黃碧珍

（廣東省機(jī)械高級(jí)技工學(xué)校，廣東 廣州 510450）

一、鋁合金擠壓模具的主要失效形式

隨著鋁及鋁合金制品在民用建筑、汽車工業(yè)等許多方面的應(yīng)用越來越廣泛，鋁合金擠壓工業(yè)得到了空前的發(fā)展。在2007年鋁材加工產(chǎn)量達(dá)到了1176萬(wàn)噸，超過美國(guó)居世界第一。鋁合金擠壓模的工作條件十分惡劣，加上模具設(shè)計(jì)的好壞，模具材料選擇的差異，以及熱處理和表面強(qiáng)化處理的合理性等諸多因素，都可能直接影響模具的使用壽命。擠壓模具的失效形式主要有：磨損失效、塑性變形、疲勞損傷和斷裂。

圖1 送檢模具的外觀形貌

圖2 經(jīng)4%硝酸乙醇溶液浸蝕后的金相組織

其中斷裂的形式有脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等。通常斷裂發(fā)生在模具型腔尖角處、凸臺(tái)懸臂處等。脆斷主要是材質(zhì)問題或內(nèi)部有缺陷，熱處理硬度過高，型腔形狀、工作帶厚度以及模具結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力集中等原因引起的。疲勞斷裂表象為模具表面龜裂，然后聚集擴(kuò)展形成斷裂，內(nèi)在原因是反復(fù)變化的拉、壓應(yīng)力和熱應(yīng)力引起的。韌性斷裂是由于材料太軟或工作溫度過高外界壓力過大造成的。所以，選擇模具制造材料非常嚴(yán)格，一般應(yīng)具備高強(qiáng)度、高硬度、高耐熱性和良好的抗氧化穩(wěn)定性、高沖擊韌性和斷裂韌性和良好的淬透性等。

模具的使用壽命跟很多因素相關(guān)，但其中模具材料是占主要的，模具失效原因經(jīng)統(tǒng)計(jì)大致為:設(shè)計(jì)不合理占13%,材料存在問題占10%,熱處理產(chǎn)生的問題占60%,表面處理產(chǎn)生的問題占9%,其他原因占8%。由此可見模具材料的選用與處理方法最為重要。

二、H13鋼

目前常用鋼材是H13鋼。H13鋼是美國(guó)牌號(hào)的一種空冷硬化的熱作模具鋼，成分性能等同于中國(guó)鋼材4Cr5MoSiV1。H13鋼主要化學(xué)成可參見中國(guó)的GB標(biāo)準(zhǔn)來：C含量0.32～0.45，Si含量0.80～1.20，Mn含 量0.20～0.50，P含 量≤0.030，S含量≤0.030，Cr含量4.75～5.50，Mo含量1.10～1.75，V含量0.80～1.20。

正確熱處理時(shí)，H13鋼材由于增加了V元素，淬火時(shí)只有少量VC碳化物溶于奧氏體中，大部分VC碳化物并未溶于奧氏體中，這對(duì)細(xì)化奧氏體晶粒起到顯著作用，大大的提高了鋼的強(qiáng)韌性和熱穩(wěn)定性，也有助于改善熱疲勞性能。而固溶于奧氏體中的V元素在淬火時(shí)又固溶于基體組織中，固溶強(qiáng)化基體組織。高溫回火時(shí)，V元素又以VC碳化物的形式從基體組織中析出，彌散分布于基體組織中，增加鋼的強(qiáng)度、硬度與耐磨性，產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。但也削弱了基體組織的強(qiáng)度性能。正因?yàn)镠13鋼具有較高的熱強(qiáng)性、耐磨性、韌性和耐熱疲勞性能，同時(shí)又具備較高的淬透性，尤其是空冷即可淬硬，淬火變形又小，所以H13鋼廣泛地用于擠壓模等。

三、案例

下面以一套鋁合金擠壓模具為例說明熱處理對(duì)模具壽命的影響。

通過檢查模具的整體外觀形貌，如圖1-（a）所示，模具開裂部位均發(fā)生在模芯與分流橋過渡的部位，如（a）圖箭頭所指；（b）圖為模具分流橋處開裂部位的局部放大圖像，裂紋如（b）圖箭頭所指?，F(xiàn)對(duì)其進(jìn)行金相組織分析。

在圖1-（b）中箭頭所指開裂部位切取縱向試樣，并制成金相分析試樣，按照中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“GB/T13298-1991金屬顯微組織檢驗(yàn)方法”，對(duì)其進(jìn)行冶金缺陷和金相組織評(píng)定。

1 冶金缺陷分析

試樣金相觀察磨面未經(jīng)浸蝕的微觀形貌可發(fā)現(xiàn)（b）圖為（a）圖的局部放大圖像。由圖可見，材料中基本上為點(diǎn)粒狀非金屬夾雜物，尺寸與數(shù)量尚可。參照“GB/T10561-2005鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法”,按標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖評(píng)級(jí)，評(píng)定材料的非金屬夾雜物為D類細(xì)系2.0級(jí)。

2 材料金相組織分析

試樣金相觀察磨面經(jīng)4%硝酸乙醇溶液浸蝕后的金相組織如圖2、3所示。其中（a）圖為模具的心部金相組織圖像，（b）圖為（a）圖的局部放大圖像；（c）圖為模芯與分流橋過渡處開裂部位的金相組織，（d）圖為（c）圖的局部放大圖像。模具材料的金相組織分析如下：

（1）鋼中金相組織為“回火馬氏體+少量殘余奧氏體+二次碳化物+少量液析碳化物”。

（2）鋼中馬氏體組織粗大。根據(jù)中國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“JB/T8420-96熱作模具鋼顯微組織評(píng)級(jí)”，評(píng)定馬氏體等級(jí)為6級(jí)。表明材料存在過熱的組織缺陷。該組織缺陷與材料在熱加工過程（熱處理或鍛造）中存在超溫現(xiàn)象有關(guān)。材料組織粗大導(dǎo)致材料脆性增大，當(dāng)模具表面形成裂紋，將迅速擴(kuò)展而使模具開裂。

（3）模具表面存在明顯的脫碳現(xiàn)象。圖3-（c）箭頭所指方向從模具表面往心部垂直方向的硬度分布曲線。由圖可見，模具表面脫碳層深度達(dá)到0.8mm以上。模具表面脫碳導(dǎo)致模具表層強(qiáng)度下降。模具表面的脫碳組織缺陷是由于熱處理過程中未進(jìn)行有效的保護(hù)而造成的。

（4）模具裂紋起源于模芯與分流橋過渡的R位處，裂紋沿晶界擴(kuò)展，擴(kuò)展方向如圖3-（d）箭頭所指。由于模具服役時(shí)該部位存在較大的應(yīng)力集中，加上模具表面存在脫碳，強(qiáng)度較低，當(dāng)工作應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時(shí)，模具即發(fā)生開裂。

綜上所述，模具材料組織粗大和表面存在嚴(yán)重脫碳是導(dǎo)致模具開裂的主要原因。

3 改進(jìn)措施

（1）降低淬火溫度。淬火溫度應(yīng)控制在1020℃～1050℃。

（2）熱處理時(shí)采用保護(hù)氣氛爐或真空爐。常用的保護(hù)氣氛有氫氣、氮?dú)?、氨氣、丙烷、丁烷、甲醇、一氧化碳、丙烯等?/p>

結(jié)語(yǔ)

由此可知，熱處理不當(dāng)是模具失效的主要原因。作為從事模具行業(yè)的人員要想把模具做好、做精，那么僅僅懂得如何設(shè)計(jì)和制造模具是不夠的，還應(yīng)當(dāng)具備足夠的金屬知識(shí)和熱處理技術(shù)。

[1]李學(xué)忠.鋁合金擠壓型材平面分流組合模結(jié)構(gòu)要素解剖與設(shè)計(jì)[OL].全國(guó)第十二屆輕合金加工學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.

[2]郝少祥.模具鋼選用速查手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.