抚顺特钢模具技术共享_铝挤压热作模具质量高H13钢高温拉伸性能研究

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

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介绍了铝挤压技术的发展和基本工作原理， 抚顺特钢通过电炉+电渣重熔， 精密锻联合成材生产优质铝挤压热作模具H13钢， 研究了铝挤压热作模具的优质H13钢的高温力学性能。结果表明， 优质H经热处理后，13钢的硬度可达44~46HRC， 在室温下，抗拉强度达到1，601N/mm 2 。结果表明， 优质H经热处理后，13钢的硬度可达44~46HRC， 在室温下，抗拉强度达到1，601N/mm 2 。随着环境温度的升高， 优质H13钢的抗拉强度降低到700℃时， 优质H13钢的抗拉强度降低到315N/mm 2 。通过断口SEM分析， 优质H13钢拉伸试样断口为韧性断裂， 微观形状属于微孔聚集断裂， 说明优质H13钢基体塑性变形能力强。

关键词：铝挤压；高温性能；显微组织；扫描电镜

1 引言

铝在地壳中分布更广， 储量更大的元素之一， 8.占地壳总重量.2%。在人类应用的金属材料中， 铝的消耗量仅次于钢， 居第二位， 因此， 铝业已成为现代社会的重要支柱产业之一。铝主要包括板， 带、箔、 管、 棒、 型、 线、 锻、粉等， 广泛应用于现代轨道交通， 汽车、 电子、 建筑等行业。中国铝工业、 铝加工业发展迅速， 中国企业铝产量约5700万吨，占世界产量的59%， 稳居世界**。

2 铝挤压简介

铝挤压是铝的主要加工成型方法， 中国是铝挤压材生产消费大国， 铝挤压材料的生产和消费总量居世界**。

根据塑性变形原理挤压， 使用安装在压力机上的模具， 铝锭坯通过凸模和凹模施加压力，使锭坯在一定速度下塑性变形，形成所需的形状 具有一定机械性能的尺寸和零件。根据锭坯的加热温度， 挤压可分为热挤压和冷挤压。热挤压是将锭坯加热到再结晶温度以上进行挤压， 室温下挤压冷挤压。铝挤压技术及设备包括：熔铸， 挤压挤压模具， 表面处理、 深加工及各种相关辅助设备。挤压是挤压材料生产的核心， 挤压机是其主要设备， 模具是主要工具[1]。

挤压铝合金型材时， 铝挤压模具的

性能和质量决定了铝型材的质量， 成本、 生产效率和交货期， 因此铝挤压模具的材料选择、 设计、 加工、 铝挤压行业的核心问题是热处理和正确使用。铝型材的挤压过程是一种高温， 高负荷加工作业过程， 铝挤压模具需要承受极其恶劣的使用条件：①铝挤压模具承受高温作用， 表面温度可达540℃；②铝挤压模表面反复加热冷却， 产生热疲劳；③挤压铝合金， 更大挤压压力8000MPa以上， 模具必须承受高压缩， 弯曲和剪切应力。

因此，适用于铝挤压模具的材料应至少具有三种基本性能： ①屈服强度和硬度高， 因此具有良好的抗塑性变形能力；②断裂韧性好，对裂纹的形成和扩展有很好的抵抗力；③高回火抗性， 长期处于高温环境下不会明显软化。综合上述要求， 中合金铬系热模具钢广泛应用于国内外H制造铝型材挤压模具， 使用效果令人满意。铝挤压模具在高温高压环境下工作， 并承受周期载荷的作用， 因此，模具钢的性能要求相当高，铝挤压模具的一般材料应具有较高的热稳

定性、热疲劳性、 热耐磨性和足够的韧性。三年前在中国常用Cr2W8V钢制铝挤压模具， 但韧性低， 抗疲劳强度差， 即使采用高温淬火等工艺处理措施也不能满足要求， 模具使用中的早期失效非常严重， 近年来已被H13钢取代[2]。与3Cr2W8V钢相比，H13钢具有以下两个突出特点：①高温综合性能好，热疲劳抗力高；②有更多的组织Cr、 Mo元素，氮化处理时能生成丰富稳定的氮化物并弥散分布。因此，就延长铝挤压模具的使用寿命而言， 选用H13钢加工铝挤压模具比较合适。统计数字表明， 用H13钢和3Cr2W8V钢制造同类铝挤压模具， 前者的使用寿命是后者的3~5倍。

3 高温机械性能

3.1 试验材料和试件

抚顺特钢热模H13的基础上， 适当调整C、 Cr、 Mo、 V等合金元素的含量， 优化冶炼加工工艺生产专用铝挤压模具H13 （见表1） 。

非金属夹杂物采用电炉+电渣重熔冶炼法控制，减少成分偏析， 采用 2,000MN 快锻机开坯+10000MN精锻机成型工艺， 生产规格 ? 200mm成品圆钢。退火后钢材的硬度≤229HB， 其化学成分、非金属夹杂物和超声波探伤符合相关标准。表2为优质 H13 钢的非金属夹杂物级别 （评级按 ASTME45标准检验） 。

从表2可以看出， 通过电炉＋LF＋VD+电渣冶炼工艺生产的优质H13钢中各种夹杂物粗系为0级，氧化物， 硫化物的夹杂细节为1.0级， 纯度符合要求。优质H13钢的力学性能试样取自圆钢横截面中心。试样尺寸为 ? 5mm长度70mm (机加工的圆截面直径公差为±0.05mm） ， 样品的具体尺寸如图1所示。

图1 拉伸试样

3.2 试验过程

按GB/T228规定检测室温拉伸性能， 按GB/T4338规定高温拉伸性能检测。采用TH300型洛氏硬度计，INSTRON4483型电子拉伸试验机DDL150型高温拉伸试验机测试样品的硬度和力学性能， 金相显微镜和EOX 18型扫描电子显微镜 （SEM） 观察分析组织和断口形态。

优质H13钢样经热处理后， 硬度值达到44~46HRC。环境温度由箱式加热炉加热到规定温度，然后保温 30min。试验温度依次为室温(25)℃）、400℃、 550℃、 600℃、 650℃、 670℃、 700℃， 温度偏差为±3℃。

3.3 试验结果

表3给出了7个样品的室温拉伸和高温拉伸试验结果， 根据试验结果得出高质量的结果H13钢屈服强度和抗拉强度随温度变化， 如图2所示。

图2 优质H13钢高温拉伸性能

从表3中的数据可以看出， 室温下质量高H13钢抗 拉 强 度 达 到 1,601N/mm 2 ， 相 比 3Cr2W8V 钢 的1,400N/mm 2 抗拉强度较高。随着环境温度的升高， 优质H降低了13钢的抗拉强度， 环境温度达到600℃以上时， 剧烈降低强度， 当环境温度升高到700时℃时， 优质H13钢抗拉强度降低至315N/mm 2 。铝型材挤压工艺铝挤压模具承受高温作用， 表层温度可达540℃， 更大挤压压力8000N/mm 2 以上， 模具必须承受高压缩， 弯曲和剪切应力。

铝挤压优质H13钢一般在540℃以下服役， 本实验优质 H13 钢环境温度为 550℃时， 1.2000抗拉强度N/mm 2 ， 强韧性和抗热疲劳性能较高， 铝挤压模具能满足铝型材挤压工艺所需的高温高压作用， 但在600℃在上述情况下服役时， 其热强度急剧下降[3]。优质 H13 钢在 600℃在条件下仍然有945N/mm 2 抗拉强度， 优质H铝挤压模具在高温、高压环境下具有较高的强度， 即使在600℃在高温环境下仍有一定的强度， 保证铝挤压模具在挤压过程中的连续工作能力和稳定性。

4 显微组织

将优质H抛光13钢高温拉伸样品， 经4%硝酸酒精腐蚀1~2分钟， 用金相显微镜在500倍下观察其显微组织， 如图3所示。

图3 优质H13钢显微组织 （500倍）

a — —1#室温拉伸试样 b — —2#400℃拉伸试样

c — —3#550℃拉伸试样 d — —4#600℃拉伸试样

优质H13钢经热处理后的组织主要是回火马氏体， 回火托氏体及部分剩余碳化物， 不同服务温度下的样品组织基本相同。优质H13钢在高温环境下服务， 强韧性和抗热疲劳性能较高。优质H13钢在高温环境下服务， 强韧性和抗热疲劳性能较高。

5 断口SEM分析

高温拉伸样品的断口通过SEM进行扫描， 图4和图5给出了高质量的产品H13钢由室温到600℃微观断口照片的拉伸试验。

图4 优质H13钢高温拉伸断面微观 （100倍）

a — —室温断口 b — —400℃断口

c — —550℃断口 d — —600℃断口）

图5 优质H13钢高温拉伸断面微观 （1000倍）

a — —室温断口 b — —400℃断口

c — —550℃断口 d — —600℃断口

优质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断裂前， 原晶粒被拉长或破碎，不再保持原尺寸， 形状， 断口呈灰色无光泽纤维状。样品产生韧性断裂， 夹杂物在材料内部， 位错塞积发生在沉淀相、晶界或其他塑性变形不连续的地方， 产生应力集中， 然后开始形成显微孔， 长大串联后破碎。样品产生韧性断裂， 夹杂物在材料内部， 位错塞积发生在沉淀相、晶界或其他塑性变形不连续的地方， 产生应力集中， 然后开始形成显微孔， 长大串联后破碎。 拉伸试验应在较高的温度下进行， 软化金属基体组织， 晶界弱化等， 拉伸样品断口形状呈塑性断裂趋势[4]。

环境温度达到400℃以上时， 形成杯锥形断口。在拉应力的作用下， 局部出现 “颈缩” ， 颈缩区形成三向拉应力状态[5]， 形成微孔后， 随着应力的增加， 微孔聚合成微裂纹， 更后扩展到样品表面， 形成杯锥特征。

从试样微观断口形貌分析， 优质H13钢拉伸试样微孔聚集断裂[6]， 在外力作用下， 由于强滑移位错积累， 当地， 如缩颈处， 产生许多显微孔， 即“韧窝” ， 在切应力的作用下，这种孔不断生长， 聚集连接， 同时产生新的微小空间， 更终导致整个材料断裂。随着环境温度的升高， 断裂的韧窝又大又深， 说明优质H13钢基体塑性变形能力强。

6 结论

（1） 抚顺特钢通过电炉+电渣重熔， 精密锻联合成材生产优质铝挤压模具H13钢。

（2） 优质 H13 加热后，钢的硬度可以达到 44~46HRC， 在室温下，抗拉强度达到1，601N/mm 2 。随着环境温度的升高， 优质H13钢的抗拉强度随之降低， 环境温度上升至700℃时， 优质H13钢抗拉强度降低至315N/mm 2 。

（3） 优质H13钢经热处理后的组织主要是回火马氏体， 回火托氏体及部分剩余碳化物。

（4） 通过断口SEM分析， 优质H13钢拉伸试样断口为韧性断裂， 微观形状属于微孔聚集断裂， 说明优质H13钢基体塑性变形能力强。

—The End—

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