h13 大型擠壓模具分流橋斷裂失效分析
h13 大型擠壓模具分流橋斷裂失效分析
王彥俊
(遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng))
摘要: 某大斷面 h13 鋁型材擠壓模具經(jīng)過(guò)短期服役后，模具分流橋根部發(fā)生斷裂，在原材料和制造過(guò)程未見(jiàn)異常的基礎(chǔ)上，圍繞材料的性能、組織、化學(xué)成分和失效件斷口等對(duì)該模具進(jìn)行分析，結(jié)果表明，模具失效原因是由于熱處理性能沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，硬度偏低、屈強(qiáng)比小，模具的使用溫度高，原材料晶粒組織粗大，分流橋位置應(yīng)力集中等綜合原因所導(dǎo)致的，模具使用溫度為 500～550 ℃。
關(guān)鍵詞:h13 鋼；分流橋；擠壓模具；失效分析
failure analysis of h13 large extrusion diedistributary bridge breakage
wang yan-jun
(liaoningzhongwang group co ltd, liaoyang 111003, china)
abstract:after a large section of h13 aluminum extrusion dieused for short-term, the die distributary bridge breaked. on the basis ofnormal stock and manufacturing process, we analyse the stock properties, structure,chemical composition and failure part fracture of the die. the results indicatethat the reasons of die failure are heat treatment not met requirements,hardnesslower, yield strength and tensile strength ratio lower, the die usingtemperature high and die distributary bridge position stress focused. the dieoptimum using temperature is 500～550 ℃.
keywords:h13 steel; die distributary bridge;extrusion die;failure analysis
h13 鋼(4cr5mosiv1)是上廣泛應(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；而且抗粘結(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]。隨著鋁型材應(yīng)用行業(yè)的不斷發(fā)展，近年來(lái)市場(chǎng)對(duì)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(lái)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(duì)模具的要求也越來(lái)越高，對(duì)提高模具的使用壽命至關(guān)重要。
根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，該失效模具用于 125 mn 擠壓機(jī)，模具外形尺寸790 mm×(170—180)mm，擠壓比為 25.7，大擠壓力為(25-26) mpa，模具預(yù)熱溫度為(500±10) ℃，擠壓速度為 0.7-1.3 m/min，鋁錠加熱溫度為(525±10) ℃，終擠壓鋁型材約 10 t 左右失效，正常該模具擠壓應(yīng)達(dá)到 40 t 以上，失效形式模具分流橋處出現(xiàn)裂紋，擠壓合金狀態(tài) 7n01s-t5，該模具采用的原材料為瑞典進(jìn)口h13 鋼，其原材料組織符合北美 nadca-203 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)斷裂分流橋宏觀斷口分析、微觀斷口分析、模具受力分析、室溫拉伸、高溫拉伸、金相組織分析、硬度檢驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、化學(xué)成分分析等綜合考慮，找出失效原因，并為同類故障的發(fā)生提供參考。
1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果
1.1 斷口宏觀觀察
由圖 1 可見(jiàn)，該模具為某大型鋁合金型材擠壓模具上模—分流模，白色箭頭所指為斷裂失效位置；將圖 1 中失效位置進(jìn)行分解，見(jiàn)圖 2，斷口宏觀較為平齊，無(wú)明顯塑性變形，斷裂面與主應(yīng)力方向垂直如圖 1 紅色箭頭所示，為典型脆性斷口，有明顯放射棱線，為解理斷裂[2-3]，出現(xiàn)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?yàn)榱鸭y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(jiàn)夾雜等其他肉眼可見(jiàn)冶金缺陷。
1.2 斷口微觀觀察
采用體積比 naoh：k2mno4：h2o=4：3：15 的水溶液煮沸，去除斷口夾雜物及殘留的鋁合金[2]，待斷口上的夾雜物清除后用稀 na2co3 或 nahco3 進(jìn)行次清洗，然后采用蒸餾水第二次清洗，第三次采用酒精清洗然后后吹干待觀察，利用掃描電鏡進(jìn)行斷口微觀分析；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(jiàn)棱線由裂紋源向內(nèi)擴(kuò)展放射。由圖 4 可見(jiàn)，裂紋源斷口較為平齊，平臺(tái)寬度約為 156 μm，顏色發(fā)暗，未見(jiàn)夾雜等冶金缺陷，從而表明該模具分兩次使用，在次擠壓過(guò)程中裂紋源區(qū)就產(chǎn)生了熱疲勞裂紋，擴(kuò)展區(qū)裂紋是在上次使用產(chǎn)生裂紋的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展的，經(jīng)調(diào)查與分析相符合，斷口干凈無(wú)附著物；裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌見(jiàn)圖 5，在掃描電鏡下觀察擴(kuò)展區(qū)存在大量二次裂紋，并呈現(xiàn)沿晶開(kāi)裂特征；圖 6 為瞬斷區(qū)形貌，未見(jiàn)韌窩特征，同樣存在二次裂紋，并沿晶開(kāi)裂為典型脆性斷裂。分析二次裂紋產(chǎn)生主要是模具受到較大熱應(yīng)力而產(chǎn)生的，由擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)沿晶開(kāi)裂的形貌分析，懷疑該模具鋼的晶粒度粗大，后續(xù)對(duì)其失效模具鋼進(jìn)行晶粒度檢測(cè)。
1.3 模具受力分析
分流模的工作原理是，在擠壓機(jī)擠壓力的作用下，金屬被迫向著擠壓桿運(yùn)動(dòng)的方向流動(dòng)，經(jīng)過(guò)分流孔時(shí)被分流，然后匯集于下模的焊合室，在高溫高壓的作用下，金屬在焊合室內(nèi)被重新焊合起來(lái)形成模芯為中心的整體材料，后通過(guò)模芯與?？姿纬傻拈g隙流出，得到符合一定尺寸要求制品[1]其擠壓壓力模擬如圖 7 所示，由鑄棒到模具壓力逐漸增大。上模所承受的載荷力是擠壓桿通過(guò)金屬坯料加載在上模上的力，受力情況如圖 8，在擠壓過(guò)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，在整個(gè)擠壓過(guò)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(shí)只需要幾秒鐘的時(shí)間，在短暫的時(shí)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(shí)需要間歇的停止擠壓操作，在工作時(shí)間和非工作時(shí)間，使得模具長(zhǎng)時(shí)間在周期性變化的載荷下工作，這種情況屬于動(dòng)載荷。試驗(yàn)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，在擠壓分流橋位置應(yīng)力達(dá)到大 705mpa，由此可見(jiàn)，模具斷裂位置在模具分流橋根部與模芯過(guò)渡區(qū)，截面尺寸發(fā)生很大變化，在該部位產(chǎn)生應(yīng)力集中對(duì)模具的斷裂有嚴(yán)重影響。
1.4 力學(xué)性能分析
從失效分流橋的其它部位截取力學(xué)拉伸試樣，分別做室溫、高溫拉伸，而高溫拉伸采用 520℃，試驗(yàn)結(jié)果如表 1，根據(jù)相關(guān)資料表明一般合金結(jié)構(gòu)鋼屈強(qiáng)比要求 0.84-0.86，該 h13 模具鋼室溫下的屈強(qiáng)比為 0.76 屈強(qiáng)比偏?。欢鼜?qiáng)比大小主要由熱處理工藝決定的，屈強(qiáng)比越大，說(shuō)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。
表 1 力學(xué)性能分析結(jié)果
table 1 results of mechanical propertyanalysis
1.5 硬度及沖擊性能檢驗(yàn)
設(shè)計(jì)要求模具熱處理后硬度為44~46 hrc，對(duì)斷裂分流橋進(jìn)行硬度檢測(cè)，其結(jié)果為 41~42 hrc，硬度略低于設(shè)計(jì)要求。由模具鋼硬度隨溫度和時(shí)間變化曲線(圖 8)[6]可知，硬度為 45 hrc 的模具在使用溫度 550 ℃、工作 100 h 的情況下，硬度約下降為 42 hrc，該失效模具總工作時(shí)間不超過(guò)20 h，硬度變?yōu)?41~42 hrc，由此判斷可能是熱處理后材料的硬度偏低。如果模具使用溫度在 550~600℃，模具的硬度隨使用時(shí)間的延長(zhǎng)下降很快，其性能也迅速下降，已知在擠壓前模具預(yù)熱 500±10 ℃，鑄錠加熱 525±5 ℃，擠壓過(guò)程中模具產(chǎn)生大量的熱以及鑄錠向模具進(jìn)行熱傳遞，模具溫度開(kāi)始升高，而擠出型材只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得非?？欤员仨殗?yán)格控制擠壓工藝參數(shù)的合理性，這對(duì)模具的使用壽命非常重要。沖擊試驗(yàn)在擺錘能量為 300 j，大擺角為 150°的 zbc2302-3 金屬擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，做 3 個(gè)沖擊試樣(圖 8)，沖擊韌性為 18 j/cm2。
1.6 顯微組織分析
分流橋失效部位附近顯微組織見(jiàn)圖 10，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理組織為回火索氏體+隱針馬氏體+殘余奧氏體和少量碳化物，無(wú)過(guò)熱特征，回火工藝為：一次回火 585 ℃保溫 6 h，二次回火 605 ℃保溫 6 h。從組織上觀察材料中的殘余奧氏體量較多，表明模具在熱處理過(guò)程中存在回火不足，殘余奧氏體量越多，硬度越低；由圖 11 可見(jiàn)，裂紋從模具的邊緣向基體內(nèi)擴(kuò)展延伸，邊緣區(qū)未見(jiàn)可疑夾雜物、碳化物等明顯缺陷，模具表面經(jīng)過(guò)滲氮處理，未見(jiàn)白亮層，滲氮工藝沒(méi)有問(wèn)題。該失效模具的晶粒度較正常模具晶粒偏大如圖 12、13 所示，按照 gb/t6394-2002 金屬平均晶粒度測(cè)定方法檢測(cè)其晶粒度為3 級(jí)，設(shè)計(jì)要求模具鋼晶粒度達(dá)到 7 級(jí)以上，由此分析該鋼原材料晶粒組織粗大是影響模具失效的一個(gè)主要原因。
1.7 化學(xué)成分分析
化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表 2，其結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
表 2 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)
table1 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(duì)失效模具的斷口進(jìn)行分析，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(guò)程中，分流橋部位承受較大應(yīng)力，主要以張應(yīng)力為主，同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間處于高溫、動(dòng)載荷作用下，該部位性能下降迅速，模具分流橋根部與模芯過(guò)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(duì)模具的斷裂有嚴(yán)重影響。
金相顯微組織中存在較多殘余奧氏體，基體硬度為 41~42hrc，較設(shè)計(jì)要求低，存在熱處理過(guò)程中淬火溫度偏低、模具淬火冷卻能力不足、回火不充分等原因。顯微組織中未見(jiàn)過(guò)熱與過(guò)燒組織，但晶粒組織粗大超出設(shè)計(jì)要求是造成模具失效的主要原因之一。根據(jù)力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果分析材料的屈強(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工藝有待改進(jìn)：該模具原熱處理工藝淬火加熱溫度為 1025℃，根據(jù)相關(guān)資料[8]，h13 鋼淬火加熱溫度范圍 1020℃~1050℃，建議改進(jìn)措施提高淬火溫度到 1030℃~1040℃；原回火制度采用 2 次回火，次為 585℃保溫6h，第二次為 605℃保溫 6h，建議采用 3 次回火，次 585℃保溫 6h，第二次 605℃保溫 6h，第三次 585℃保溫 6h，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 0.7~1.3m/min，擠壓過(guò)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 8 分析，模具在 500~550℃工作時(shí)，硬度下降的比較緩慢，穩(wěn)定性也較高；而在 550~600℃時(shí)硬度下降的非常快，在此溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間工作必然導(dǎo)致提前失效，如果鑄錠加熱溫度過(guò)低，在擠壓過(guò)程中擠壓機(jī)容易發(fā)生悶車，而鑄錠加熱溫度過(guò)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(huì)升高，從而影響模具的使用壽命；建議改進(jìn)措施模具在試模階段要以低于正常時(shí)的擠壓速度進(jìn)行擠壓，待模具基本穩(wěn)定后在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(duì)模具的使用壽命有重要意義。
3 結(jié)論
1) 上模分流橋斷裂為脆性斷裂；
2) 上模的開(kāi)裂與其加工工藝無(wú)直接關(guān)系，主要原因模具鋼原材料晶粒粗大影響模具的沖擊韌性，在發(fā)生熱疲勞后出現(xiàn)沿晶二次裂紋；
3) 由于熱處理性能沒(méi)有達(dá)到技術(shù)要求，硬度低、屈強(qiáng)比小、模具的使用溫度過(guò)高、分流橋根部產(chǎn)生應(yīng)力集中等綜合原因從而導(dǎo)致模具失效；
4) 模具鋼原材料晶粒度應(yīng)控制在 7 級(jí)以上，工作溫度在500~550℃下使用穩(wěn)定性較高，嚴(yán)格控制擠壓工藝參數(shù)，從而有效提高模具使用壽命。
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