挤压铝材模具加温工艺,抚钢技术分享：铝挤压热作模具优质H13钢高温拉伸性能研究

　　原标题：抚钢技术分享：高质量H13钢高温拉伸性能研究铝挤压热模

　　作者：马 野， 冯淑玲， 牟 风， 燕 云， 康爱军(抚顺特种钢铁有限公司技术中心 ）

　　【摘要】阐述了铝挤压技术的发展和基本原理， 根据电炉，抚顺特钢＋电渣重熔、 高品质铝挤压热作模具采用优质H13钢制成，精快锻协同成才， 探讨了高质量H13钢铝挤压热作模具的高温力学性能。结果显示， 经过热处理后，优质H13钢的强度可达44～46HRC， 常温下抗压强度达到1,601N//mm 2 。结果显示， 经过热处理后，优质H13钢的强度可达44～46HRC， 常温下抗压强度达到1,601N//mm 2 。随着环境温度的升高， 当环境温度升至700℃时，优质H13钢的抗压强度降低， 高质量H13钢的抗压强度降至315N//mm 2 。按断口SEM分析， 高质量的H13钢拉伸试样断口为韧性断裂， 微孔集聚型破裂是一种微观外观， 表明高质量的H13钢基材具有很强的塑性变形能力。

　　关键字：铝挤压；高温特性；显微组织；扫描电镜

　　1 前言

　　铝质是一种广泛的地壳， 其中一个是储量更大的元素， 占地壳总重量的8.2%。人类使用的金属材料中， 铝的消耗量仅次于钢， 居第二位， 因而， 铝制工业已经成为现代社会的关键支撑产业之一。铝材料主要包括板材， 带、箔、 管、 棒、 型、 线、 锻造和粉末等， 在当代城市轨道上应用广泛， 车辆、 电子、 建筑物等领域。中国铝工业， 铝加工业蓬勃发展， 2018年，中国企业铝产量约为5,700万吨，占世界产量的59%， 位居世界**。

　　2 铝挤压介绍

　　铝挤压是铝材加工成形的关键方法， 中国是生产和消费铝挤压材料的强国， 铝挤压材料的生产和消费总量居世界**。

　　根据塑性变形原理，铝挤压技术， 使用装入冲压机的磨具， 根据模座和型腔对铝锭坯施加压力，使锭胚在一定速度下产生塑性变形，从而产生所需的外观， 具有一定物理性能的尺寸和零件。根据锭坯的加热温度， 挤压可以分为热挤压和冷挤压。热压是将锭坯加热至再结晶温度以上进行挤压， 常温下冷挤压应进行挤压。铝挤压技术及设备包括：溶炼， 挤压和挤压模具， 表层处理、 深度加工及各相关辅助设备。挤压是挤压材料生产的核心， 挤压机是关键设备， 磨具是基本工具 [1] 。

　　挤压铝型材时， 铝型材的性能和质量取决于铝型材的质量， 成本、 生产率和交货期， 因此，铝挤压模具的材料种类， 设计、 加工、 铝挤压行业的核心问题是热处理和规范使用。铝型材的挤压过程是一种高温， 高负荷加工工作过程， 铝挤压模具必须承担极其严格的适用范围：①铝挤压模具具有高温作用， 表面温度可达540℃；②不断加热和冷却铝挤压模表面， 引起热疲劳；③挤压铝合金， 较大的挤压压力可以达到800MPa以上， 磨具必须承受较高的缩小， 弯曲和剪切应力效果。

　　因此，铝挤压模具的应用材料应具有至少三个基本特性： ①在高温下具有很强的妥协强度和硬度， 进而具有良好的抗塑性变形能力；②良好的冲击韧性，对裂缝的建立和扩展有较好的抵抗力；③淬火抗力高， 不会因为长时间处于高温下而显著变软。综合上述规定， 合金铬系热作模具钢H13制造铝型材挤压磨具在国内外普遍使用， 使用体验更令人满意。在高温高压条件下，铝挤压模具应工作， 并且要承受周期负载的作用， 因此对于模具钢的技术性能很高，一般制造铝挤压模具的材料应具有较高的耐热性、热疲劳性， 热耐磨，韧性充足。3Cr2W8V钢制造铝挤压模具在中国早期经常使用， 但是它的韧性很低， 抗疲劳强度差， 即使采用高温淬火等技术处理对策，也不能满足要求， 磨具在使用过程中早期失效非常严重， 近几年来，H13钢已经被取代。 [2] 。H13钢与3Cr2W8V钢相比，具有以下两个突出特点：①具有良好的高温综合性能和较高的热疲劳抗力；②Cr含有较多的组织。、 在氮化处理过程中，Mo原素可以形成丰富稳定的氮化物，并且弥漫在各个地方。所以就铝挤压模具的使用寿命而言， 采用H13钢加工铝挤压模还是比较合适的。统计数据说明， 同样的铝挤压模具由H13钢和3Cr2W8V钢制成， 在后

　　3 高温力学性能

　　3.1 试验材料和样品

　　选用电炉＋对非金属夹杂物进行电渣重熔冶炼，减少成分偏析， 选用 2,000MN 快锻机开坯＋1,000MN精锻机成型工艺， 生产规格 ? 成品园钢200mm。钢淬火后的强度≤229HB， 其成分、非金属夹杂物和超声探伤符合技术标准。表2为优质 H13 钢材非金属夹杂物等级 （定级按 ASTME45规范检测) 。

　　从表2可以知道， 根据电炉＋LF＋VD＋电渣冶炼工艺生产的优质H13钢中各种杂质粗系为0级，氧化物， 1.0级硫酸盐参杂细节， 纯度符合要求。高品质H13钢的物理性能试件来源于园钢横截面的核心。试件尺寸为 ? 5mm长70mm (机器加工的圆形截面孔径标准公差为±0.05mm） ， 图1显示了试件的实际规格。

　　3.2 实验过程

　　检查室温拉伸性能，按GB/T228要求， 高温拉伸性能按GB/T4338要求测试。选择TH300型洛氏硬度计、INSTRON4483型电子拉力试验机和DDL150型高温拉力试验机来检验试件的强度和物理性能， 选择金相显微镜和EOX 18型扫描电子显微镜 （SEM） 观察和分析组织和断口的形状。

　　经过热处理后，优质H13钢试件， 硬度值做到44～46HRC。工作温度由厢式加热炉加热到所需温度，然后保持温度。 30min。实验温度分别为室温(25℃)、400℃、 550℃、 600℃、 650℃、 670℃、 700℃， 温度偏差在其中±3℃。

　　3.3 试验结果

　　表3提出了室温拉申和高温拉伸试验七个样品的结论， 根据试验结果，可获得高质量H13钢抗拉强度和抗压强度随温度变化规律，

　　从表3中的数据可以知道， 高质量的H13钢抗常温 拉 强 度 达 到 1,601N/mm 2 ， 相 比 3Cr2W8V 钢 的1,400N/mm 2 抗压强度较高。随着环境温度的升高， 随着高质量H13钢抗压强度的降低， 当工作温度超过600℃时， 强度降低，强度降低， 如果环境温度升至700℃， 高质量H13钢抗压强度降至315N///mm 2 。铝型材挤压过程中铝挤压模具具有高温作用， 表面温度可达540℃， 较大的挤压压力可达800N//mm 2 之上， 磨具必须承受较高的缩小， 弯曲和剪切应力效果。

　　一般在540℃以下服役的铝挤压优质H13钢， 本试验优质 H13 钢铁工作温度在 550℃时， 抗压强度达到1,200N//mm 2 ， 具有较高的韧性和耐热疲劳性， 能满足铝型材挤压过程中铝挤压模具必须承受的高温高压效果， 但是在600℃以上服役时， 它的热强度急剧下降 [3] 。优质 H13 钢在 在600℃环境下仍然有945N//mm 2 抗压强度， 高质量H13钢的高温力学性能保证了铝挤压模具在高温高压条件下具有较高的强度， 即使在600℃的高温下，仍然有一定的强度， 保证了铝挤压模具在挤压过程中的连续运行能力和可靠性。

　　4 显微组织

　　对高质量H13钢高温拉伸样品进行抛光， 1~2分钟内被4%硝酸酒精腐蚀， 使用金相显微镜观察其显微组织的500倍， 如图3所示。

　　经热处理后，优质H13钢的机构多为回火马氏体， 淬火托氏体及部分剩余渗碳体， 试件机构在不同服役条件下基本相同。高质量的H13钢在高温下服役， 具有较高的韧性和耐热疲劳性能。

　　5 分析断口SEM

　　根据SEM对高温拉伸样品的断口进行扫描， 图4、图5提出了从室温到600℃的优质H13钢拉伸试验的微观断口照片。

　　高质量的H13钢拉伸试样断口均为韧性断口， 大量塑性变形发生在材料破裂之前， 原来的晶体被拉长或粉碎，不再维持原来的大小， 样子， 断口呈灰色无光泽纤维。试样导致韧性断裂， 夹杂物夹杂在材料中， 沉淀相、晶界或其他塑性变形不连续处产生位错塞积， 造成应力， 从而逐渐产生微孔， 生长串联后破裂。同时， 拉伸试验在较高条件下进行， 金属基材变软， 晶体边界减弱等， 拉伸试样的断口形状表现出塑性破裂的趋势 [4] 。

　　当工作温度超过400℃时， 产生杯锥断口。在拉应力的影响下，光洁试件， 部分发生 “颈缩” ， 三向拉应力状态在颈缩区产生 [5] ， 产生微孔后， 伴随着应力的扩大， 微孔汇聚成微裂纹， 更终扩展到样品表面， 产生杯锥的特性。

　　分析试件微观断口的形状， 高品质H13钢拉伸样品为微孔集聚型破裂 [6] ， 外力作用下， 由于移动位置明显错位沉积， 在一些地区， 如缩颈处， 造成许多显微孔， 即“韧窝” ， 这种孔洞在切应力的影响下继续生长， 汇聚联接， 同时形成新的微小空间， 这就导致了所有材料的破碎。随着环境温度的升高， 断口的韧窝又大又深， 表明高质量的H13钢基材具有很强的塑性变形能力。

　　6 结果

　　（1） 根据电炉，抚顺特钢＋电渣重熔、 高质量的铝挤压模具采用高质量的H13钢制成精快锻协同成才。

　　（2） 优质 H13 钢经热处理后的强度可达到 44~46HRC， 常温下抗压强度达到1,601N//mm 2 。随着环境温度的升高， 随着高质量H13钢抗压强度的降低， 当环境温度升至700℃时， 高质量H13钢抗压强度降至315N///mm 2 。

　　（3） 经热处理后，优质H13钢的机构多为回火马氏体， 残留的淬火托氏体和部分渗碳体。

　　（4） 按断口SEM分析， 高质量的H13钢拉伸试样断口为韧性断裂， 微孔集聚型破裂是一种微观外观， 表明高质量的H13钢基材具有很强的塑性变形能力。(内容摘自模具加工)

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