铝合金型材挤压模具的失效分析.pdf

铝合金型材挤压模具的失效分析 戴莨春(武 汉铜管 厂)一、铝合金蛩材挤压模具的使用条件 热挤压 加工是 把予热(4 8 5 5 1 0)的 铝台金坯料放在予热(4 5 0)的模具上、在 轴向加压使之沿模具的孔 E l 流出而成形 的加 工 方法。这时，产 生断面缩小 和轴向伸长的 型材(如 图一)。圈 一铝合金型材挤压法 1)挤压杆 2)挤压筒3)挤压垫 4)钒音金 坯料5)拼压摸6)楗环，)模垫 8)横 土 承9)铝台金型材 在挤压过 程中，模具与纵热的铝垒相 接触 要承受高压力 商摩擦力及长时间的 高温。因此要求 模具具有 在服役条 件下 足够 商的硬度，并在制造 和以后的使用 过 程l i|共 有相 当韧性 和足谚 的导热 性，避免模具工作 表面受热太甚。二、铝台金型材挤压 摸_具失效 的类型 挤压模其在我 国发展较晓 多 数模具是 凭经验设计、其理 由有 2个：1 由于模具钢 太脆、不易获得 有盘的 可 重现的试验结果，没有 珂供 利用 的机械性 能资料。如抗拉和屈服强度、延伸率、冲 强度。2 不能准确计算模具所，生的主要应 8 力，因此，许多 设计都是 建立在 以前的经验 基 础 上。多数模具及其相应的机械 试样，都具有 辊当大的残余应力，使上述情况变得更加复 杂。这些残余应力是由热处理和模具加工产 盔眦 豫菲适当地评价残余应力、否刚所获 得的机械试验数据l；l 及在设计计算 中使用这 些数据都是没有意义 的，业 已证 明 在模具 失效的研究 中，基本 的统 计方法是 种最有效 的技术。根据 模具 失效 的统 计研 究结果分类，找 出挤压 模具 产生失效 频率最 高的类型为：1)拐 最尖 角、锐边处 和模槊支承不 足等等的开裂(图二、三、四)。在 摸 孔 直 角 阿 外扩 张 震 纹 I 图=材料：3 Cr 2 W 8 V 2)热 磨损使产 品尺寸超差。国外挤压模 具选用1 t1 3(4 Cr S Mo S i V )钢 桄7 0 嘶的失效 模具为热 磨损。3 0 嘶为开 裂失 效。国内多数 选用 3 Cr 2 W 8 V 材制造 模具，其 失效 形式与 国外正好相 反。我厂使 用有 国外H1 3 钢材 和3 Cr 2 W 8 V钢材 制 作 的 维普资讯 http:/ 在 槽璀开 口部 位形 成裂臂 的根 部裂皱 圈三材料；3 Cr 2 W8 V 组 合模 阴模 裂牧 图四材料；3 Cr 2 Ws 2类 模具。生产实 践证 实了上述 模具失效类 型和统 计规律。三，错合 金壁村挤压横 具 失散分 析 影响模具特性柏有 6 个基本要素：1 机械设针；2 模具材料的选择；3 机械加工工艺过程；4 锻造和魏 处 理；5 放 电加工及磨 削；6 在服役 的使用。采取与横具特性有关的因素分类分析，并不一窟 黼鼬警鳓窟莓 件 具失效的根 本原因。例如董葺l为 带尖旁 键槽的模支 承在热处 理中开 裂，很 难说是 因为热处理 不 当或者设计不妥斟起的。尽管如此，这样分 类分析将有助于在 备因素之 间建立一种 联 图五模 支承 系，并可予示模具反复产生失效的范围，再 依次 考虑每个 因素 1 机械设 计 不合适的设计主要 从两方面影 响模具服 役寿命：a)与热处理有 关方面 要求考虑 模具 用锕 的 类型，热 处理 和加II 艺 及 所 用 设 备。b)与 服役条件有 关的因素，要防止所 制造的模具早期失效。最常见 的导致设 计失效 的两 个简单因素 是：(1)尖 角和孔间距 设计不当，(2)相邻 截面 尺寸 相差悬殊。在 棋具上 尖 角非必要 时，尽可能采用最 大固 角。对于H1 3 钢，半 径 小 于0 2 5 毫 米 时热疲 劳损坏变得 严重：半 径 大于0 2 5 毫 米时，裂纹稍有 减小。尖 角导致使用应力集 中，与平均计算应力 比可高达1 O：1，导致 模 具过早失效，或淬火时尖角处产生残余应力 而缩短使用寿命。当尖 角是不 司避免时，用 气淬硬化钢制 造模具在热处理时很少开裂。而油淬或水 淬硬化锕l即使在热处理 中采用最好的操作 方式，对尖 角处开裂 也十分敏 感。例如 图四 为 3 Cr 2 w 8 V钢制作 的扁管 模灼阴 模l 尖 角 导致 使用 中开 裂过早失效。改为 胡模 出口供 用后如图六所示，模具使用 中不开裂 敢 相邻截面尺寸相差悬殊J横具在舷 翳l立 影 下 维普资讯 http:/ 程中 劳蔼厚睦 的会发生弯曲、开裂常 常 发生在其捐 角、夹角的薄弱环节 增加 棋县 的碗度或更 换其它的锕 材不 可能减少模具 的弯 曲 因为厚度 相 同，但钔 种 不 同 的 铜 板、在 同样载 荷下。会 产生 同样的弯 曲。不 同硬度的同类钢板、在 同样载荷下，产生 挠 曲和弯曲量 是一样的。因此，必 须增加模子 妁截面厚度或加强模架的支承，以减少弯曲 程赛 厚度增加一 音，弯曲可减小8 5 嘶 圈六材料 Cr 2 W S V 2 模具材料 的选 择 选用模具材料必须符合下列性能：()组织均匀i(2)无内部 缺 结(3)机械加工性能良好(4)抛光 性 能 良 好!。?易 于 热 处 理；(G)有 良 好 的 抗 开 裂 韧 性；(7)有 好的导热性，(8)耐磨缝，(9)耐 热 畿 有种钢材能同 时具备 上述 全 部性 能对模具钢材料的选用总是涉及一些兼顾 平衡条件，综合考鼠且前用作挤压模具的 材料为 t ()H1 3(4 cf 5 Mo S i V，)钢具有耐 热强 韧性和耐磨性等良好地练台性能其 主要孵 化 学成 分 为04 O 嘶C、I o o q si O 4 O 曲 Mn、5 2 5 哺 Cr 12 O 畅 M0 和 l O O 和V，一般空气淬火这 样钢几乎 不含 馥佬鞠 用其制作婀挤匠魂硬 度 在HR e l 口 o 4 5 5 2 范围 这 些槿具 予热 到3 3 5 哥 以 使其 韧性加 倍、而只损安 少噩 弧度。鲫 尿不 超过使用上 限温度环 循使 用 不 疆 现问 题。超过6 6 5则发生热 裂。-J；|8 播、阅必湿度 m-t z Hl 3 铜的 回火硬度 H1 3 钢的淬 火回火硬度 曲线如 网七所示。在工作温度下舳红硬性如图八所示(=)3 C r 2 W8 V 钢在室 温和(工 作)高温下 的强度性 能很高并随钢 中含碳 量 的 增加而提高如禽 碳 量 由O2 S hC提 高 j O 3 5 嘶C时 可使 钢 的 强 度 和 硬 度 提 高 I o一2 0嘶 3 Cr 2 W 8 V锕 舶 主要化学成分；o3 8 C 圈八Hl 3 钢的红曩性热处翻芷常 I 8 r 作沮魔 维普资讯 http:/ 2 2 3 Cr，8 3 6 W、0 2 O 畅V 该 种 钢 的回火时间一硬魇曲线如 图九所示 I，硬 -毫 I I_【0 ，r q 圈九3 Cr 2 W 8 V钢回 火时 闾和 硬 度 之间 的关 系 3 Cr 2 W 8 V 热处理后具有良好 的 耐 磨 性 和符合要求的热疲 劳强度。但这 样钢有许 多缺点：在冶金过程中钢材的工 艺性曲 低 热传导能力较低这是所有钨含量高的钢材 的特点。这将使模具在服役过程 巾 因温度 场不均 匀使模 具开裂特 别在2 0 05 范 围 内，传热能力 低而线膨 胀系 数高(1 5 5 x1 0 度I 1)，这是一种不利的结合。与含钨量 少的线膨胀系数低的钢材相比较，能产生更 高的热效力。3机械 加工工 艺过程 模具制造的机械加工是比较简单的操作 工 序 不适 当的机 械加工 巾可导 致 模 具 失 效。(1)与加工图纸不符、留有 尖角或不 适 当甑 圃角半径；(2)粗加工切 削中产生 深入表面 内 部的纹裂。造成应力集中的尖角(3)未能充分且均匀去掉软舳脱碳 表面可引起很多问题如a)不正确的表面 硬化，b j 在热处理中或在服径中由于过量的 残 余应力而开裂。4 锻造和热处理 A)锻造t 3 c r 2 W8 V 钢的始锻 与 终锻 温度范甩较小。实际加工时，很难将锻造温 度控制在此裁国 瓯因为霰锕在锻造中没有 仪器测试手既只能凭试验拉制如果终嫒 温度偏离、不 船获得细小 晶粒组 织 低于终 锻温度进行锻造时，晶粒不能破碎而产生晶 格歪扭，使 金属产生 加工硬 f l：继续 锻打 会 产生裂纹而这种裂纹大多产生在锻造比报 大的变径区内形成潜伏或一次性的锻造废 品华铝3 C r 2 WS y楼具毛坯外协 锻 造曾 对厂 般件作 抽检发现有潜伏裂纹 建议厂 检查部门对模具毛坯应作超声波探既 B)热处理。模具热处理不当是导致工具失效的一个 重要原因。对失效模具的研究总是由探讨其 热处理 操作 开始 (1)淬火前必须小心予热予热a)可以 降低导致在加热时开裂的热应力，b)提高在 随置 1 加热劐淬火温度的均匀博，c)减少模具 在较高 淬火温度下的暴露时间 (2)模具钢在 奥 氏体化时，对于过 热十分敏感 过热 I 起 晶粒长 大，正常的球 状碳化物变为多角网壮 严重者发生 晶界氧 化或初熔，形成过烧淬火时形成粗大马氏 体 和大量的残窘奥 氏体，导致模 具变脆 困为在服役应力作用下，使残留奥氏体 软点造成局部变形 并在 奥氏体与马 氏体交 界 处产生 应力集 中而导致开裂 (3)模具在淬火中应采用两个重要 的保护措施t n)当冷却剜一定温度时立即从 淬火液敢出。b)立即装入已加热 好 的 回 火 炉 极端违背这个规则，就等于安 全没有 回 火操作 因为 立 即同火是为 了安全 消除残 余 应力这种残余应力有时接近钢 的 抗 拉 强 度在淬火与回火之间任何延迟时间、或者 只是检查硬度也 可导 致开 裂 重复回火(两次回火)，是为了使模具 随内应力和显撒组织获得最佳状态。回火状态的硬度对模具钢的热疲劳性影 响很大。例如H1 3 钢处于HRC 4 8 的硬 度 永 平下时，与 最 低HR C 4 5秘 最 高HR C 配橱 比可获举犬热疲劳抗力这已 在 藐 们 对，1 维普资讯 http:/ 6 0 0 t 挤压机用 2 5 x 2 5 1 2 毫米方管 模 失 效 研 究 中得到验证。该 模 硬度 为 HRC5 0 5 1 时 模具服役 中阴模开 裂早期失效最 严重 后改为 阳模 回火态 硬 度 HR(4 9 5 O)，阴 模HR(4 7 4 8)，模具无开裂现象。因为 阳模工作状态主要受轴向压力，摩擦力比阴 模大得多，所以在保证足够的韧性下尽量 提高硬度!；l 增加耐磨性 胡模的工作状态 主要受张应力，钢的韧性要求大，硬度较阳 模为 低。-5 放 电加工厦磨削 A)淬硬模具采用放 电加工 后表面 耳产生一浅层来 回火马 氏体淬硬层 其下 是 一层 回火层这层含有显 徽裂纹的未 回火 马 氏体 白亮层，在应力 下将使 模具 在服役 中产生 严重的裂纹。因此在放 电加 工工 艺 之后采用a)模具在稍低于最后回火温度下 再次回火，以消除应力或者b)轻磨或抛光 可 以消除或减轻 白亮 层，然后 再次 回 火。B)磨 淬硬后韵模具在磨削过程中由于磨粒 的作用易产生模具钢强烈局部过热，形成非 常高的表面应力。任何正确淬火的模具也能 由于不正确盹磨削而开裂。通常磨削错误有1)过烧。由于磨削模具 表面过快，2)用钝的或用旧的砂轮磨削，3)用磨粒尺寸过细的砂轮磨削；4)冷却剂使胃 不 当 磨 削裂纹经常几乎看不 出来。来经发现 裂纹的横具教人使用，裂纹将扩犬直对模具 失规 磨削裂纹常常显示B)轻 磨削裂纹是在与 磨削方向成9 O 度的平行裂纹。b)重磨削裂纹 表现为 网状特征 如果采用完好的粗磨粒砂轮，以及适当 降瓤并采取合适的磨削量。模具的磨削就 投嗡疆难。B 在服役中的使用 由台适的优 质钢所制模具，并 经很好设 计热 处理和磨削 但 在服役中仍可 因机械 因素或不正确操作而过早失 效。固 为 挤 压 时，模 具是 处在特别严重的条件 下工作 曲 许 多机 械 因素造成模具失 效，如 偶然过 载，过分应力集中、模具装配调整间隙或定 位 不准 模 具与 挤压 筒 同心偏 差大等 等。许 多不正确操作造成 模具失效，如模 具 予热温度 超过 允许温度 上限，模具 服役 中换 模周期太长(一 般每套 模具 只挤0 5 1 吨铝 合金型材更换另壹套模具)。引起模具硬度 下降，热疲劳抗力下降。此外挤压中铝台 金坯料和挤压筒的予热温度及选用的挤压速 度等参数的相互匹配不台理，不正确而及时 修模等都 对模具寿命有很 大的 影响。只有研 究模具的使用 条件，才能 发现许 多模具的真实 原 因 四 结论(一)影响模具特性的 1 机 械设 计2 模具材 料的 选择、3 机械加工工 艺过程、4 锻造和热处理，5 放 电加工及磨 削、6 在服 役 中的使用 这六个要素 是相互 关联的。任 何 一个 因素产生的缺 陷都可导致 模具失 效。事实上，所有 模具失效都是 由上 述某 个、两 个 或更 多控 制条 件 不 当引起的 要 获得 满 意的模具特性 每个要素都应当适当权衡。(二)为挤压模 具选定钢号时，其 中最重 要的是耐磨性和韧性 同时获得最高的耐 磨性和韧性是不可能的。永远要综合考虑 H1 3(4 Cr 5 Mo S i V1)钢 属 于 铬系 列 钢。3 Cr 2 W s V钢 属于鹌系列 钢 所 以H1 3 钢 比3 Cr 2 W S V钢韧性，热冲击 性能 好J 耐 热裂 性能也高 热强瘦，红硬 性 比3 Cr 2 W 8 V 虽稍 差一些，但 还是相 当高的。小吨位的铝合金型材挤压 机(如6 0 0 t 挤 压机)，所用模具可选用3 Cr 2 W 8 V 钢 制作 而太吨位铝合 金 型 材 挤 压 机(如 2 3 5 0 t 和 1 6 3 t 挤压 机)所 用 模 具 可 选 用 HI 3 (4 cr 5 Mo S i V1)钢制作 维普资讯 http:/ 混合炉铝水质量配料、温度控制 姚 成 群 (丹江管理局铝厂)摘要 本文提出了铝冶炼混合炉铝水质量配料方法经长期实践证明能提高产品质量 前 言 在 园铝杆质量控制 和产 品质 量检 验中，混合炉铝水配料，温 度控制十分 重要。因园 铝 杆的电工 性能检验 抗 拉强度、伸长率，电阻率 等取决于 混合后 的铝水 配料质量，炉 温控制，铸坯结 晶轧杆 冷却 以及机 逮掌握 等铝水 配料质量 炉 温控 制起 主要作用。因此作者在长期的混台炉铝水 质 量 配 料 中 已摸索和整理 出混合炉铝水质量配料方 法t点槽计算，加废铁和加等外铝计算以及 炉温控制数据。裹 点槽计算方 法 点槽 根据 电解槽每天质 量 予 分 析 报告单，再结合混合炉的容积和电解槽当天抽铝任务 单，点出含硅量小，铁含量 比较 适应 不同 品位的 电解槽搭配在一起，通 过 配 料 计 算 以到得 预期 品位的 铝水 计算方 法 把选定的电解槽铁，硅百分杂质含量各 相加，然后备总和分别睬以相加槽数就得 出铁、硅平均含量。(要求 电解槽的抽铝量 应基本相同，方能保证点槽计算的准确性)电解捕 号 1 【5 T 9 1 1 1 3 i 1 5 1 7 1 9 品 位。AO。AO 0 A2 A 1 3 AO A 2 A0 0 A o 0 1 2 O 3 0 O2 7 0 5 7 0 2 1 O 曲 0 l O o 1 T 戢杂质 音量 弼 O 1 3 0 1 1 01 0 o 16 01 4 0 1 8 0 1 2 0 1 3 0 I l 0 i 3 硅杂质 音量 弼 根据点槽 计算方法将 上述 数据 整理如 下|铁 杂质含量相加的总和=2 3 9 呖 硅杂质含量相加 舳总和=1 3 1 嘶(三)研究铝台金型材 挤压 模 具 的失 效，有 2 个 目的。(1)从研究一些具体的事实判断 一个特定的问题根源：(2)对于已经找出根源的错误，制 然后 总和各睬以相加 的槽数。即 2 3 9 嘶1 0=O 2 3 9 嘶(平均铁含量)I 3 l 嘶 1 O=O I 3 1 嘶(平 均硅含量)这 时要 看点槽计算的铣硅平 均含量 定一个可以避免重复发生的工艺规程由于 模具设计制造和应用 中，存在许多经验主 义的东西 因此尽司能应用失效分析取得知 识，对提高铝台金型材挤压 模具的使用寿命 是非常有 益 的 参 考文献 l-里 籽希茯 斯米尔 诺夫 盘相学与 热处理 论立 粲 第一集。金属热 态变形 用 的锻 横锕爰其 热处 理规 范 2-M 3 叶尔曼诺克B N 费依金H A苏霍青柯夫 角音叠型材井压 3 轻 金属材 料加 工 手册。l辜 维普资讯 http:/