鋁型材擠壓模具失效分析

陳少華， 張 楊， 謝 偉， 陳衛(wèi)華,*， 艾云龍， 歐陽晟

（1.江西省知識產(chǎn)權(quán)保護中心，南昌 330029；2.南昌航空大學 材料科學與工程學院，南昌 330063）

0 引言

H13鋼是目前國內(nèi)外使用最為廣泛的熱作模具鋼之一[1]，對應(yīng)國內(nèi)牌號為4Cr5MoSiV1，這類鋼的碳含量較高，以Cr、Mo、V為主要強化元素[2]。H13作為一種常見的熱作模具鋼[3]，因其具有較高的淬透性、良好的沖擊韌性、優(yōu)良的尺寸穩(wěn)定性和抗熱疲勞性能[4-10]，被廣泛用于制造各種受沖擊載荷較大的鍛模、熱擠壓模、精鍛模[11]，以及Al、Cu及其合金的壓鑄模[12]。在現(xiàn)代化的鋁型材加工生產(chǎn)中，擠壓模具是鋁合金產(chǎn)生擠壓變形和傳遞擠壓力的關(guān)鍵部件，擠壓模具質(zhì)量與使用壽命的高低直接影響到鋁型材的表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率[3,13-14]，具有優(yōu)異綜合性能的H13熱作模具鋼，可以很好地滿足擠壓鋁型材的工作要求。然而，鋁型材越來越復雜的結(jié)構(gòu)、高的尺寸精度及加工時復雜的應(yīng)力狀態(tài)等對擠壓模具質(zhì)量及壽命提出了越來越苛刻的要求[15-18]。

鋁型材生產(chǎn)企業(yè)使用的H13鋼鋁型材擠壓模具在使用過程中，在高溫、重載、強摩擦的作用下，易發(fā)生軟化、變形、開裂和不耐磨損等失效行為，導致模具實際使用壽命僅為理論壽命的50%，個別模具使用壽命甚至不到理論壽命的20%即發(fā)生失效報廢。頻繁更換擠壓模具，直接影響了企業(yè)鋁型材擠壓生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率及鋁型材產(chǎn)品質(zhì)量。本研究以該企業(yè)失效的H13鋼鋁型材擠壓模具為研究對象，采用宏觀形貌觀察、化學成分分析、金相組織觀察、SEM微觀組織觀察及力學性能檢測等方法，分析鋁型材擠壓模具失效原因，并提出相應(yīng)的改進措施建議，對延長模具生產(chǎn)使用壽命，提高企業(yè)鋁型材生產(chǎn)效率及質(zhì)量具有一定的理論及實踐意義。

1 試驗方法

鋁型材擠壓模具材料為H13熱作模具鋼，其熱處理工藝為 1018 ℃/3 h 淬火+580 ℃/3 h 回火兩次；滲氮工藝為 520 ℃/12 h。模具技術(shù)指標為：回火后硬度 HRC 48~52，滲氮層表面硬度≥HV 950，滲氮層厚度≥0.25 mm，內(nèi)部沖擊韌度≥15 J/cm2；使用壽命要求鋁型材產(chǎn)出量≥5 t。

試驗抽取2個同一生產(chǎn)批次不同型號壽命較低的鋁型材擠壓模具進行失效分析，其外觀形貌如圖1所示。由圖1可觀察到，鋁型材擠壓模具工作區(qū)結(jié)構(gòu)復雜，具有較多的薄壁及拐角部位。模具薄壁的拐角根部在使用過程中易發(fā)生變形（圖1a），嚴重的甚至發(fā)生斷裂（圖1b）。同時，由于模具在使用過程中承受高溫、重載、強摩擦的作用，易發(fā)生磨損超差，導致模具失效。為進一步分析模具失效原因，采用線切割機在模具失效部位進行取樣，取樣位置如圖1b所示。

圖1 失效H13鋼鋁型材擠壓模具外觀形貌圖Fig.1 Appearance of the failed H13 steel and aluminum profile extrusion mould

對試樣進行打磨、拋光，采用顯微硬度計對失效鋁型材擠壓模具的工作面和非工作面的截面進行硬度測試，采用洛氏硬度計和擺錘沖擊試驗機對淬火及回火態(tài)的鋁型材擠壓模具進行硬度和沖擊韌性測試。對試樣進行打磨、拋光和腐蝕，使用金相顯微鏡對失效鋁型材擠壓模具樣品的金相組織進行觀察，使用場發(fā)射掃描電子顯微鏡對各工藝狀態(tài)樣品進行顯微組織觀察及分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 化學成分分析

對失效模具進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，該熱作模具鋼材料的化學成分均在標準范圍內(nèi)，符合國標GB/T 1299—2014對H13鋼化學成分的技術(shù)要求。

表1 失效H13鋼鋁型材擠壓模具的主要化學成分（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Main chemical composition of the failed H13 steel-aluminum extrusion mould (mass fraction /%)

2.2 力學性能測試

圖2為失效鋁型材擠壓模具的工作面和非工作面截面的硬度測試結(jié)果。由圖2可知，H13鋼鋁型材擠壓模具經(jīng)使用失效后，模具非工作面表層硬度為HV 821，但滲氮層厚度較薄，約為0.15 mm。而模具工作面表層未檢測到明顯硬化層，甚至在表面出現(xiàn)明顯軟化現(xiàn)象，表層硬度僅為HV 267。

圖2 失效工作面與非工作面截面硬度分布圖Fig.2 Hardness distribution of the cross section on working face and non-working face of the failed mould

為進一步分析使用前模具的熱處理質(zhì)量，對淬火及回火態(tài)的鋁型材擠壓模具進行硬度和沖擊韌性測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知，采用該熱處理工藝制備的H13鋼模具回火硬度為HRC 52.4，但沖擊韌性偏低，僅有 11.2 J/cm2。

表2 H13鋼鋁型材擠壓模具淬火及回火態(tài)性能測試結(jié)果Table 2 Test results of quenching and tempering properties of H13 steel-aluminum extrusion mould

2.3 顯微組織觀察

圖3、圖4為熱處理后（滲氮前）鋁型材擠壓模具樣品的金相組織圖及SEM掃描電鏡圖。由圖3可知，經(jīng)熱處理后的H13鋼鋁型材擠壓模具組織中存在少量的顆粒狀夾雜缺陷，同時，模具組織中還存在少量塊狀碳化物未溶解，經(jīng)能譜分析可知，未溶解的碳化物主要由V、Fe、C元素構(gòu)成（表3）。夾雜和塊狀未溶解的含釩碳化物在一定程度上降低了模具基體的韌性，提高了裂紋萌生的傾向。

表3 熱處理后鋁型材擠壓模具EDS分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 3 EDS analysis results of aluminum extrusion mould after heat treatment（mass fraction /%）

圖3 熱處理后鋁型材擠壓模具的金相組織圖Fig.3 Metallographic structure of aluminum extrusion mould after heat treatment

圖4 熱處理后鋁型材擠壓模具SEM掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of aluminum extrusion mould after heat treatment

圖5、圖6分別為鋁型材擠壓模具非工作面滲氮層的金相組織圖和SEM掃描電鏡圖。由圖5和圖6可知，鋁型材擠壓模具非工作面的滲氮層表面粗糙，局部出現(xiàn)凹坑。滲氮層組織由表及里分別為表層片狀組織、細小擴散層組織、粗大擴散層組織和基體組織，其中在粗大擴散層組織與基體過渡區(qū)出現(xiàn)少量細小微裂紋沿晶界面分布，滲氮層不存在明顯脈狀組織特征。

圖5 鋁型材擠壓模具非工作面滲氮層的金相組織圖Fig.5 Metallographic structure of nitrided layer on non-working face of aluminum extrusion mould

圖6 鋁型材擠壓模具非工作面滲氮層SEM掃描電鏡圖Fig.6 SEM images of nitriding layer on non-working surface of aluminum profile extrusion mould

圖7、圖8分別為鋁型材擠壓模具工作面滲氮層的金相組織圖和SEM掃描電鏡圖。與非工作面滲氮層相比，工作面滲氮層的組織基本被磨損，磨損表面出現(xiàn)一層明顯的軟化層。而在模具局部彎曲位置，由于擠壓鋁型材過程中受到較大的拉應(yīng)力，滲氮層局部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，進而逐漸被剝落或磨損。

圖7 鋁型材擠壓模具工作面滲氮層的金相組織圖Fig.7 Metallographic structure images of nitriding layer on non-working surface of aluminum profile extrusion mould

圖8 鋁型材擠壓模具工作面滲氮層SEM掃描電鏡圖Fig.8 SEM images of nitriding layer on working surface of aluminum profile extrusion mould

綜合分析表明，由于鋁型材擠壓模具結(jié)構(gòu)復雜，具有較多的薄壁及拐角結(jié)構(gòu)，在使用過程中承受高溫高壓高載荷等惡劣環(huán)境作用，這些位置通常容易發(fā)生變形和開裂失效。這對模具的強韌性提出了較高的要求。然而，企業(yè)之前所用模具，雖然回火后硬度較高（HRC 52.4），但沖擊韌性處于較低水平（8.1 J/cm2）。原因是模具淬火后，仍有少量含釩碳化物未徹底溶解，同時，基體中存在少量夾雜缺陷，導致模具整體韌性不高。對于鋁型材擠壓模具而言，并非是硬度越高，模具的使用壽命越長。保證良好的韌性和硬度的匹配關(guān)系，對提高模具的壽命非常關(guān)鍵。另一方面，經(jīng)滲氮處理后的模具滲氮層厚度較薄，滲氮層組織不穩(wěn)定，滲氮層容易發(fā)生軟化，從而被磨損，導致模具磨損而失效。模具滲氮層與基體組織過渡區(qū)還存在少量微裂紋，滲氮層與基體結(jié)合力差，易導致滲氮層局部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，進而逐漸加劇模具滲氮層的剝落和磨損。

由以上分析可知，在滲氮工藝前，模具組織準備不合理?？梢酝ㄟ^提高淬火溫度，使碳化物顆粒充分溶解，提高其奧氏體均勻化程度，以獲得較好的硬度和沖擊韌性的匹配；同時適當提高回火溫度以及增加回火次數(shù)，使殘余奧氏體的含量減小，獲得更高的沖擊韌性。另外，滲氮工藝也需要進一步優(yōu)化，可采用兩段滲氮法，以獲得更厚的滲氮層，同時穩(wěn)定滲氮層組織，使?jié)B氮層與基體良好結(jié)合，提高模具耐磨性能以及延長模具使用壽命。

3 結(jié)論

1）H13鋼鋁型材擠壓模具存在少量夾雜和未溶解的碳化物，韌性較低，在高溫高載荷條件下，模具薄壁和拐角結(jié)構(gòu)附近易產(chǎn)生變形和開裂，導致模具報廢。

2）H13鋼鋁型材擠壓模具滲氮工藝質(zhì)量較低，滲氮層厚度較薄，組織不穩(wěn)定，在使用過程中承受高溫高壓惡劣環(huán)境作用，滲氮層容易發(fā)生軟化，從而被磨損導致模具磨損超差失效；滲氮層與基體組織過渡區(qū)存在少量微裂紋，滲氮層與基體結(jié)合力差，易導致滲氮層局部出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，進而逐漸加劇模具滲氮層的剝落和磨損。