影响铝型材挤压模具寿命因素的分析

来源:山东科技大学材料科学与工程学院作者:王泽宁

在铝合金建材与工业型材生产中,延长挤压模具寿命是提高生产效率,降低生产成本的关键环节之一。本文综述了铝合金挤压模具的失效形式,并从模具材料选择、模具设计、模具热处理与模具渗氮方面分析了影响铝合金模具寿命的各个因素。

铝合金具有轻质、高强度和优良的耐腐蚀性能,使其在民用建材、工业型材、航天航空领域广泛使用。模具是铝合金产生挤压变形和传递挤压力的关键部件,由于其复杂的结构,高的尺寸精度及工作服役时复杂的应力状态。模具质量也将直接影响产品的形状、尺寸、表面质量以及内部组织等。

当今社会铝合金建材门槛低,竞争激烈,铝合金工业型材附加值高,模具投入量大,国内对铝合金挤压模具的结构设计、制造加工以及表面处理工艺技术都存在不足,导致模具产量和寿命很低,因此提高模具寿命具有重要的现实意义。目前我国铝挤压模具技术已有长足进步,但与国际先进水平仍有一定差距,在我国铝材挤压行业中,模具的一次上机成功率只有50%左右,模具的使用寿命普遍较低,仅为国际先进水平的1/3 左右。拥有理想表面质量的挤压型材与模具的使用寿命是相互关联的,与生产过程的经济效益密切相关。而模具的寿命主要依赖于模具的设计、材料的选用、热处理、服役过程的工艺参数选择。模具的表面处理也是保证模具使用寿命的重要环节,对实现铝型材产品高效、优质、低能耗生产具有重要意义。

本文针对挤压模具设计、模具材料、热处理工艺以及表面渗氮强化方面,分析其对模具寿命的影响,以期为铝合金模具设计和热处理提供理论依据。

1、影响铝型材挤压模具寿命的因素及其失效形式

铝型材挤压模具的寿命是综合性的技术问题,它涉及到模具设计、模具材料、制造加工、热处理、表面处理、挤压工艺、模具修理以及模具科学管理诸多方面。铝合金挤压模具失效形式主要为疲劳断裂、磨损、塑性变形三大类。A. F. M. Arif 等人对不同形状的H13 钢铝型材挤压模具失效机制进行统计,其中三大失效形式所占百分比如图1 所示,断裂失效所占比例最高,其次是磨损失效和塑性变形。

挤压模具失效形式统计

图1 挤压模具失效形式统计

疲劳断裂是挤压模具失效的首要机制,它常发生在模具高应力集中区,例如尖角处、加工刀痕处。图2 为模具的热裂失效图片,服役过程中由于高温表面和冷的芯部之间产生很高的温度梯度,将在表层产生很高的压应力,引起弹塑性变形。在尖角处将形成更高的温度梯度,产生更高的压应力和张应力,应力超过表面材料的局部屈服强度和极限抗拉强度,再循环载荷的冲击下产生疲劳,最终导致裂纹的成核与扩展。

挤压模具热裂失效形式

图2 挤压模具热裂失效形式

挤压模具第二大失效模式是磨损失效,由于热挤压变形时的变形率较大,金属坯料塑性变形时的金属流动,对模具型腔表面产生剧烈的摩擦,引起磨损失效。通常坯料在炉内预热时表层容易发生高温氧化,形成坚硬的Al2O3膜层。工作时坚硬的膜层很容易磨损剥落形成硬质颗粒,使得坯料与模具表面之间发生严重的磨粒磨损。磨损使得模具工作带材料缓慢剥落,对模具表面粗糙度和尺寸公差产生很大影响。如果坯料与模具接触表面的局部压力和温度过高,挤压速度不合理,以及模具的尺寸和表面粗糙度不满足要求,工作时都将造成模具表面剧烈磨损。研究发现渗氮模具钢表层的磨损机制是裂纹、材料粘着转移,以及剥层、磨粒和长周期疲劳磨损。

挤压过程中的变形功热效应、摩擦等产生的温升,使模具局部的工作温度进一步升高。在长时间的高温作用下,金属与模具间的摩擦状态恶化,模具的强度降低,于是塑性变形就可能发生。塑性变形常发生在模具表面承受过高的压力和温度,以及长时间接触的区域,一旦接触压力产生的应力值超过模具材料的局部热屈服强度,将引发塑性变形。模具的温升速率与模具和坯料起始温度,接触压力和时间,模具材料和表面处理状态有关。

7、结论

1) 铝型材挤压模具的失效形式主要为疲劳断裂、磨损、塑性变形三大类,对应的失效机理不同,疲劳断裂是铝型材挤压模具失效的首要机制。

2) 存在冶金缺陷的模具材料、不合理的模具设计和加工方式、热处理及渗氮工艺参数选择都会导致模具钢内部组织中的显微缺陷,服役过程中引发模具失效,降低了模具的使用寿命,从而带来不必要的经济损失。所以控制模具材料缺陷、优化模具设计、严格执行热处理工艺对提高模具寿命十分重要。

3) 模具常见的失效形式可能是若干因素共同作用的结果,其中会有决定性因素。应该从以上角度考虑,优化每一个生产环节的工艺参数,尽量避免以上提到的不利因素,以提高铝合金挤压模具使用寿命为原则进行生产制造。