H13 大型挤压模具分流桥断裂失效分析
H13 大型挤压模具分流桥断裂失效分析
王彦俊
(辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳)
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，在原材料和制造过程未见异常的基础上，围绕材料的性能、组织、化学成分和失效件断口等对该模具进行分析，结果表明，模具失效原因是由于热处理性能没有达到设计要求，硬度偏低、屈强比小，模具的使用温度高，原材料晶粒组织粗大，分流桥位置应力集中等综合原因所导致的，模具使用温度为 500～550 ℃。
关键词:H13 钢；分流桥；挤压模具；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 钢(4Cr5MoSiV1)是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；而且抗粘结力强，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]。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 125 MN 挤压机，模具外形尺寸790 mm×(170—180)mm，挤压比为 25.7，大挤压力为(25-26) MPa，模具预热温度为(500±10) ℃，挤压速度为 0.7-1.3 m/min，铝锭加热温度为(525±10) ℃，终挤压铝型材约 10 t 左右失效，正常该模具挤压应达到 40 t 以上，失效形式模具分流桥处出现裂纹，挤压合金状态 7N01S-T5，该模具采用的原材料为瑞典进口H13 钢，其原材料组织符合北美 NADCA-203 标准，通过对断裂分流桥宏观断口分析、微观断口分析、模具受力分析、室温拉伸、高温拉伸、金相组织分析、硬度检验、冲击试验、化学成分分析等综合考虑，找出失效原因，并为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
由图 1 可见，该模具为某大型铝合金型材挤压模具上模—分流模，白色箭头所指为断裂失效位置；将图 1 中失效位置进行分解，见图 2，断口宏观较为平齐，无明显塑性变形，断裂面与主应力方向垂直如图 1 红色箭头所示，为典型脆性断口，有明显放射棱线，为解理断裂[2-3]，出现线性多源特征，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 NaOH：K2MnO4：H2O=4：3：15 的水溶液煮沸，去除断口夹杂物及残留的铝合金[2]，待断口上的夹杂物清除后用稀 Na2CO3 或 NaHCO3 进行次清洗，然后采用蒸馏水第二次清洗，第三次采用酒精清洗然后后吹干待观察，利用扫描电镜进行断口微观分析；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，从而表明该模具分两次使用，在次挤压过程中裂纹源区就产生了热疲劳裂纹，扩展区裂纹是在上次使用产生裂纹的基础上进行扩展的，经调查与分析相符合，断口干净无附着物；裂纹扩展区形貌见图 5，在扫描电镜下观察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，并沿晶开裂为典型脆性断裂。分析二次裂纹产生主要是模具受到较大热应力而产生的，由扩展区和瞬断区沿晶开裂的形貌分析，怀疑该模具钢的晶粒度粗大，后续对其失效模具钢进行晶粒度检测。
1.3 模具受力分析
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，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，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[1]其挤压压力模拟如图 7 所示，由铸棒到模具压力逐渐增大。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，受力情况如图 8，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，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的时间，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的停止挤压操作，在工作时间和非工作时间，使得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，在挤压分流桥位置应力达到大 705MPa，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，在该部位产生应力集中对模具的断裂有严重影响。
1.4 力学性能分析
从失效分流桥的其它部位截取力学拉伸试样，分别做室温、高温拉伸，而高温拉伸采用 520℃，试验结果如表 1，根据相关资料表明一般合金结构钢屈强比要求 0.84-0.86，该 H13 模具钢室温下的屈强比为 0.76 屈强比偏小；而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。
表 1 力学性能分析结果
Table 1 Results of mechanical propertyanalysis
1.5 硬度及冲击性能检验
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，其结果为 41~42 HRC，硬度略低于设计要求。由模具钢硬度随温度和时间变化曲线(图 8)[6]可知，硬度为 45 HRC 的模具在使用温度 550 ℃、工作 100 h 的情况下，硬度约下降为 42 HRC，该失效模具总工作时间不超过20 h，硬度变为 41~42 HRC，由此判断可能是热处理后材料的硬度偏低。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，模具温度开始升高，而挤出型材只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得非常快，所以必须严格控制挤压工艺参数的合理性，这对模具的使用寿命非常重要。冲击试验在摆锤能量为 300 J，大摆角为 150°的 ZBC2302-3 金属摆锤冲击试验机上进行，做 3 个冲击试样(图 8)，冲击韧性为 18 J/cm2。
1.6 显微组织分析
分流桥失效部位附近显微组织见图 10，经调质处理组织为回火索氏体+隐针马氏体+残余奥氏体和少量碳化物，无过热特征，回火工艺为：一次回火 585 ℃保温 6 h，二次回火 605 ℃保温 6 h。从组织上观察材料中的残余奥氏体量较多，表明模具在热处理过程中存在回火不足，残余奥氏体量越多，硬度越低；由图 11 可见，裂纹从模具的边缘向基体内扩展延伸，边缘区未见可疑夹杂物、碳化物等明显缺陷，模具表面经过渗氮处理，未见白亮层，渗氮工艺没有问题。该失效模具的晶粒度较正常模具晶粒偏大如图 12、13 所示，按照 GB/T6394-2002 金属平均晶粒度测定方法检测其晶粒度为3 级，设计要求模具钢晶粒度达到 7 级以上，由此分析该钢原材料晶粒组织粗大是影响模具失效的一个主要原因。
1.7 化学成分分析
化学成分分析结果见表 2，其结果符合标准要求。
表 2 化学成分分析结果(质量分数，%)
Table1 Results of chemical composition analysis(mass fraction，%)
2 分析与讨论
综上所述，影响 H13 模具使用寿命因素很多，根据对失效模具的断口进行分析，分流桥根部断裂为典型脆性断口，有明显放射棱线并出现线性多源特征，扩展区存在大量沿晶二次裂纹，从模具的失效位置进行受力分析，上模在挤压过程中，分流桥部位承受较大应力，主要以张应力为主，同时长时间处于高温、动载荷作用下，该部位性能下降迅速，模具分流桥根部与模芯过渡区截面尺寸发生很大变化，从而在该部位产生应力集中对模具的断裂有严重影响。
金相显微组织中存在较多残余奥氏体，基体硬度为 41~42HRC，较设计要求低，存在热处理过程中淬火温度偏低、模具淬火冷却能力不足、回火不充分等原因。显微组织中未见过热与过烧组织，但晶粒组织粗大超出设计要求是造成模具失效的主要原因之一。根据力学性能检测结果分析材料的屈强比偏小，而屈强比大小主要由热处理工艺决定的，因此该模具的热处理工艺有待改进：该模具原热处理工艺淬火加热温度为 1025℃，根据相关资料[8]，H13 钢淬火加热温度范围 1020℃~1050℃，建议改进措施提高淬火温度到 1030℃~1040℃；原回火制度采用 2 次回火，次为 585℃保温6h，第二次为 605℃保温 6h，建议采用 3 次回火，次 585℃保温 6h，第二次 605℃保温 6h，第三次 585℃保温 6h，目的是提高模具的回火稳定性、红硬性。
从使用条件分析，已知在挤压前模具预热 500±10℃，铸锭加热 525±5℃，挤压速度为 0.7~1.3m/min，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，模具温度升高，而挤出型材只带走很少一部分热量，由图 8 分析，模具在 500~550℃工作时，硬度下降的比较缓慢，稳定性也较高；而在 550~600℃时硬度下降的非常快，在此温度范围内长时间工作必然导致提前失效，如果铸锭加热温度过低，在挤压过程中挤压机容易发生闷车，而铸锭加热温度过高，则影响型材表面质量，如果在铸锭高温下保持正常的挤压速度，模具温度就会升高，从而影响模具的使用寿命；建议改进措施模具在试模阶段要以低于正常时的挤压速度进行挤压，待模具基本稳定后在提高到正常挤压速度，铸锭加热温度要合适，所以严格控制挤压工艺参数的合理性，这对模具的使用寿命有重要意义。
3 结论
1) 上模分流桥断裂为脆性断裂；
2) 上模的开裂与其加工工艺无直接关系，主要原因模具钢原材料晶粒粗大影响模具的冲击韧性，在发生热疲劳后出现沿晶二次裂纹；
3) 由于热处理性能没有达到技术要求，硬度低、屈强比小、模具的使用温度过高、分流桥根部产生应力集中等综合原因从而导致模具失效；
4) 模具钢原材料晶粒度应控制在 7 级以上，工作温度在500~550℃下使用稳定性较高，严格控制挤压工艺参数，从而有效提高模具使用寿命。
参考文献
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