影响铝材挤压模具质量与机能 的五年夜 缘由 及对策

叙言

铝型材挤压用热作模具钢为4Cr5MoSiV1，JIS（日本尺度 ）称SKD61，AISI（美国尺度 ）称H13。该钢种具有精良的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲惫 机能 。在热挤压进程 中其温度可达600℃，工作前提 卑劣 ，主要的失效情势 为热磨损和热疲惫 。挤型厂的临盆 效力 、本钱 节制 与模具机能 紧密亲密相干 。在全部 模具综合治理 系统中，每 个环节城市影响模具机能 。

1、 模具钢材质量

Quality of die steel

模具钢材质量是挤压模具机能 的根基 保障。由于 ，不管 后续的处置和操作再好，都没法 从底子上改变模挤压模具的综合机能 。辨别 优良 和劣质钢材的主要 根据 是显微组织的平均 性，它决意 了钢的冶金质量。显微组织不平均 、晶粒粗年夜 （如碳化物和硫化物偏析等），经常 会造成模具过早失效。

图1所示为某些模具钢材检测后果。与优良 钢材比拟 ，劣质钢材退火态组织中碳化物散布 不均、呈带状（图1a），并含有对照 年夜 化合物。这些化合物经热处置后仍不克不及 完全被消弭 （图1c、1d箭头所示）。若这些硬脆化合物存在于模具外观，将使氮化处置后的外观氮化层不一连 （图1e），成为微裂纹的发源 ，终究 致使 氮化层剥落。

2、 模具热处置

Heat treatment of dies

热处置的目标 是使模具的耐磨损性和韧性到达 最好 合营 ，而耐磨损性要求硬度高，韧性则要求硬度低。是以 ，必需 接纳 办法 ，确保这些彼此矛盾的机能 不会明明提高，以避免 侵害另外一 个机能 。影响热处置质量的主要身分 有加热速度、淬火温度、冷却速度和回火温度等。在热处置时代 ，温度节制 不妥和回护氛围 缺失，模具会过热，构成 粗晶，外观发生分歧 水平 的脱碳。准确 的热处置除 要确保温度丈量 、节制 准确之外 ，还需要采取 回护氛围 来连结 外观的完全 性。另外 ，热处置不妥可能引发 具有残存 应力的外观脱碳。假如 不采取 机械完全去失落 ，在随后的氮化中，脱碳层将促使裂纹在外观任何可能的缺点 处萌发 。

图2所示为模具热处置后外观组织。从中可知，钢材外观无明明脱碳和氧化（图2a）。基体为针状马氏体+少许 残存 奥氏体+残剩 碳化物，申明 热处置其实不 完全 。这些残剩 碳化物将有可能使外观的氮化质量恶化。另外 ，另外一 项关于热处置残留表层对模具氮化机能 影响的实行 中，也得出如许 的结论。

3、 模具加工

Die manufacture

在模具制造进程 中，模具的一些外观（如工作带外观等）会进行线切割、电火花（EDM）成型加工。若操作不妥（如速度 过年夜 ），将发生 一层出缺 点 的重铸金属。这一层组织由粗拙 的、不划定规矩 的未回火马氏体（图3b）组成 ，厚度年夜 约为30μm。这层组织的点阵严重畸变，具有明明的拉应力。乃至 氮化处置后获得 的氮化层松散 、脉状组织明明（图3c）。

4、 模具氮化

Die nitridation

在氮化处置中，模具外观接收 氮原子构成 硬且耐磨损的化合物层，平日 称为白亮层。它是由Fe2-3N（ε相）和Fe4N（γ`相）铁氮化合物中的一种或连系 组成。而Cr、Mo和V等合金化元素与氮回响反映 构成 所谓的分散层。分散层位于化合物层下方（图4），是基体母相中合金化元素氮化物析出的后果。

朗诵

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氮化的目标 是在工件外观构成 必然 深度、具有强韧性、耐热性和耐磨损机能 的强化层，其与基体具有高的连系 强度和邻近 的膨胀系数。

图5、图6、图7所示为3种氮化工艺处置的钢材试样组织。可以看出，盐浴氮化试样白层和氮化层总厚度值年夜 ，最表层（白亮层）松散 易剥落，而且角部效应和脉状组织都很严重。而气体硬氮化处置后的氮化层无脉状组织，白层的厚度也在0~3μm。渗硫氮化试样渗层不明明。

随后对采取 以上分歧 氮化工艺处置的模具进行临盆 跟踪。由图8可以看到，盐浴氮化模具在挤压12个铝棒后，进料端面发生明明的脱皮。而气体硬氮化和渗硫氮化模具外观无明明的脱皮。

在对另外一 款报废模具的芯头检测剖析 发现，工作带上局部有少许 白层（图9a），角部已不存在白层（图9b），即模具工作带外观的氮化层发生了不平均 的磨损。这多是 由于白层的不平均 剥落致使 。

在对盐浴氮化试样进行能谱剖析 发现，氮化层的最表层含氧量稀奇高，为氧化层（图10a）；而线切割层氮化后，在白层地点 的深度就已 发生 剥离现象（图10b）。由此可知，白层松散 易磨损的缘由 是最表层的氧化和外观原始组织改变。

综上可知，氮化工艺对氮化层的组织和机能 起决意 性感化 。同时，我们也能够 发现一些失效（氮化层剥落、易磨损等）是先前工作忽视 或工艺节制 不妥引发 的（如线切割外观未断根），虽然 他们可能在氮化进程 中发生，但其实不 都是由氮化造成，而且 这类 失效不克不及 经由过程 氮化修复。

今朝 ，国表里 遍及 认为单一相组成 的氮化组织具有优秀 的耐磨性、抗蚀性和耐剥落性。而经常使用 氮化工艺构成 的白亮层一般都是双相布局。硬氮化之所以遭到 青睐，恰是 由于 该工艺可有用 按捺 白亮层的构成 ，并能经由过程 赓续 强化分散层来到达 加强 耐磨性的目标 ；而软氮化必需 依托 白亮层增添 耐磨性，并由于没法 节制 白亮层的组织布局，在运用 上遭到 必然 的限制。（上述的渗硫氮化工艺的长处 是渗硫后外观具有自润滑感化 ，削减 了金属的磨擦 和粘结）。

5、 模具加温

5. Die warm up

模具在上机挤压前都必需 加温，而加温温度和时候 必需 严酷节制 。挤压模具采取 的加热温度为500℃，但由于各类 加热炉控温保温结果 的分歧 ，模具现实 温度可能跨越 或低于该值。另外，在加热炉中的保温时候 应限制在2~6h。加热温度太低或保温时候 太短，模具温度未到达 ；温度太高或保温时候 太长，模具的硬度会下降 ，工作带外观会发生 点侵蚀 或氧化脱碳（图11a）。图11b所示为氮化后的H13钢加温后的组织。可以看出，在白层的上方构成 了一层很厚的氧化层。这层氧化层将在挤压进程 中剥落（图11c），流入产物 ，造成异物不良。

6. Mechanical and chemical removal of residual aluminium

起首 是挤压流程竣事 时压余的剪切——机械断根残铝。一般卧式挤压机都采取 平行于模具端面的铰剪 剪切。然则 由于在铰剪 的使用进程 中不行避免地存在一些问题（如铰剪 变钝），就会撕扯剪不到的残铝，此时本来 就连系 不牢、硬脆的模具外观也被撕失落 ；而尖锐的铰剪 则不会呈现这类 问题。另外一 个不行轻忽 的要点是铰剪 必需 与模具端面平行。若它们之间呈必然 的角度，一样 也会呈现撕扯现象，乃至 将剪到模具端面。图12所示为铰剪 在操作进程 中致使 的问题，在模具的下方可以看到与剪切撕扯陈迹 （图12a）完全对应的脱皮现象（图12b）。

接下来就是残铝的化学断根——泡模。从挤压机上卸下的模具温度较高，若即刻放入泡模槽碱洗，将因猛烈 的热冲击，模具局部缩短 过快呈现开裂，使模具报废。平日 情形 下，烧碱泡模不会对具有完全 氮化层的模具外观造成影响。然则 ，一旦外观白层发生氧化侵蚀 毁坏（在空气中加热8h或更长）或分散层表露时（图13），长时候 的浸泡可能构成 凹坑。是以 ，在烧碱溶液中浸泡的时候 太长 可能造成模具外观机能 退化，而在随后的再氮化进程 中也不克不及 获得 修复。

6、 改良 模具质量的对策

7. The improvement of die quality

颠末以上剖析 后，针对提到的各类 晦气 身分 ，提出了以下响应 对策：

1） 改良 氮化工艺： Improve nitridation

•使用气体硬氮化； Using gas hard nitridation

•制订 公道 的气体氮化工艺，获得幻想 的氮化组织。 Making suitable nitridation process

2） 治理 模具临盆 制造进程 ： Manage die manufacturing

•选择显微组织平均 、机能 相符 尺度 的钢材； Choosing good quality steel

•去失落 线切割或电火花成型后的外观，预留后续加工或抛光余量，一般30μm以上； Keep the polishing allowance

•严酷节制 热处置前提 ，避免 外观氧化脱碳，并获得所需的组织与机能 ； Control the heat treatment condition

•凭据 模具尺寸，粗加工后预留必然 热处置精加工余量，磨削失落 外观脱碳组织。Keep allowance for precision machining

3） 治理 模具使用进程 ： manage die using process

•严酷节制 预热前提 （时候 和温度），按模具厚度计较加热时候 ，以1.2~1.5min/mm计较，厚度160mm的模具加热时候 年夜 约为3.2~4h； Control die heating temperature and time

•按准确 的规程断根压余和残铝，避免 模具机械性毁伤 ； Using correct cleaning process

•规范泡模工序，严禁高温泡模，限制泡模浸泡时候 ； Control the liquid residual removal time

•限制新模试模次数，通常是 3次；试模及格 后模具临盆 量节制 在10个铝棒之内即进行氮化，或 待模具氮化后再投入临盆 ； Limit the chemical removal time

•当令再氮化，限制模具每 次氮化后的产量；Control the frequency of nitridation

•公道 修复模具，尽可能 避免烧焊，制止 冷焊； avoiding cold welding

•封胶喷油存库，避免锈蚀 vacuum storage