王澤寧，孫金全，崔洪芝，李輝平，李保民

(1.山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590; 2.山東博特精工股份有限公司，山東濟(jì)寧 272073)

影響鋁型材擠壓模具壽命因素的分析

王澤寧1，孫金全1，崔洪芝1，李輝平1，李保民2

(1.山東科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590; 2.山東博特精工股份有限公司，山東濟(jì)寧 272073)

在鋁合金建材與工業(yè)型材生產(chǎn)中，延長(zhǎng)擠壓模具壽命是提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文綜述了鋁合金擠壓模具的失效形式，并從模具材料選擇、模具設(shè)計(jì)、模具熱處理與模具滲氮方面分析了影響鋁合金模具壽命的各個(gè)因素。

鋁型材;模具壽命;模具失效;熱處理;滲氮

鋁合金具有輕質(zhì)、高強(qiáng)度和優(yōu)良的耐腐蝕性能，使其在民用建材、工業(yè)型材、航天航空領(lǐng)域廣泛使用。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，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，高的尺寸精度及工作服役時(shí)復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)。模具質(zhì)量也將直接影響產(chǎn)品的形狀、尺寸、表面質(zhì)量以及內(nèi)部組織等［1］。當(dāng)今社會(huì)鋁合金建材門(mén)檻低，競(jìng)爭(zhēng)激烈，鋁合金工業(yè)型材附加值高，模具投入量大，國(guó)內(nèi)對(duì)鋁合金擠壓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造加工以及表面處理工藝技術(shù)都存在不足，導(dǎo)致模具產(chǎn)量和壽命很低，因此提高模具壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。目前我國(guó)鋁擠壓模具技術(shù)已有長(zhǎng)足進(jìn)步，但與國(guó)際先進(jìn)水平仍有一定差距，在我國(guó)鋁材擠壓行業(yè)中，模具的一次上機(jī)成功率只有50%左右，模具的使用壽命普遍較低，僅為國(guó)際先進(jìn)水平的1/3左右［2-3］。擁有理想表面質(zhì)量的擠壓型材與模具的使用壽命是相互關(guān)聯(lián)的，與生產(chǎn)過(guò)程的經(jīng)濟(jì)效益密切相關(guān)。而模具的壽命主要依賴(lài)于模具的設(shè)計(jì)、材料的選用、熱處理、服役過(guò)程的工藝參數(shù)選擇［4］。模具的表面處理也是保證模具使用壽命的重要環(huán)節(jié)，對(duì)實(shí)現(xiàn)鋁型材產(chǎn)品高效、優(yōu)質(zhì)、低能耗生產(chǎn)具有重要意義。本文針對(duì)擠壓模具設(shè)計(jì)、模具材料、熱處理工藝以及表面滲氮強(qiáng)化方面，分析其對(duì)模具壽命的影響，以期為鋁合金模具設(shè)計(jì)和熱處理提供理論依據(jù)。

1 影響鋁型材擠壓模具壽命的因素及其失效形式

鋁型材擠壓模具的壽命是綜合性的技術(shù)問(wèn)題，它涉及到模具設(shè)計(jì)、模具材料、制造加工、熱處理、表面處理、擠壓工藝、模具修理以及模具科學(xué)管理諸多方面［5］。鋁合金擠壓模具失效形式主要為疲勞斷裂、磨損、塑性變形三大類(lèi)。A.F.M.Arif等人對(duì)不同形狀的H13鋼鋁型材擠壓模具失效機(jī)制進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中三大失效形式所占百分比如圖1所示［6］，斷裂失效所占比例最高，其次是磨損失效和塑性變形。

圖1 擠壓模具失效形式統(tǒng)計(jì)Fig.1 The statistics of failure form of extrusion die

疲勞斷裂是擠壓模具失效的首要機(jī)制，它常發(fā)生在模具高應(yīng)力集中區(qū)，例如尖角處、加工刀痕處［7］。圖2為模具的熱裂失效圖片，服役過(guò)程中由于高溫表面和冷的芯部之間產(chǎn)生很高的溫度梯度，將在表層產(chǎn)生很高的壓應(yīng)力，引起彈塑性變形。在尖角處將形成更高的溫度梯度，產(chǎn)生更高的壓應(yīng)力和張應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)表面材料的局部屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度，再循環(huán)載荷的沖擊下產(chǎn)生疲勞，最終導(dǎo)致裂紋的成核與擴(kuò)展［8-9］。

圖2 擠壓模具熱裂失效形式Fig.2 The failure form of thermal crack of the extrusion die

擠壓模具第二大失效模式是磨損失效，由于熱擠壓變形時(shí)的變形率較大，金屬坯料塑性變形時(shí)的金屬流動(dòng)，對(duì)模具型腔表面產(chǎn)生劇烈的摩擦，引起磨損失效。通常坯料在爐內(nèi)預(yù)熱時(shí)表層容易發(fā)生高溫氧化，形成堅(jiān)硬的Al2O3膜層［6］。工作時(shí)堅(jiān)硬的膜層很容易磨損剝落形成硬質(zhì)顆粒，使得坯料與模具表面之間發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損。磨損使得模具工作帶材料緩慢剝落，對(duì)模具表面粗糙度和尺寸公差產(chǎn)生很大影響。如果坯料與模具接觸表面的局部壓力和溫度過(guò)高，擠壓速度不合理，以及模具的尺寸和表面粗糙度不滿(mǎn)足要求，工作時(shí)都將造成模具表面劇烈磨損。研究發(fā)現(xiàn)滲氮模具鋼表層的磨損機(jī)制是裂紋、材料粘著轉(zhuǎn)移［10］，以及剝層、磨粒和長(zhǎng)周期疲勞磨損［11］。

擠壓過(guò)程中的變形功熱效應(yīng)、摩擦等產(chǎn)生的溫升，使模具局部的工作溫度進(jìn)一步升高。在長(zhǎng)時(shí)間的高溫作用下，金屬與模具間的摩擦狀態(tài)惡化，模具的強(qiáng)度降低，于是塑性變形就可能發(fā)生。塑性變形常發(fā)生在模具表面承受過(guò)高的壓力和溫度，以及長(zhǎng)時(shí)間接觸的區(qū)域，一旦接觸壓力產(chǎn)生的應(yīng)力值超過(guò)模具材料的局部熱屈服強(qiáng)度，將引發(fā)塑性變形［12］。模具的溫升速率與模具和坯料起始溫度，接觸壓力和時(shí)間，模具材料和表面處理狀態(tài)有關(guān)［13］。

2 鋁型材擠壓模具材料選擇

在精密鋁型材的生產(chǎn)中模具材料的選擇是重要的因素，而且對(duì)模具壽命和成本都至關(guān)重要。模具材料應(yīng)具備好的塑韌性、疲勞強(qiáng)度、淬透性;其次硬度、切削性能、磨拋性能、尺寸穩(wěn)定性能也是需要考慮的因素。AISI H13鋼是目前國(guó)內(nèi)外廣為應(yīng)用的鋁合金擠壓模具材料，也是廣泛使用的熱作模具鋼材料。它具有較高的屈服強(qiáng)度、高溫抗蠕變性，好的回火穩(wěn)定性、耐化學(xué)腐蝕性、強(qiáng)韌性和延展性，且價(jià)格適中，表1為H13鋼的主要化學(xué)成分。

表1 H13鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of H13 steel(ω，%)

國(guó)產(chǎn)H13鋼的強(qiáng)度、韌性及其等向性均與進(jìn)口H13鋼存在差距，非金屬夾雜、帶狀偏析、液析亞穩(wěn)定共晶碳化物是影響國(guó)產(chǎn)H13鋼性能的主要冶金缺陷。H13鋼屬于過(guò)共析合金鋼，組織中存在的冶金缺陷主要有成鋒利多角的大塊狀、排列成鏈、堆集成帶或網(wǎng)狀的白亮共晶碳化物(如圖3(a))和成堆集狀和短鏈狀的非金屬夾雜物(如圖3(b))，這在很大程度上降低了模具鋼的強(qiáng)度、韌性及熱疲勞抗力。生產(chǎn)中常采用鍛造技術(shù)來(lái)消除或減輕鋼錠這些內(nèi)部缺陷，而鍛造比的選取對(duì)減少缺陷尤為重要，如果鍛造比不合理將影響晶粒尺寸的均勻性(如圖3(c))。H13鋼在冶煉后澆成鑄錠時(shí)，因成分偏析會(huì)導(dǎo)致組織偏析，鑄錠經(jīng)過(guò)鍛造和軋制，形成碳與合金元素貧化帶和富化帶交替分布的帶狀組織(如圖3(d))。值得注意的是成分偏析造成退火組織中帶狀的碳化物偏析，這又會(huì)遺傳到淬火態(tài)及回火態(tài)組織中，最終對(duì)H13鋼的綜合性能，尤其是沖擊韌性造成了很大的影響［14］。因此必須通過(guò)改進(jìn)H13鋼的冶煉方法和鍛造工藝來(lái)保證模具鋼的用材需求。

(a)共晶碳化物;(b)非金屬夾雜物;(c)晶粒尺寸不均勻;(d)帶狀組織圖3 H13鋼顯微組織缺陷(a)eutectic carbide;(b)non metallic inclusions;(c)grain size is not uniform;(d)banded structureFig.3 The microstructure defects of H13 steel

3 模具設(shè)計(jì)與模具加工

模具設(shè)計(jì)存在缺陷為模具的早期報(bào)廢埋下了隱患，甚至不能投入使用，導(dǎo)致產(chǎn)品缺陷及極低的生產(chǎn)率。模具設(shè)計(jì)和機(jī)加工，以及熱處理工藝與模具的殘余應(yīng)力密切相關(guān)。模具設(shè)計(jì)時(shí)考慮的因素主要有?？仔颓坏臄嗝嫘螤?，工作帶的形狀和深度，止推角和促流角的大小，型腔在模具端面的位置等［15］。由于模具成形結(jié)構(gòu)工藝性的要求，在模具結(jié)構(gòu)上會(huì)存在截面突變、凹槽、尖角、圓角半徑等，這些區(qū)域極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，形成裂紋并導(dǎo)致斷裂失效。如圖4為鋁合金擠壓模分流橋根部斷裂失效位置，圖5為其等效應(yīng)力和疲勞壽命模擬分析，可以明顯看出分流橋根部等的應(yīng)力很集中、應(yīng)力值相對(duì)其它區(qū)域明顯更高，疲勞壽命值明顯更低。因此，在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該特別注意過(guò)度曲率半徑的設(shè)計(jì)，適當(dāng)增大模具圓角半徑、減小凹模深度和尖角數(shù)量、盡量避免截面突變。

圖4 擠壓分流模的斷裂失效位置Fig.4 Breakage position of extrusion divergent die

圖5 (a)模具三維輪廓形貌圖;(b)斷裂部位的應(yīng)力模擬分析;(c)疲勞壽命模擬分析Fig.5 (a)3-D profile appearance map of the die;(b)the simulation analysis of stress at the breakage position;(c)the simulation analysis of fatigue life

車(chē)削加工模具型腔時(shí)，進(jìn)刀過(guò)深形成的刀痕將成為應(yīng)力集中的部位，淬火時(shí)極易萌生微裂紋(如圖6(a))，后續(xù)服役時(shí)裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展而導(dǎo)致模具開(kāi)裂失效。所以進(jìn)行機(jī)加工時(shí)，粗加工后必須留有一定尺寸余量的半精加工和精加工進(jìn)給量。電火花加工時(shí)，表層由于受熱影響嚴(yán)重，以致產(chǎn)生過(guò)熱和重熔現(xiàn)象。表層重新淬火、冷卻時(shí)各層間由于組織轉(zhuǎn)變的應(yīng)力較大，因此沿?zé)釘U(kuò)散方向容易產(chǎn)生裂紋，同時(shí)熔凝層(如圖6(b))與基體結(jié)合力低，易于脫落。所以模具經(jīng)電火花加工后應(yīng)重新回火，以消除內(nèi)應(yīng)力。磨削加工時(shí)如果磨削熱控制不當(dāng)，使得表層溫升過(guò)快過(guò)高，直至重新奧氏體化隨后冷卻，這樣極易使得表層產(chǎn)生很高的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，造成模具表面產(chǎn)生磨屑裂紋。

圖6 模具加工時(shí)表面形成的裂紋和白亮層Fig.6 The quenching crack and white layer on the surface in die machining

4 鋁型材擠壓模具的熱處理

熱處理不當(dāng)占模具早期失效的相當(dāng)比重，一般H13鋼都要經(jīng)過(guò)預(yù)備熱處理、淬火及回火，其中每個(gè)工藝環(huán)節(jié)對(duì)改善其組織，提高性能和保證模具壽命都至關(guān)重要。

4.1 預(yù)備熱處理工藝

H13鋼鍛后，在球化退火前加正火處理，可以細(xì)化組織，使偏析和網(wǎng)狀碳化物結(jié)構(gòu)得到改善，碳化物的球化率也提高，正火溫度為1020℃時(shí)效果良好。研究表明對(duì)成分偏析且鍛造不足的H13鋼進(jìn)行擴(kuò)散退火加球化退火預(yù)先熱處理，能更有效改善其金相組織，較大幅度提高材料的沖擊韌性［16］。

4.2 淬火工藝

H13鋼合金元素含量高，導(dǎo)熱性差，加熱時(shí)模具表面和中心會(huì)產(chǎn)生較大溫差，熱應(yīng)力過(guò)大易導(dǎo)致淬火變形和開(kāi)裂。為了防止模具畸變并有效促進(jìn)奧氏體化，淬火加熱前需進(jìn)行分級(jí)預(yù)熱，然后再升至奧氏體化溫度。采用下限淬火溫度則韌性好，采用上限淬火溫度則硬度和強(qiáng)度好，通常淬火溫度范圍為1020～1080℃［17］。若淬火溫度過(guò)低，碳化物溶解少，基體中碳與合金元素溶解不足，導(dǎo)致硬度低、高溫性能差。淬火溫度過(guò)高，導(dǎo)致晶粒粗大，殘余奧氏體增多，斷裂韌度下降［18］。奧氏體化不充分易造成合金碳化物粗大(如圖7(a))，嚴(yán)重影響模具鋼的強(qiáng)韌性。

4.3 回火工藝

根據(jù)H13模具鋼的工作條件及硬度要求選擇回火溫度。H13鋼的硬度隨著回火溫度的升高先增加后減小。400℃以下，硬度隨回火溫度升高而增高;550℃以上，硬度隨回火溫度升高而降低［19］。要注意由于Cr、C等原子的復(fù)合偏聚區(qū)的形成，使H13鋼在520℃左右回火時(shí)出現(xiàn)二次硬化效應(yīng)［20-21］，從而影響模具的沖擊韌性。H13鋼經(jīng)350℃左右中低溫回火，芯部可以具有更好的強(qiáng)韌配合和熱疲勞性能，同時(shí)又不出現(xiàn)蘭脆現(xiàn)象［22］。研究發(fā)現(xiàn) H13鋼經(jīng)1050℃淬火后，再在560～600℃回火2 h，可使其力學(xué)性能達(dá)到最佳的使用范圍(48～52 HRC)，強(qiáng)韌性較好［23］。應(yīng)當(dāng)注意回火溫度過(guò)高時(shí)，未融碳化物聚集長(zhǎng)大，F(xiàn)e3C的析出，合金元素向晶界偏聚，導(dǎo)致沿晶界形成黑色網(wǎng)狀物質(zhì)［20］(如圖7(b))，裂紋將沿晶界處進(jìn)一步擴(kuò)展形成較長(zhǎng)的裂紋(如圖7(c))，這將會(huì)嚴(yán)重影響熱作模具鋼的使用壽命。

(a)碳化物粗大;(b)晶界形成黑色網(wǎng)狀物質(zhì);(c)較長(zhǎng)的裂紋圖7 H13鋼熱處理顯微組織缺陷(a)coarse carbide;(b)black mesh particles formed at the grain boundary;(c)longer crackFig.7 The microstructure defects of H13 steel after heat treatment

5 鋁型材擠壓模具滲氮

對(duì)H13鋼模具進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，可以改變模具表面的成分和組織，進(jìn)而提高材料表面的硬度、耐磨性、耐蝕性、抗粘結(jié)等性能，而且能使模具的芯部保持足夠好的強(qiáng)韌性，提高模具的綜合性能、充分發(fā)揮材料的潛力、降低生產(chǎn)成本，達(dá)到提高模具壽命和經(jīng)濟(jì)效益的目的。H13鋼模具表面處理技術(shù)有化學(xué)熱處理包括離子滲氮、N-C共滲、S-N-C共滲及多元共滲、高能束表面處理、表面膜層的形成有化學(xué)氣相沉積，電鍍、濺射等［24］。采用化學(xué)鍍NiP合金后，再進(jìn)行適當(dāng)?shù)臅r(shí)效來(lái)強(qiáng)化工作帶，可以帶來(lái)良好的效果［25］。Yucel Birol在研究 CrN、AlCrN 和 AlTiN 涂層對(duì)H13鋼鋁擠壓熱作模具的滑動(dòng)磨損性能時(shí)發(fā)現(xiàn)，AlTiN涂層有優(yōu)越的耐磨性能［26］。氣體滲氮是生產(chǎn)中常用的成本低、可靠性好、操作簡(jiǎn)單的模具鋼表面處理方法，滲氮處理后在鋼的表層獲得具有一定厚度和性能的氮化組織。

滲氮鋼的表層組織由化合物層(通常也稱(chēng)白亮層)和擴(kuò)散層組成(如圖8(a))。滲氮層中合金元素如Mo、V、Cr與氮有很強(qiáng)的親和力形成合金氮化物，合金氮化物的類(lèi)型、分布、數(shù)量維持著鋼表面的力學(xué)性能，可顯著提高鋼表面的硬度和疲勞強(qiáng)度。H13鋼晶粒一般在10～30 um(如圖8(b))，H13鋼氣體滲氮擴(kuò)散層為滲氮索氏體組織。滲氮溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致γ'相和合金氮化物沿晶界粗化聚集(如圖8(c))，降低了彌散度，這會(huì)使得晶界弱化，造成滲氮層硬度明顯下降。氣體滲氮時(shí)如果氮原子沿晶界擴(kuò)展形成網(wǎng)狀、波紋狀、針狀氮化物，其脆性大、韌性差，影響模具表面的耐沖擊和耐磨性能。研究發(fā)現(xiàn)滲氮層中沿晶界沉積的氮化物是模具表層裂紋起源的潛在因素［27，10］，在此處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋延晶界萌生、擴(kuò)展最終導(dǎo)致模具表層崩刃開(kāi)裂。所以在生產(chǎn)中應(yīng)采用合理的滲氮工藝參數(shù)盡量避免這種滲氮缺陷。

化合物層有良好的機(jī)械性能，但是其形成、增長(zhǎng)機(jī)制和其晶體學(xué)取向關(guān)系仍然是一個(gè)正在探索的熱門(mén)課題［28］，它的存在對(duì)模具壽命的影響也眾說(shuō)紛紜。彭文屹等［29］研究離子滲氮化合物層對(duì)H13鋼熱疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)單純從熱疲勞性能方面來(lái)看，高硬度和高強(qiáng)度的化合物層能推遲熱疲勞裂紋的萌生，在一定程度上可以阻止熱裂紋向基體內(nèi)部擴(kuò)展。但是熱裂紋一經(jīng)產(chǎn)生，在化合物層表面擴(kuò)展較快，導(dǎo)致化合物層容易剝落?；衔飳泳哂泻玫哪湍バ?、耐腐蝕性及抗粘結(jié)性?xún)?yōu)勢(shì)，它的存在可以阻止模具表面與熱的擠壓鋁發(fā)生高溫化學(xué)反應(yīng)。

圖8 H13鋼晶粒尺寸及滲氮層組織Fig.8 The grain size of H13 steel and the microstructure of nitriding layer

由于化合物層的高硬度和脆性，如果承受很高的機(jī)械壓力很容易造成化合物層裂紋和剝落。模具工作帶的化合物層常會(huì)在高溫?cái)D壓過(guò)程中由于磨損而減少消失，造成模具精度下降，進(jìn)而影響到模具壽命和被加工擠壓產(chǎn)品的尺寸精度。硬度高的亮白氮化層厚度會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，如果出現(xiàn)突起，而在擠壓過(guò)程中這些突起就會(huì)被優(yōu)先磨損掉，磨損掉的硬質(zhì)顆粒會(huì)對(duì)模具表面產(chǎn)生犁削的作用，從而加速模具的磨損，將對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

許多研究已證實(shí)化合物層主要由ε相(Fe2-3N)和γ'相(Fe4N為基的固溶體)或兩相的混合ε+γ'構(gòu)成。化合物層對(duì)提高模具壽命是否有利主要取決于化合物層的均一性和厚度，ε相和γ'相的比率對(duì)于化合物層的韌性的影響還不清楚，而單一晶相的存在(ε或γ')和較小的層厚可以實(shí)現(xiàn)化合物層理想的性能，特別是耐磨性能的提高［30］。因?yàn)椴煌嗟慕Y(jié)構(gòu)存在差異，主要是晶包參數(shù)的不同，這樣在晶界處很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，將使得化合物層內(nèi)部積累較多的殘余應(yīng)力，增加化合物層的脆性［31-32］。滲氮處理時(shí)降低氣氛中的氮濃度有利于形成單一γ'相的化合物層，而由單一γ'相組成的化合物層其韌性更好、熱力學(xué)穩(wěn)定性提高，在超高的負(fù)荷下表現(xiàn)出更好的耐磨損和耐疲勞性能［33］?；衔飳拥暮穸群椭旅苄砸彩潜仨毧紤]的因素。氣體滲氮時(shí)化合物層內(nèi)部容易形成微孔洞和缺陷，其數(shù)量隨著化合物層的厚度而增加，這將影響化合物層硬度的均勻性，而且微孔洞和缺陷處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以化合物層厚度增加對(duì)模具壽命的影響也是不利的［34］。而化合物層的厚度可以通過(guò)改變滲氮工藝參數(shù)來(lái)控制，其厚度隨著滲氮溫度、滲氮時(shí)間、和氮?jiǎng)莸臏p小而減?。?5］。

6 H13鋼擠壓模具分流橋的失效

在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)常發(fā)現(xiàn)鋁合金擠壓模具分流橋根部發(fā)生早期開(kāi)裂失效。從模具開(kāi)裂部位經(jīng)線(xiàn)切割斷口取樣(宏觀(guān)斷口形貌如圖9)，經(jīng)過(guò)組織分析，以及硬度測(cè)試都滿(mǎn)足要求。電子探針成分分析發(fā)現(xiàn)斷口表面Al元素和O元素大面積存在(如圖10)，經(jīng)高倍形貌觀(guān)察發(fā)現(xiàn)聚集的球狀物質(zhì)，經(jīng)衍射物相分析發(fā)現(xiàn)其為AlN相(如圖11)。由于模具工作時(shí)經(jīng)受了高溫?cái)D壓及長(zhǎng)時(shí)間磨損，氮化層厚度會(huì)有所減少，這將影響模具的表面質(zhì)量和尺寸精度，所以模具工作服役一定周期后就必須進(jìn)行表面重復(fù)滲氮。而滲氮前后都必須堿洗模具表面以去除粘附在模具表面的鋁，鋁離子侵入裂紋并沉積在裂紋表面，滲氮時(shí)形成AlN相。

模具分流橋根部發(fā)生早期開(kāi)裂與其多次滲氮有很大關(guān)系。滲氮次數(shù)過(guò)多會(huì)增加滲氮層的厚度，滲層厚度增加其韌性會(huì)減小、脆性增加，更容易形成裂紋，而滲氮層本身脆性高，對(duì)裂紋抗性很低，特別是在高應(yīng)力集中區(qū)很容易引發(fā)裂紋［36］。滲氮次數(shù)過(guò)多會(huì)使得表層白亮層致密性和硬度減小，滲氮層中沿晶界聚集的滲氮物數(shù)量增多［37］，這極易造成白亮層產(chǎn)生裂紋、滲氮層中晶界弱化，使得裂紋從表層向芯部迅速擴(kuò)展。在這種情況下，侵入裂紋表面的氧和鋁將會(huì)使得晶界進(jìn)一步弱化，加速裂紋的擴(kuò)展［10］。所以模具滲氮次數(shù)增加，很容易誘導(dǎo)應(yīng)力集中的模具分流橋根部產(chǎn)生開(kāi)裂，但其不是唯一的失效因素。

分流橋根部發(fā)生早期開(kāi)裂應(yīng)該是若干其他因素共同作用的結(jié)果。因?yàn)閷?duì)于擠壓模具分流橋部的失效因素，許多相關(guān)研究也有發(fā)現(xiàn)［38-39］，由于模具表面發(fā)生氧化脫碳，使得表層強(qiáng)度硬度降低，再加上模具本身存在設(shè)計(jì)缺陷，局部位置產(chǎn)生高應(yīng)力，工況條件下也極易造成模具表面發(fā)生開(kāi)裂的傾向。如果模具的熱處理制度不符合技術(shù)要求，造成材料硬度低、屈強(qiáng)比小、加上分流橋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，模具使用溫度過(guò)高從而引發(fā)開(kāi)裂失效。所以對(duì)于模具常見(jiàn)的失效形式應(yīng)該是若干因素共同作用的結(jié)果，其中會(huì)有主要因素和決定性因素。在實(shí)際模具生產(chǎn)中應(yīng)該嚴(yán)格按照合理準(zhǔn)確的工藝，把握好每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將引發(fā)模具失效的所有可能性因素降至最低。

圖9 分流橋根部宏觀(guān)斷口形貌Fig.9 The macro morphology of the fracture surface at rot of divergent bridge

圖10 斷口表層電子探針成分分析Fig.10 EDS analysis of the fracture surface

圖11 斷口表層X(jué)射線(xiàn)衍射物相分析Fig.11 XRD pattern of the fracture surface layer

7 結(jié)論

1)鋁型材擠壓模具的失效形式主要為疲勞斷裂、磨損、塑性變形三大類(lèi)，對(duì)應(yīng)的失效機(jī)理不同，疲勞斷裂是鋁型材擠壓模具失效的首要機(jī)制。

2)存在冶金缺陷的模具材料、不合理的模具設(shè)計(jì)和加工方式、熱處理及滲氮工藝參數(shù)選擇都會(huì)導(dǎo)致模具鋼內(nèi)部組織中的顯微缺陷，服役過(guò)程中引發(fā)模具失效，降低了模具的使用壽命，從而帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。所以控制模具材料缺陷、優(yōu)化模具設(shè)計(jì)、嚴(yán)格執(zhí)行熱處理工藝對(duì)提高模具壽命十分重要。

3)模具常見(jiàn)的失效形式可能是若干因素共同作用的結(jié)果，其中會(huì)有決定性因素。應(yīng)該從以上角度考慮，優(yōu)化每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，盡量避免以上提到的不利因素，以提高鋁合金擠壓模具使用壽命為原則進(jìn)行生產(chǎn)制造。

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Analysis on Factors Affecting the Life of Aluminium Extrusion Die

WANG Ze-ning1，SUN Jin-quan1，CUI Hong-zhi1，LI Hui-ping1，LI Bao-min2
(1.School of Materials Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China;2.Shandong Best Precision Co.，Ltd，Jining Shandong 272073，China)

To extend the service life of extrusion die is one of the key to improve production efficiency and reduce production costs in the production of aluminum alloy building materials and industrial profiles.This paper reviews the failure forms of aluminium extrusion die and analyzes its influencing factors from these aspects of die design，material selection，heat treatment，as well as the nitriding.

aluminum profile;die life;die failure;heat treatment;nitriding

TG375.4

A

1673-4971(2014)05-0022-08

2014-06-27

王澤寧(1989-)，男，碩士研究生，從事熱處理工藝和耐磨性能研究工作。

崔洪芝，E-mail:cuihongzhi@163.com

國(guó)家工信部重大專(zhuān)項(xiàng)(NO.2011ZX04014-031)，青島經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)科學(xué)技術(shù)局重點(diǎn)項(xiàng)目(NO.2012-2-65)