)險增加。與此臺7000t擠壓機(jī)相比，擠壓噸位更大的8000t擠壓機(jī)采用中溫中低速（510℃+2m/min）生產(chǎn)類似斷面（寬厚比更大，擠壓比接近），連續(xù)擠壓20多支30m長料，出口溫度穩(wěn)定在520℃左右，模具下機(jī)后工作帶狀態(tài)良好，未出現(xiàn)肉眼可辨的劃傷。

（5）從減少模具高溫擠壓時間角度考慮，適當(dāng)控制連續(xù)擠壓數(shù)量，使模具接近但未達(dá)到回火軟化臨界點時結(jié)束擠壓。此種方式主要與工藝有關(guān)，例如模具在高溫中速擠壓時，通過上棒數(shù)量控制，將模具溫升控制在回火溫度范圍內(nèi)，能很好保證模具狀態(tài)。按照此方案，對經(jīng)過拋光氮化的劃傷模具進(jìn)行擠壓數(shù)量控制，在型材尺寸合格的情況下最多連續(xù)擠壓10支棒。連續(xù)跟蹤多次后，模具使用狀態(tài)良好，未再發(fā)生工作帶劃傷情況，模具壽命明顯提高。

根據(jù)實際情況，綜合考慮并應(yīng)用上述措施，能有效減少模具劃傷情況，提高模具壽命，其中后兩種措施易于實施和推行。

[1]劉靜安，何梅瓊，左耳福，等.推廣國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)模具鋼促進(jìn)鋁擠壓工業(yè)與技術(shù)發(fā)展[J].鋁加工，2016(4):57-62

[2]李彩文，王孟君，武星星.H13模具鋼的應(yīng)用及發(fā)展[J].中國材料科技與裝備，2009(4)：3-6

[3]彭必友，殷國富，傅建，蔡鵬。鋁型材擠出速度對模具磨損程度的影響[J].中國有色金屬學(xué)報，2007，17(9)：1453-1459

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[5]陳敘.提高鋁型材模耐磨性的途徑[J].鋁加工，1995(3):27-32

[6]黃春峰.國外新型熱作模具鋼及其熱處理工藝[J].航空精密制造技術(shù)，2004(3):89-93

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[8]曾鴻俊，王柳明.擠壓模具氮化處理[C].lw2004鋁型材技術(shù)，2004

Discussion on Scratch of Bearing of H13 Steel Extrusion Die

LV Qing-yu，DENG Yu-zhen
（Longkou Conglin Aluminum Co.，Ltd.，Longkou 265705,China）

After continuous extrusion,a large area of scratch on the die land were found for H13 steel die.Through investigating and analyzing the causes,the reason for the damage of the die was that after continuous high temperature and medium speed extrusion,hardness and abrasive resistance had been decreased,thus adhesive wear scratch had occurred.Four improvement measures are put for?ward in view of this situation,some of the measures are applied and proven to be good use effect.

H13 steel;extrusion die;scratch;tempering

TG375+.4

A

1005-4898(2017)05-0056-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.05.11

呂慶玉（1981-），男，山東省菏澤市人，主要從事鋁合金擠壓工藝研究。

2017－03－05