H13大型挤压模具分流桥断裂分析

H13大型挤压模具分流桥断裂分析

王彦俊;李鹏伟;孙巍;李延军;白云鹏;陈立超

【摘要】某大断面H13铝型材挤压模具经过短期服役后,模具分流桥根部发生断裂,对材料的力学性能、组织、化学成分进行了测试分析,并观察了失效断口形貌.结果表明:模具失效原因是由于热处理制度不符合要求,H13钢的硬度偏低、屈强比小、模具的使用温度高、分流桥位置应力集中等因素造成的；建议控制模具使用环境,其最佳使用温度为500 ～550℃.

【期刊名称】《失效分析与预防》

【年(卷),期】2012(007)004

【总页数】5页(P262-266)

【关键词】H13钢;分流桥;挤压模具;脆性断裂;受力分析

【作者】王彦俊;李鹏伟;孙巍;李延军;白云鹏;陈立超

【作者单位】辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003;辽宁忠旺集团有限公司,辽宁辽阳111003

【正文语种】中文

【中图分类】TG113.1;TG115.5

0 引言

H13钢(4Cr5MoSiV1)是国际上广泛应用的一种空冷硬化型热作模具钢。H13钢

具有较高的韧性和耐冷热疲劳性能，不容易产生热疲劳裂纹;且抗粘结力强，与熔

融金属相互作用小，因此，广泛应用于热镦锻、热挤压和压铸模具的制造［1-2］。随着铝型材应用行业的不断发展，近年来市场对铝型材的断面形状、尺寸公差、表面质量等方面都有了越来越严格的要求，而模具的工作条件又是非常恶劣的，在高温、高压下承受剧烈的摩擦、磨损作用;因此，对模具的要求也越来越高，对提高

模具的使用寿命至关重要。

根据生产现场调查，该失效模具用于125MN挤压机，模具外形尺寸φ790

mm×(170～180)mm，挤压比为25.7，最大挤压力为25～26 MPa，模具预热温度为500±10℃，挤压速率为0.7～1.3 m/min，铝锭最高加热温度为525±10℃，最终挤压铝型材约10 t失效。失效模具分流桥处出现裂纹，挤压合金状态7N01S －T5，该模具原材料为进口H13钢，其组织符合NADCA－203标准。本研究对

断裂分流桥断口的宏微观形貌、金相组织及模具受力情况进行分析，测试其室温/

高温力学性能、硬度、冲击强度，以查找其失效原因，为预防同类故障的发生提供参考。

1 试验过程与结果

1.1 断口宏观观察

图1为失效模具实物照片，该模具为某大型铝合金型材挤压模具上模——分流模，图中白色箭头所指为断裂位置。将图1中失效位置进行分解、观察，可见断口较

为平齐，无明显塑性变形，断裂面与主应力方向垂直，为典型脆性断口(图2)，有

明显放射棱线，为解理断裂［3-4］，有线性多源特征，白色箭头所示为裂纹源区，黑色箭头所指示的区域为裂纹扩展区，该区存在自挤压裂纹处流入的铝合金，源区颜色发暗，宏观未见夹杂等其他肉眼可见冶金缺陷。

1.2 断口微观观察

采用体积比为V(NaOH)∶V(K2MnO4)∶V(H2O)=4∶3∶15的水溶液煮沸，去除

断口夹杂物［5］，待夹杂物清除后用稀Na2CO3或NaHCO3进行第1次清洗，然后采用蒸馏水第2次清洗，第3次采用酒精清洗，吹干待观察。采用SSX－550扫描电镜观察断口微观形貌，断口源区及扩展区典型形貌如图3、图4，源区为线性多源特征，可见棱线由裂纹源向内扩展放射。由图4可见，裂纹源断口较为平齐，平台宽度约为156 μm，颜色发暗，未见夹杂等冶金缺陷。根据模具使用状况分析，该模具分2次使用，源区裂纹可能在第1次挤压过程中就产生了，在第2

次使用时裂纹产生扩展，与调查、分析结果相符合，断口干净无附着物。图5为

裂纹扩展区形貌，可见扩展区存在大量二次裂纹，并呈现沿晶开裂特征;图6为瞬

断区形貌，未见韧窝特征，同样存在二次裂纹，并沿晶开裂，分析二次裂纹主要是模具受到较大热应力而产生的，为典型脆性断裂。

1.3 模具受力分析

分流模的工作原理是在挤压机的挤压力作用下，金属向挤压杆运动方向流动，经过分流孔分流，汇集于下模的焊合室，在高温高压的作用下，在焊合室内重新汇合起来形成以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，得到符合设计要求的制品［1］。上模所承受的载荷力是挤压杆通过金属坯料加载在上模上的力，在挤压过程中，由于力学条件是随着金属体积、金属与挤压筒之间的接触表面状态、接触摩擦力、挤压温度速度范围，以及其他条件变化而不断发生变化的。在整个挤压过程中，上模所承受的载荷变化幅度相当大，且挤压机在加载挤压力时只需要几秒钟，在短暂的时间内模具所承受载荷发生急剧变化，受到冲击作用。另

外，由于更换铝锭时需要间歇地停止挤压操作，在工作时间和非工作时间，模具长时间在周期性变化的载荷下工作，这种情况属于动载荷。试验结果和理论分析表明，在零件尺寸突然改变的截面上，应力分布是不均匀的，由此可见，模具断裂位置在模具分流桥根部与模芯过渡区，截面尺寸发生很大变化;因此，在该部位应力集中

对模具的断裂有严重影响。

1.4 力学性能

从失效分流桥处截取拉伸试样，分别做室温、高温拉伸试验，高温拉伸温度为520℃，试验结果见表 1。一般合金结构钢屈强比为 0.84～0.86［6］，该模具的室温屈强比为 0.76，明显偏小。屈强比大小主要由热处理工艺决定的，屈强比越大，说明可靠性越高，屈强比越小，表示其抗变形能力较强，但易发生脆性破坏。

1.5 硬度及冲击性能

设计要求模具热处理后硬度为44～46 HRC，对断裂分流桥进行硬度检测，结果为41～42 HRC，硬度略低于设计要求值。根据DIEVAR瑞典热作模具钢原材料技术指导书中模具钢硬度随温度和时间变化曲线(图7)可知，硬度为45 HRC的模具在温度550℃、工作100 h后，硬度下降至42 HRC左右，而该失效模具总工作时

间不超过20 h，硬度变为41～42 HRC，由此判断可能是材料的硬度偏低。如果

模具使用温度在550～600℃，模具的硬度随使用时间的延长下降很快，其他性能也迅速下降。已知在挤压前模具预热500±10℃，铸锭加热525±5℃，挤压过程

中模具产生大量的热以及铸锭向模具进行热传递，模具温度逐渐升高，而挤出型材仅带走很少一部分热量，由此分析模具工作温度至少在550℃以上，模具在如此

高温下工作硬度下降非常快，所以必须严格控制挤压工艺参数，保持工艺合理性对模具的使用寿命非常重要。冲击试验在摆锤能量为300 J、最大摆角为150°的