H13大型擠壓模具分流橋斷裂分析

王彥俊，李鵬偉，孫 巍，李延軍，白云鵬，陳立超

(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽 111003）

0 引言

H13鋼(4Cr5MoSiV1)是國際上廣泛應(yīng)用的一種空冷硬化型熱作模具鋼。H13鋼具有較高的韌性和耐冷熱疲勞性能，不容易產(chǎn)生熱疲勞裂紋;且抗粘結(jié)力強(qiáng)，與熔融金屬相互作用小，因此，廣泛應(yīng)用于熱鐓鍛、熱擠壓和壓鑄模具的制造［1-2］。隨著鋁型材應(yīng)用行業(yè)的不斷發(fā)展，近年來市場對鋁型材的斷面形狀、尺寸公差、表面質(zhì)量等方面都有了越來越嚴(yán)格的要求，而模具的工作條件又是非常惡劣的，在高溫、高壓下承受劇烈的摩擦、磨損作用;因此，對模具的要求也越來越高，對提高模具的使用壽命至關(guān)重要。

根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)查，該失效模具用于125MN擠壓機(jī)，模具外形尺寸 φ790 mm×(170～180)mm，擠壓比為25.7，最大擠壓力為25～26 MPa，模具預(yù)熱溫度為500±10℃，擠壓速率為0.7～1.3 m/min，鋁錠最高加熱溫度為525±10℃，最終擠壓鋁型材約10 t失效。失效模具分流橋處出現(xiàn)裂紋，擠壓合金狀態(tài)7N01S－T5，該模具原材料為進(jìn)口H13鋼，其組織符合NADCA－203標(biāo)準(zhǔn)。本研究對斷裂分流橋斷口的宏微觀形貌、金相組織及模具受力情況進(jìn)行分析，測試其室溫/高溫力學(xué)性能、硬度、沖擊強(qiáng)度，以查找其失效原因，為預(yù)防同類故障的發(fā)生提供參考。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

圖1為失效模具實物照片，該模具為某大型鋁合金型材擠壓模具上模——分流模，圖中白色箭頭所指為斷裂位置。將圖1中失效位置進(jìn)行分解、觀察，可見斷口較為平齊，無明顯塑性變形，斷裂面與主應(yīng)力方向垂直，為典型脆性斷口(圖2)，有明顯放射棱線，為解理斷裂［3-4］，有線性多源特征，白色箭頭所示為裂紋源區(qū)，黑色箭頭所指示的區(qū)域為裂紋擴(kuò)展區(qū)，該區(qū)存在自擠壓裂紋處流入的鋁合金，源區(qū)顏色發(fā)暗，宏觀未見夾雜等其他肉眼可見冶金缺陷。

1.2 斷口微觀觀察

采用體積比為 V(NaOH)∶V(K2MnO4)∶V(H2O)=4∶3∶15的水溶液煮沸，去除斷口夾雜物［5］，待夾雜物清除后用稀Na2CO3或NaHCO3進(jìn)行第1次清洗，然后采用蒸餾水第2次清洗，第3次采用酒精清洗，吹干待觀察。采用SSX－550掃描電鏡觀察斷口微觀形貌，斷口源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)典型形貌如圖3、圖4，源區(qū)為線性多源特征，可見棱線由裂紋源向內(nèi)擴(kuò)展放射。由圖4可見，裂紋源斷口較為平齊，平臺寬度約為156 μm，顏色發(fā)暗，未見夾雜等冶金缺陷。根據(jù)模具使用狀況分析，該模具分2次使用，源區(qū)裂紋可能在第1次擠壓過程中就產(chǎn)生了，在第2次使用時裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展，與調(diào)查、分析結(jié)果相符合，斷口干凈無附著物。圖5為裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌，可見擴(kuò)展區(qū)存在大量二次裂紋，并呈現(xiàn)沿晶開裂特征;圖6為瞬斷區(qū)形貌，未見韌窩特征，同樣存在二次裂紋，并沿晶開裂，分析二次裂紋主要是模具受到較大熱應(yīng)力而產(chǎn)生的，為典型脆性斷裂。

1.3 模具受力分析

分流模的工作原理是在擠壓機(jī)的擠壓力作用下，金屬向擠壓桿運(yùn)動方向流動，經(jīng)過分流孔分流，匯集于下模的焊合室，在高溫高壓的作用下，在焊合室內(nèi)重新匯合起來形成以模芯為中心的整體材料，最后通過模芯與?？姿纬傻拈g隙流出，得到符合設(shè)計要求的制品［1］。上模所承受的載荷力是擠壓桿通過金屬坯料加載在上模上的力，在擠壓過程中，由于力學(xué)條件是隨著金屬體積、金屬與擠壓筒之間的接觸表面狀態(tài)、接觸摩擦力、擠壓溫度速度范圍，以及其他條件變化而不斷發(fā)生變化的。在整個擠壓過程中，上模所承受的載荷變化幅度相當(dāng)大，且擠壓機(jī)在加載擠壓力時只需要幾秒鐘，在短暫的時間內(nèi)模具所承受載荷發(fā)生急劇變化，受到?jīng)_擊作用。另外，由于更換鋁錠時需要間歇地停止擠壓操作，在工作時間和非工作時間，模具長時間在周期性變化的載荷下工作，這種情況屬于動載荷。試驗結(jié)果和理論分析表明，在零件尺寸突然改變的截面上，應(yīng)力分布是不均勻的，由此可見，模具斷裂位置在模具分流橋根部與模芯過渡區(qū)，截面尺寸發(fā)生很大變化;因此，在該部位應(yīng)力集中對模具的斷裂有嚴(yán)重影響。

1.4 力學(xué)性能

從失效分流橋處截取拉伸試樣，分別做室溫、高溫拉伸試驗，高溫拉伸溫度為520℃，試驗結(jié)果見表 1。一般合金結(jié)構(gòu)鋼屈強(qiáng)比為 0.84～0.86［6］，該模具的室溫屈強(qiáng)比為 0.76，明顯偏小。屈強(qiáng)比大小主要由熱處理工藝決定的，屈強(qiáng)比越大，說明可靠性越高，屈強(qiáng)比越小，表示其抗變形能力較強(qiáng)，但易發(fā)生脆性破壞。

1.5 硬度及沖擊性能

設(shè)計要求模具熱處理后硬度為44～46 HRC，對斷裂分流橋進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果為41～42 HRC，硬度略低于設(shè)計要求值。根據(jù)DIEVAR瑞典熱作模具鋼原材料技術(shù)指導(dǎo)書中模具鋼硬度隨溫度和時間變化曲線(圖7)可知，硬度為45 HRC的模具在溫度550℃、工作100 h后，硬度下降至42 HRC左右，而該失效模具總工作時間不超過20 h，硬度變?yōu)?1～42 HRC，由此判斷可能是材料的硬度偏低。如果模具使用溫度在550～600℃，模具的硬度隨使用時間的延長下降很快，其他性能也迅速下降。已知在擠壓前模具預(yù)熱500±10℃，鑄錠加熱525±5℃，擠壓過程中模具產(chǎn)生大量的熱以及鑄錠向模具進(jìn)行熱傳遞，模具溫度逐漸升高，而擠出型材僅帶走很少一部分熱量，由此分析模具工作溫度至少在550℃以上，模具在如此高溫下工作硬度下降非?？?，所以必須嚴(yán)格控制擠壓工藝參數(shù)，保持工藝合理性對模具的使用壽命非常重要。沖擊試驗在擺錘能量為300 J、最大擺角為150°的ZBC 2302－3金屬擺錘沖擊試驗機(jī)上進(jìn)行，共對3個沖擊試樣進(jìn)行了試驗(圖8)，沖擊強(qiáng)度平均值為18 J/cm2。

表1 力學(xué)性能結(jié)果Table 1 Results of mechanical property analysis

1.6 顯微組織分析

失效部位的H13顯微組織如圖9所示。經(jīng)調(diào)質(zhì)處理組織為回火索氏體(S回)+隱針馬氏體(M隱針)+殘余奧氏體(A殘)+少量碳化物(C少)，無過熱特征，由材料組織觀察可見:材料中的殘余奧氏體量較多，表明模具在熱處理過程中存在回火不足，殘余奧氏體量越多，硬度越低。圖10為模具斷裂邊緣的顯微組織，由圖可見，裂紋從模具的邊緣向基體內(nèi)擴(kuò)展延伸，邊緣區(qū)域未見可疑夾雜物、碳化物等明顯缺陷，模具表面經(jīng)過滲氮處理，未見白亮層，說明滲氮工藝沒有問題。

1.7 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，由表可見，材料符合 GB/T 1299—2000［7］要求。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 2 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

2 分析與討論

綜上所述，影響H13模具使用壽命因素很多，根據(jù)對失效模具斷口分析，分流橋根部斷裂為典型脆性斷口，有明顯放射棱線并出現(xiàn)線性多源特征，擴(kuò)展區(qū)存在大量沿晶二次裂紋，從模具的失效位置進(jìn)行受力分析，上模在擠壓過程中，分流橋部位承受較大應(yīng)力，主要以拉應(yīng)力為主，同時長時間處于高溫、動載荷作用下，該部位材料的性能下降迅速，模具分流橋根部與模芯過渡區(qū)截面尺寸發(fā)生很大變化，從而在該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中對模具的斷裂有嚴(yán)重影響。

金相顯微組織中發(fā)現(xiàn)較多殘余奧氏體，基體硬度為41～42 HRC，低于設(shè)計要求，存在熱處理過程中淬火溫度偏低、模具淬火冷卻能力不足、回火不充分等因素。顯微組織中未見過熱與過燒的粗大組織和晶粒出現(xiàn)，所以可排除過熱、過燒導(dǎo)致沿晶現(xiàn)象。力學(xué)性能檢測結(jié)果證實，材料的屈強(qiáng)比偏小，而屈強(qiáng)比大小主要由熱處理工藝決定的，因此該模具的熱處理制度有待改進(jìn)。該模具原熱處理工藝最高淬火加熱溫度為1025℃，根據(jù)文獻(xiàn)［8］，H13鋼淬火加熱溫度為1 020～1050℃，建議淬火溫度提高到1 030～1 040℃;原回火制度采用2次回火，第1次為585℃保溫6 h，第2次為605℃保溫6 h，建議采用3次回火，第1次585℃保溫6 h，第2次605℃保溫6 h，第3次585℃保溫6 h，目的是提高模具的回火穩(wěn)定性、紅硬性。

從使用條件分析，已知在擠壓前模具預(yù)熱500±10℃，鑄錠加熱525±5℃，擠壓速度為0.7～1.3 m/min，擠壓過程中模具產(chǎn)生大量的熱以及鑄錠向模具進(jìn)行熱傳遞，模具溫度升高，而擠出型材只帶走很少一部分熱量。由圖7分析，模具在500～550℃工作時，硬度下降的比較緩慢，穩(wěn)定性也較高;而在550～600℃時硬度下降的非常快，在此溫度范圍內(nèi)長時間工作必然導(dǎo)致模具提前失效，如果鑄錠加熱溫度過低，在擠壓過程中擠壓機(jī)容易發(fā)生悶車，而鑄錠加熱溫度過高，則影響型材表面質(zhì)量，如果在鑄錠高溫下保持正常的擠壓速度，模具溫度就會升高，從而影響模具的使用壽命;建議模具在試模階段以低于正常擠壓速度進(jìn)行擠壓，待模具基本穩(wěn)定后再提高到正常擠壓速度，鑄錠加熱溫度要合適，所以嚴(yán)格控制擠壓工藝參數(shù)的合理性，這對模具的使用壽命延長有重要意義。

3 結(jié)論

1)上模分流橋斷裂性質(zhì)為脆性斷裂;

2)上模的開裂與其加工工藝及模具鋼原材料無直接關(guān)系;

3)模具的失效原因是由于熱處理制度不符合技術(shù)要求，硬度低、屈強(qiáng)比小、模具的使用溫度過高、分流橋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中等引起的;

4)模具在500～550℃工作溫度下使用穩(wěn)定性較高，建議嚴(yán)格控制擠壓工藝參數(shù)。

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