（材料加工工程专业论文）h13钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化.pdf

广西大学学位论文原创性声明和使用授之冀辔磐 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其它人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名：弓匙镑乏童 学位论文使用授权说明 2 0 1 0 年6 月2 0 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝作者签名：黼意聊签名：卉诫渺年易月矽日 h 13 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 摘要 铝型材挤压模具作为铝型材挤压加工的工艺装备，在挤压过程中发挥 着重要的作用。然而，模具寿命短是目前我国铝型材挤压模具存在的主要 问题，因此，它的早期失效问题受到广泛关注。 本文从实际出发，针对某铝型材加工厂h 1 3 钢挤压模具早期失效严重 的现象，选取一典型的圆管平面分流组合模的失效凸模作为研究对象，采 用残骸分析法对其进行系统地研究分析。首先利用d e f o r m 有限元软件对 模具服役状况进行模拟分析，并用扫描电镜分析凸模模桥的宏观断口，用 能谱分析仪分析其本体和各种杂质的化学成分、用光学显微镜观察其金相 组织、用各种力学试验检测其力学性能。结果表明：模具热处理不当是造 成模具开裂失效的主要原因。 为解决模具开裂失效问题，首先确定材料的三个失效抗力指标( 即冲 击韧性鲰、屈服强度和硬度) ，以三个失效抗力指标为考核标准，用正交 试验设计方法对h 1 3 钢的热处理工艺参数进行优化研究。研究表明影响h 1 3 钢材料热处理性能的主要因素有：淬火加热温度、淬火保温时间、第一次 回火温度；最终优化方案为：淬火温度1 0 4 5 ，淬火保温系数7m i n i n l n ， 第一次回火温度5 6 0 。最后，将优化工艺与原工艺热处理后的材料组织 性能进行对比分析，结果表明经过优化工艺热处理后材料各项指标均优于 原工艺且达到技术要求。 以上对该铝型材厂失效模具的分析工作，对解决该厂的模具失效问题 具有重要的指导意义，为其他铝型材挤压模具寿命研究的工作者提供参考 和借鉴。 关键词：铝型材挤压平面分流模失效分析数值模拟热处理工艺 。力学性能 f a i l u r ea n a l y s i so fh 1 3s t e e ld i e f o ra l u m i n u me x t r u s i o na n di t sh e a tt r e a t m e n t p r o c e s so p t i m i z a t i o n a b s t r a c t a sat e c h n i c a le q u i p m e n ti na l u m i n u me x t r u s i o np r o c e s s i n g ，e x t r u s i o nd i e p l a y a ni m p o r t a n tr o l e h o w e v e r , s h o r tl i f eo fa l u m i n u me x t r u s i o nd i ei s p r i n c i p a lp r o b l e mi no u rc o u n t r yp r e s e n t l y t h e r e f o r e ，i t se a r l yf a i l u r ep r o b l e m s a r ec o n c e r n e dw i d e l y a t y p i c a lf a i l u r em a l ed i eo fp i p ep o r t h o l ed i ew a ss e l e c t e da so b j e c to f s t u d yf o r t h es e r i o u se a r l yf a i l u r ep h e n o m e n o no f i ll3s t e e la 1 u m i n u me x t r u s i o n d i ei naa l u m i n u me x t r u s i o np l a n t b a s e do nt h ew r e c k a g ea n a l y s i s ，d i es e r v i c e c o n d i t i o n sw e r es i m u l a t e db yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r ed e f o r m ，t h e s t r e n g t ho fd i ew a sc h e c k e d ，a n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，e x t r u s i o np r o c e s sw e r e s t u d i e d i na d d i t i o n ，t h ed i eb r i d g em a c r o f r a c t u r ew a sa n a l y z e db ys e m ；i t s m a t r i xa n di m p u r i t i e sc h e m i c a lc o m p o s i t i o nw e r ea n a l y z e db ye s c a ；i t s m e t a l l o g r a p h i cs t r u c t u r ew a so b s e r v e db yo p t i c a lm i c r o s c o p e ；i t sm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sw e r et e s t e db ye x p e r i m e n t so nm e c h a n i c s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e m a i nr e a s o nt om a k ed i ec r a c k i n gf a i l u r ei su n r e a s o n a b l eh e a tt r e a t m e n t t or e s o l v et h ei s s u eo fd i ec r a c k i n gf a i l u r e ，t h r e ei n d i c a t o so ff a i l u r e r e s i s t a n c ew e r ed e t e r m i n e db ya n a l y z i n g ( n a m e l y , t o u g h n e s s 吼，y i e l ds t r e n g t h m a n dh a r d n e s s ) ，a n dh 13s t e e lh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e db y o r t h o g o n a lt e s t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ek e yf a c t o r sa f f e c th 13s t e e lh e a t t r e a t m e n tp r o p e r t i e sa l ea sf o l l o w s ：q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e ，q u e n c h i n gt i m e ，t h e f i r s t t e m p e r i n gt e m p e r a t u r e ；f i n a lo p t i m i z a t i o np r o g r a m a r ea sf o l l o w s ： q u e n c h i n gt e m p e r a t u r e i s10 4 5 ，q u e n c h i n gt i m ec o e f f i c i e n ti s7m i n 舢m 1 ，t h e f i r s tt e m p e r i n gt e m p e r a t u r ei s5 6 0 f i n a l l y , m i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sb e t w e e no r i g i n a lt e c h n o l o g ya n do p t i m a lt e c h n o l o g yw e r ec o n t r a s t e d ， t h er e s u l ts h o w st h a te v e r ym e c h a n i c a lp r o p e r t i e sb yo p t i m a lt e c h n o l o g ya r e h i g h e rt h a no r i g i n a l ，a n dm e e tt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t s t h ea n a l y s i so nf a i l u r ea l u m i n u me x t r u s i o nd i eo fe x t r u s i o np l a n th a sa n i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ，a n d c a r l p r o v i d e r e f e r e n c ef o ro t h e rw o r k e r so n a l u m i n u me x t r u s i o nd i el i f e k e yw o r d s ：a l u m i n u me x t r u s i o n ；p o r t h o l ed i e ；f a i l u r ea n a l y s i s ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ；h e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ；m e c h a n i c a lp r o p e r t y i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 本课题的背景及研究意义。l 1 2 研究现状2 1 2 1 关于失效分析技术体系的发展及现状2 1 2 2 关于铝型材挤压模具的失效分析及寿命研究2 1 2 3 关于h 1 3 钢热处理工艺方面的研究4 1 3 本文的失效分析思路及技术路线。4 第二章铝型材挤压模具及其主要失效形式。6 2 1 铝型材挤压技术及其模具6 2 1 1 铝型材挤压技术简介6 2 1 2 挤压模具在挤压过程中的关键地位7 2 1 3 平面分流组合模的结构及工作原理7 2 1 4 铝型材挤压模具材料8 2 2 铝型材挤压模具的主要失效形式。9 2 3 目前工厂中存在的主要失效问题及研究对象的确定1 1 2 4 本章小结13 第三章失效凸模工作状况数值模拟1 4 3 1 模具工况模拟分析的意义1 4 3 2d e f o r m 软件简介。1 5 3 3 失效凸模有限元模拟的实现步骤及关键技术1 5 3 3 1 模拟流程15 3 3 2 实现步骤及关键技术1 6 3 4 有限元模拟结果分析1 8 3 4 1 凸模承受载荷情况分析1 8 3 4 1 1 凸模载荷挤压杆行程曲线1 8 3 4 1 2 动载荷对模具的影响2 0 3 4 2 温度场分析2 1 3 4 2 1 凸模温度场分析2 1 3 4 2 2 温度对模具材料力学性能的影响“2 2 3 4 3 应力分析2 2 3 4 3 1 应力集中概述2 3 3 4 3 2 凸模等效应力场分析2 3 3 4 3 3 分流桥应力状态分析。2 5 3 5 铝型材挤压模具服役状况综合分析2 7 3 6 本章小结2 8 第四章凸模的失效分析2 9 4 1 失效、许用应力与强度条件2 9 4 2 凸模失效总体分析2 9 4 2 1 模具强度校核3 0 4 2 1 1 挤压比3 0 4 2 1 2 强度校核。3l 4 2 2 凸模制造工艺3 2 4 2 3 挤压工艺3 4 4 2 3 1 挤压温度3 4 4 2 3 2 挤压速度3 4 4 2 4 模具的管理使用3 4 4 3 失效凸模宏观断口分析3 5 4 4 失效凸模材质检查3 6 4 4 1 凸模材质分析3 6 4 4 2 凸模力学性能检测3 6 4 3 2 1 拉伸实验3 7 4 3 2 2 冲击实验3 8 4 3 2 3 硬度测试4 0 4 4 3 凸模显微组织分析4 0 4 5 结果分析与讨论。4 3 4 6 本章小结4 4 第五章h 1 3 钢热处理工艺分析及优化研究4 5 5 1 主要失效抗力指标的确定4 5 5 2 热处理改进方案4 6 5 2 1 退火工艺改进4 7 5 2 2 淬火工艺改进4 8 5 2 3 回火工艺改进4 9 5 3 试样制备和测试方法说5 0 5 4 正交试验5 1 5 4 1 正交试验方法的引入5 1 5 4 2 多指标正交试验5 2 5 4 2 2 试验安排及试验数据5 2 5 4 2 3 试验结果分析5 3 5 5 本章小结6 1 第六章优化工艺与原工艺对比试验研究6 2 6 1 检验方案6 2 6 2 对比试验结果分析6 2 6 2 1 组织状态分析对比6 2 6 2 1 1 退火组织对比。6 2 6 2 1 2 淬火组织对比6 2 6 2 1 3 回火组织对比。6 3 6 2 2 力学性能分析对比6 3 6 3 本章小结6 5 第七章总结。6 6 参考文献。6 7 j 1 2 i ：谢6 7 攻读学位期间发表的学术论文目录7 3 h i h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 1 1 本课题的背景及研究意义 第一章绪论 本课题来源于广西大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室开放基金项 目( 合同编号：g x k f j - 1 3 ) ，项目名称为铝型材挤压模具失效机理及其寿命研究。 众所周知，随着国民经济的飞速发展，铝型材在建筑、交通、航空、航天等领域的 需求量日渐增大，它的生产将在我国的工业生产中占据越来越重要的地位。在铝型材挤 压生产过程中，模具的使用寿命是评价挤压生产过程是否经济可行的决定性因素，也是 实现挤压生产高效、优质、低耗的最重要保证【1 1 。然而，据不完全统计，全国由于模具 寿命低而带来的直接或间接的经济浪费，估计每年不下亿元【2 】。目前，我国已推广使用 h 1 3 钢作为铝合金型材挤压模具用钢，但国内挤压模具的平均使用寿命仅为5 - 8t 模， 一次上机合格率为5 0 左右，大大落后于国际先进水平的1 5 2 0t 模和6 7 的合格率【3 】。 因此，提高模具使用寿命是降低成本、扩大生产的关键之一。现在各国都对此十分关注， 纷纷对模具失效问题进行追踪探索，研究各种失效形式的具体原因和机理，并提出了不 少有价值的研究成果。 随着工业技术的发展，模具工作条件日益苛刻，提高模具使用寿命的研究，实质 上意味着与模具失效作斗争。然而，模具失效的本质实际是材料的累积损伤过程，也就 是材料发生物理的和化学的变化。而材料发生累积损伤是在一定条件下发生的，是有规 律的、有原因的。只有分析和研究了模具使用中失效的原因，才能采取相应的有效措施 来提高模具的使用寿命，以利取得良好的经济效益。 作者对某铝型材挤压厂进行调研，了解目前铝型材挤压模具的早期失效状况相当严 重，有些甚至试模阶段就发生断裂而报废，给工厂带来了很大的经济损失。所以，应用 机械失效分析工程学对铝型材挤压模具进行早期失效分析，找出模具早期失效的根本原 因，从而解决模具早期失效问题，提高生产效率，降低成本。由此看来，本课题的研究 具有重大的现实意义。 广西大学硕士掌位论文h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 1 2 研究现状 1 2 1 关于失效分析技术体系的发展及现状 机械产品或零件丧失其规定功能而不能可靠地服役的现象称为机械失效。采用逆向 思维探索方式，对机械失效件的宏观特征、材质、工艺、理化性能、系统功能、运动逻 辑、结构特征、受力状况及服役条件等进行分析研究，判断其失效性质与原因，并提出 预防与纠正措施的技术活动与管理活动统称为机械失效分析工程，简称失效分析。 产品失效与人类社会的出现相伴随，归纳起来失效分析学的发展可划分为三个阶 段：第一阶段，即现象描述和经验阶段，以公元前2 0 2 5 年最早有关产品质量的记载文 献诞生为标志【4 】。由于受当时生产力的制约，其分析技术主要靠零星、分散、定性的经 验世代流传。第二阶段，即发展阶段，工业革命的发展使机械失效分析受到真正的重视， 由于锅炉爆炸事故的屡屡发生，英国曼彻斯特蒸汽用户协会成立【5 1 ，使失效分析成为仲 裁事故的法律依据和提高产品质量的技术手段。但由于受到当时分析手段和材料科学的 发展现状的限制，失效分析技术没有得到高度的发展。第三阶段，高度发展阶段，本世 纪5 0 年代末，电子显微镜问世及其相关学科发展推动了失效分析技术的高度发展，进 入了现代失效分析阶段w - 1 0 1 。 随着科学和各种先进技术的突飞猛进，失效分析已逐步发展形成了自成体系的机械 失效分析工程学科，其主要研究内容是：机械失效分析理论、机械失效分析技术、机械 失效控制技术、机械失效分析管理技术。机械失效分析学与其他学科具有密切的联系， 如机械、材料、环境、检测、分析等学科与失效分析学之间相互推动相互促进，同时， 推动和促进断了裂力学分支学科的建立和发展、断口学的发展、痕迹分析的发展等等。 作为人们认识事物的客观物理本质和规律的一种有效的科学分析方法，失效分析学 在各个领域发挥着重要的预测预防作用，对解决各种实际失效问题发挥了重要的指导意 义。失效分析学的各种失效分析理论、分析思路和分析技术对本课题的研究提供了切实 可行的方法。 1 2 2 关于铝型材挤压模具的失效分析及寿命研究 模具的失效形式可分为正常失效和早期失效两种。模具没有达到预期寿命而丧失服 役能力称为模具的早期失效。由于模具成本在铝型材挤压总成本中占很大的比例，模具 的早期失效造成巨大的经济损失，因此世界各国积极探索研究模具的各种失效原因和理 2 h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其期曙电理工艺优化 论机制，进而寻求防止模具出现早期失效的技术措施和提高模具使用寿命的有效途径， 并且取得了卓越的成就，特别是日本、美国和苏联等这些国家走在了前面，起到了重要 的作用。 早在2 0 世纪8 0 年代，原苏联的c a 多夫拉尔及日本的安保满夫、家田诏夫等人就 对铝挤压模具的各种失效机制、使用寿命、破坏的热力学、裂纹与疲劳磨损等进行了广 泛深入的研究，并取得不少有价值的成果。进入2 0 世纪9 0 年代以来，现代科学取得了 巨大的成就，如断裂力学、电子计算机技术、数值模拟技术及物理模拟技术等。归纳起 来这个时期主要取得了三个方面的成就：一是对铝挤压模具早期失效与使用寿命的基本 概念更加清晰明确和科学化；二是对各种失效形式进行了广泛调研并分类；三是进一步 对失效原因及机理进行研究，并针对各种失效形式产生的原因和机制，提出了许多有价 值的提高模具寿命或延迟失效的方法和措施【l 。 在铝型材挤压过程数值模拟方面，韩国的h y u nw o o s h i n t l 2 1 、希腊的j c a l o s k a t ”】、 俄罗斯的v a d i ml b e r e z l m o y t l 4 1 ，以及国内的于沪平【1 5 1 、马斯群【1 6 1 、王彦可【17 】等人都运 用各种先进的计算机技术和有限元数值模拟软件如d e f o r m 、a n s y s 等对铝型材挤压 过程中的铝合金的应力、应变、温度以及流动速度等的分布特点和变化规律等进行了相 应的分析和研究。这些研究成果直接或间接地促进了铝型材挤压模具的研究进展，对挤 压模具失效分析和寿命研究都具有重要的参考价值。 在模具的失效分析和寿命研究方面，彭必友【1 8 】运用有限元分析软件d e f o r m 3 d 对挤压过程进行数值模拟，分析了模具工作状况和各种挤压参数对模具寿命的影响，并 将结果与实际对比，验证了模拟的正确性和可行性；韦林【1 9 】根据挤压模具的工作特点， 运用全寿命疲劳理论的方法对其进行疲劳分析，运用m s c f a t i g u e 软件生成了挤压载荷 曲线，根据模具材料4 c r 5 m o s i v l ( h 1 3 钢) 的相关力学性能参数生成了s - n 曲线，最 后以模具的静应力分析结果为基础对挤压模具疲劳寿命进行了预估；卢国辉【2 0 】、元清【2 1 】 等人对铝型材挤压模具早期开裂进行了失效分析，首先对模具进行了强度校核，并检验 模具材料( h 1 3 钢) 的化学成分、显微组织及断口特征，探讨了模具开裂的原因，并提 出了相应的改进建议；黄爱云等瞄】人针对铝型材热挤压模具的开裂问题进行了失效原因 分析及工艺分析，利用回归正交设计法，测试了钢材的断裂韧性( c ) 、冲击韧性和硬 度，并建立了上述指标与主要热处理工艺参数间的数学表达式，在此基础上，对现行的 生产工艺进行了改进，解决了模具的早期开裂问题，并使其使用寿命显著提高；王荣 等f 冽对h 1 3 钢开裂模具进行综合失效分析，找出了模具发生早期开裂的原因。 3 广西大掌硕士掌位论文h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺：优化 上述专家和学者在铝型材挤压模具的失效和寿命研究方面都取得了突出的成绩，对 本课题的研究具有重要的借鉴意义。但由于挤压模具服役条件相当复杂，加上在制造和 使用过程中的一些不可预期的人为因素，使得模具失效分析具有很大的挑战性。对于上 述研究者所做的工作，一方面仅限于对模具工作状况进行数值模拟；另一方面在进行失 效分析的研究中，虽然采用先进的检测手段，但仅限于从事后的失效模具本身着手来进 行逆向推断。若要更科学合理的分析模具早期失效原因，应做到两者兼顾，既运用先进 的模拟技术分析模具在挤压过程中的工作状况，又对失效模具的残骸进行检测分析，综 合而为，以期提出更科学的改善措施和建议。 1 2 3 关于h 1 3 钢热处理工艺方面的研究 h 1 3 钢鉴于其优良的综合机械性能而被广泛应用。特别是在工作环境复杂的铝型材 挤压行业中j 目前几乎都采用h 1 3 钢作为首选的模具材料。对于铝型材挤压模具，选材 已无可争议，但要想充分地发挥模具的优良性能，合理的热处理工艺搭配和开发是重要 手段。目前，国内很多学者都在进行这方面的研究。 胡芷华和时惠英【2 4 】用r p z 1 型晶体管式自动热膨胀仪对h 1 3 钢的临界点进行测定； 李艳芝【2 5 1 、邹安全和邓芬燕【2 6 1 、陈大金【2 7 】等人对h 1 3 钢的热处理工艺进行了深入的探 讨和研究，并得出获得优良综合机械性能的热处理工艺参数；杜志伟等 2 s 1 人采用光学显 微和透射电子显微的分析方法，探讨了h 1 3 钢在不同回火温度下其组织和性能的关系： 王玉峰等【2 9 】人通过对h 1 3 钢进行高温淬火和高温退火处理，研究了不同温度、不同冷 速对带状组织的影响，并提出消除带状组织的方法；谢冬柏等【3 0 】人利用e t 2 g 型红外测 温仪测定了试样的冷却曲线，并对不同形态的h 1 3 钢贝氏体组织和力学性能进行了研 究；林高用和郑小燕【3 l 】通过硬度和金相分析，研究了热处理工艺对模具材料h 1 3 钢的组 织与力学性能的影响，并分析了热处理后的试样缺陷。 综上所述，各研究者在h 1 3 钢的热处理工艺方面的研究都取得了显著的成果。然而， 在实际应用中，由于模具材料的良莠不齐，特点不一，以及模具使用环境的差异，要求 根据不同的需求制定相应的热处理工艺，而不单单是遵循理论参数，一概而论，这是在 解决实际问题中需要慎重考虑的。 。 1 3 本文的失效分析思路及技术路线 由于在进行失效分析的过程中各种情况的复杂多变，所以理清一条正确的分析思路 4 广西大掌硕士学位论文h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 具有十分重要的意义。失效分析思路的制定是以客观规律为理论依据，其是失效分析学 科的重要组成部分。 常用的失效分析思路有很多，如“撤大网 逐个因素排除的思路、残骸分析法、失 效树分析法等。 由于铝型材挤压模具的服役状况和环境非常复杂，它的失效形式和服役条件有着重 要的内在联系，所以本文利用残骸分析法对失效模具进行分析，以期找到失效原因，并 提出合理的解决方案。残骸分析法是从物理、化学的角度出发，对失效零件进行分析的 一种科学的失效分析方法【3 2 】。它是以失效抗力指标为线索，结合零件服役条件，通过 对残骸的断口分析及其他理化检测，确定出造成失效的主要失效抗力指标，然后进一步 研究其与材料成分、组织和状态的关系。最后，通过材料工艺变革，提高这一失效抗力 指标，并进行机械性能检测或直接在实践中考验使用，最终达到预防失效的目的。图1 1 所示为本文的失效分析思路，也即技术路线。 失效模具的服役条件 模具的失效分析 i 确定主要失效抗力指标 主要失效抗力指标与 成分、组织、状态的关系 提高效抗力指标的途径 形成试验方案 检验优化结果 图1 - 1 失效分析思路 f i g 1 - 1f a i l u r ea n a l y s i sm e t h o d o l o g y 5 数值模拟 断口分析 h 1 3 钢铝型材挤压模r - 失效分析及其热处理工艺优化 第二章铝型材挤压模具及其主要失效形式 2 1 铝型材挤压技术及其模具 2 1 1 铝型材挤压技术简介 铝型材挤压成型是将铝及其合金的锭坯放入挤压筒内，在强大的挤压力和一定速度 的作用下，使金属从模具型腔中流出，从而获得所需形状、尺寸和有一定力学性能的制 品。 铝型材挤压一般将坯料加热至再结晶温度以上的某个合适的温度范围内，属于热挤 压工艺。热挤压工艺的研究始于1 9 2 5 年法国的于仁恩电炉钢公司，直至1 9 4 6 年一种适 用于热挤压的玻璃润滑剂诞生，热挤压工艺逐步走向工业化【3 3 1 。此后，各国相继采用热 挤压法来挤压制造各种长形件、棒、管、型材等。在有色金属的加工中，热挤压方法表 现出了较多优点，如在生产效率、产品的成品率、工模具损耗在成本中的比例及设备的 投入等方面都呈现出较好的竞争势态，因而占据十分重要的地位。另外，鉴于铝及其合 金具有良好的塑性和较小的变形抗力等优点，因此热挤压加工工艺广泛应用于铝型材加 工。 在铝型材挤压生产中主要的设备是挤压机，挤压机分为卧式挤压机和立式挤压机两 种。由于挤压机的结构不同，挤压工模具的结构与装配形式差异很大。本课题研究的对 象是在卧式正向挤压机上挤压的平面分流组合模，因此介绍模座平面密封的卧式正向挤 压机的装配形式，如图2 1 所示。挤压时上模、下模和模垫一起固定在支撑中，保证中 心很好的对中。 固 图2 - 1 分流模卧式正向装配示意图 f i g 2 - lh o r i z o n t a lp o s i t i v ea s s e m b l yd i a g r a mo fp o r t h o l ed i e 6 厂西大掌硕士掌位论文h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 2 1 2 挤压模具在挤压过程中的关键地位 挤压加工是靠模具来控制金属流动，使金属体积大量转移来形成零件的。因此挤压 模具是挤压生产中最重要的工具，其结构形式、尺寸、模具材料及模具的装配形式等， 对挤压力、金属流动的均匀性、制品尺寸的稳定性、制品表面质量及模具自身的使用寿 命等都产生极大的影响。总的来说，挤压模具在挤压过程中的关键作用可归纳为以下几 个方面： ( 1 ) 模具是挤压过程得以实现的关键装备； ( 2 ) 模具是保证制品形状、尺寸、精度和表面质量的重要因素之一； ( 3 ) 模具在控制产品性能和内部组织、提高生产效率、减少能耗、改善劳动条件 以及保证生产安全等方面具有重大作用； ( 4 ) 新型模具结构的开发是新产品开发的前提。 模具是金属压力加工的基础，模具的设计与制造技术是金属压力加工的核心。它的 质量和使用寿命是决定金属压力加工过程是否经济可行的关键。可以说，模具是挤压工 业之母，是衡量挤压加工技术的重要标志之一。 2 1 3 平面分流组合模的结构及工作原理 平面分流组合模( 简称分流模) 的挤压产品特点是型材断面形状含有至少一个闭合 的框，例如各种管材和空心型材等。近年来，分流模凭借其生产效率高、易加工、成本 低、操作简单、可生产各种复杂空心型材等多个显著的优点获得了迅速的发展，特别是 在民用建筑型材的挤压生产中的应用。 对调研的某铝型材加工厂所使用的模具统计显示，该厂主要模具类型为分流组合 模，占所使用类型的8 0 上。分流模的研究是各相关领域工作者关注的焦点。 1 、平面分流组合模的结构 分流模一般由上模、下模、定位销、连接螺钉四部分组成，如图2 2 所示。上模有 分流孔、分流桥和模芯。下模有焊合室、模孔型腔、工作带和空刀。 7 h 1 3 钢铝越材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 凸援 凹接 组合援 图2 - 2 分流模结构示意图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fp o r t h o l ed i es t r u c t u r e 2 、分流模的工作原理 分流模的工作原理是：在挤压机挤压力的作用下，金属被迫向着挤压杆运动的方向 流动，经过分流孔时被分流( 金属流的数目与分流孔数目一致) ，然后汇集于下模的焊 合室，在高温高压的作用下，金属在焊合室内被重新焊合起来形成模芯为中心的整体材 料，最后通过模芯与模孔所形成的间隙流出，得到符合一定尺寸要求制品【3 4 】。 2 1 4 铝型材挤压模具材料 铝型材挤压模具承受着繁杂、恶劣的工作环境，故选择一种能适应这种恶劣环境的 模具材料尤其关键。经过多年的研究和实践验证，具有优良的热强性、较好的塑韧性、 较高的抗氧化性及热疲劳抗力，一般在4 0 0 - - - , 6 0 0 场合下服役都能保持较好热稳定性 的h 1 3 钢具有绝对的竞争优势。目前国内各铝型材生产厂家普遍采用h 1 3 钢作为铝型 材挤压模具用钢1 3 5 _ 3 8 。 h 1 3 钢是一种空冷硬化的铬系模具钢。h 1 3 是美国采用的钢号，对应我国 4 c r 5 m o s i v l 钢。它的化学成分见表2 1 。 表2 - 1h 1 3 钢的化学成分及质量分数( w ) t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm a s sf r a c t i o no fi ll3s t e e l 从表2 1 中可以看出，h 1 3 钢中含有较多的铬、钼、钒等碳化物形成元素，这些主 要元素的作用如下【3 9 4 2 】： a 、铬：铬在钢种可以形成铬的碳化物，能提高钢的高温强度和耐磨性，使得c 曲 线向右移动，提高钢的淬透性和回火稳定性。但含铬量高增加了碳化物的不均匀程度， 经常出现亚稳定共晶碳化物，并且对韧性不利。 3 h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 b 、钼、钒：这些元素形成m 6 c 和m c 型碳化物，其溶解温度都较高，可以细化奥 氏体晶粒；回火时能析出m 2 c 和m c 型弥散碳化物，增a n - 次硬化效果，提高热强性 和热稳定性；提高热硬性，从而使耐磨损性提高。 c 、硅：硅有助于提高钢的抗氧化性，它在铁素体中快速扩散，使回火时析出的碳 化物不易聚集，增加回火稳定性。但硅的存在降低钢的韧度和塑性，且容易促成带状组 织的产生，使钢的性能变差。 d 、锰：锰具有固溶强化作用，从而提高铁素体和奥氏体的强度和硬度。同时锰与 与硫有有很强的亲和力，容易形成塑性稍好的m n s 而防止形成低熔点的f e s 产生，从 而降低材料脆性。 h 1 3 钢的物理性能及临界温度分别见表2 2 、2 3 。 表2 - 2 h 1 3 钢的物理性能 t a b l e2 - 2h 1 3s t e e lp h y s i c a lp r o p e r t i e s 2 2 铝型材挤压模具的主要失效形式 调查和研究发现，在实际生产中铝型材挤压模具主要失效形式有磨损、开裂、塑性 变形、疲劳破坏等。 1 、磨损 磨损失效是铝型材挤压模具的主要失效形式之一，常见的由磨损而造成的模具损伤 形式有划伤、粘着、麻面、尺寸超差等。如图2 3 所示为模芯磨损和工作带磨损实物图。 9 h 1 3 钢铝型材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 ( a ) 模芯磨损 ( b ) 工作带磨损 ( a ) d i ec o r ew e a rw o r k i n gt a p ew e a r 图2 - 3 铝型材挤压模具磨损失效 f i g 2 - 3w e a rf a i l u r eo fa l u m i n u mc x t r u s i o n d i a 毫无例外地，铝型材挤压模具的断面、分流孔、焊合室、工作带等部位与变形金属 直接接触，产生摩擦作用，整个过程要经过跑合、稳定磨损和急剧磨损三个阶段【4 3 1 。由 于挤压模具受力复杂，通常，根据其受力状态和模具与变形金属的相对运动情况，其磨 损类型可分为压应力磨损和切应力磨损两种。当挤压模具与变形金属之间产生滑动时， 发生切应力磨损，其属于滑动磨损；反之，当二者相互接触但不发生滑动时，产生压应 力磨损。同时，在不同的压力作用下i 模具表面由于滑动磨损作用使其材料发生擦伤、 转移等，这些磨损产物成为新一轮磨损的磨料，如此循环，使模具不断出现新的表面， 加速了模具的损伤。 2 、开裂 常见的模具开裂形式有：平面模和分流组合模的下模沿型孔尖角处裂开；模芯横断、 纵裂；分流桥弯断等。模具的开裂是铝型材挤压模具最为常见的失效形式。 挤压模具的断裂形式有韧性断裂、脆性断裂和疲劳断裂三种。三种断裂形式的断口 形貌和产生原因都不同。其中，脆性断裂的断口较为光滑，无明显的宏观塑性变形，其 产生的主要原因是材料本身硬度过高、脆性大、内部存在缺陷或是某些部位产生应力集 中等；韧性断裂的断口无光泽，呈灰色纤维状，其产生主要原因有：材料硬度不足、服 役温度过高、闷车时间过长、承受的负载过大等；疲劳裂纹的产生通常是在模具表面发 生龟裂，然后这些细小的裂纹聚集扩展形成断裂，其产生的主要原因是反复变化的拉压 应力和热应力引等。 3 、塑性变形 通常，塑性变形破坏是在磨损不大，且未出现裂纹时，因不能保证产品的尺寸精度 的情况下而产生的。其产生的原因是：高温高压高摩擦的作用，模具表面温度升高而产 生软化，特别是冲击载荷的作用加速了塑性变形的产生。常见的因塑性变形而失效的形 1 0 h 1 3 钢铝蠡岂材挤压模具失效分析及其热处理工艺优化 式有：分流模压塌、模芯缩颈或拉断等。 4 、疲劳失效 在环境温度发生循环变化的条件下工作的金属零件，在其表面往往出现网状裂纹， 即所谓的热疲劳。 通常认为因磨损而出现的沟纹、材料的显微缺陷等都可能是热疲劳裂纹产生的源 头。挤压模具上的疲劳裂纹一旦形成，它们将在机械应力和热应力作用下不断增长，最 终导致挤压模具的疲劳破坏。热疲劳性能的主要影响因素是导热系数、屈服强度和韧性 等，因此，为防止或减少模具的疲劳损坏，应合理选材并采用合适的热处理制度，充分 发挥材料的综合机械性能，同时应注意改善模具的使用条件。 通常，上述的四种失效形式往往不是单一地出现。由于铝型材挤压模具工作条件及 其模具结构都很复杂，在生产过程中，就会产生各种不同的损伤( 即失效形式) ，这些 损伤往往可能同时出现，进而相互影响，相互促进，最终加速模具的失效。在某一种模 具上可能仅出现其中的一种，也可能同时有数种失效形式。因此，在失效分析过程中通 过各种迹象找出造成失效的原因是分析的根本。 2 3 目前工厂中存在的主要失效问题及研究对象的确定 选择调研的某铝型材挤压厂是一家拥有2 1 台不同挤压吨位的大型挤压厂，该厂主 要产品为自行车专用管材、自行车轮圈、机车圈、散热器、各种民用型材等，其中不同 壁厚和尺寸的有缝管材产品所占比例最多。但调查数据显示，虽然有缝管材产品结构简 单，模具结构相对异型材也较为简单，且此类模具设计已相对成熟，但占全厂模具总数 4 5 的管材模具却存在长期尚未解决的早期失效问题，使得生产成本提高，生产效率降 低，直接或间接造成巨大经济损失。 据现