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作者：馬 野， 馮淑玲， 牟 風(fēng)， 燕 云， 康愛(ài)軍(撫順特鋼有限公司技術(shù)中心) ）
文章已在《模具制造》月刊上發(fā)表，版權(quán)歸作者所有，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，謝謝！
介紹了鋁擠壓技術(shù)的發(fā)展和基本工作原理， 撫順特鋼通過(guò)電爐+電渣重熔， 精密鍛聯(lián)合成材生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋁擠壓熱作模具H13鋼， 研究了鋁擠壓熱作模具的優(yōu)質(zhì)H13鋼的高溫力學(xué)性能。結(jié)果表明， 優(yōu)質(zhì)H經(jīng)熱處理后，13鋼的硬度可達(dá)44~46HRC， 在室溫下，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1，601N/mm 2 。結(jié)果表明， 優(yōu)質(zhì)H經(jīng)熱處理后，13鋼的硬度可達(dá)44~46HRC， 在室溫下，抗拉強(qiáng)度達(dá)到1，601N/mm 2 。隨著環(huán)境溫度的升高， 優(yōu)質(zhì)H13鋼的抗拉強(qiáng)度降低到700℃時(shí)， 優(yōu)質(zhì)H13鋼的抗拉強(qiáng)度降低到315N/mm 2 。通過(guò)斷口SEM分析， 優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣斷口為韌性斷裂， 微觀形狀屬于微孔聚集斷裂， 說(shuō)明優(yōu)質(zhì)H13鋼基體塑性變形能力強(qiáng)。
關(guān)鍵詞：鋁擠壓；高溫性能；顯微組織；掃描電鏡
1 引言
鋁在地殼中分布最廣， 儲(chǔ)量最大的元素之一， 8.占地殼總重量.2%。在人類(lèi)應(yīng)用的金屬材料中， 鋁的消耗量?jī)H次于鋼， 居第二位， 因此， 鋁業(yè)已成為現(xiàn)代社會(huì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一。鋁主要包括板， 帶、箔、 管、 棒、 型、 線、 鍛、粉等， 廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代軌道交通， 汽車(chē)、 電子、 建筑等行業(yè)。中國(guó)鋁工業(yè)， 鋁加工業(yè)發(fā)展迅速， 2018年中國(guó)企業(yè)鋁產(chǎn)量約5,700萬(wàn)噸，占世界產(chǎn)量的59%， 穩(wěn)居世界第一。
2 鋁擠壓簡(jiǎn)介
鋁擠壓是鋁的主要加工成型方法， 中國(guó)是鋁擠壓材生產(chǎn)消費(fèi)大國(guó)， 鋁擠壓材料的生產(chǎn)和消費(fèi)總量居世界第一。
根據(jù)塑性變形原理擠壓， 使用安裝在壓力機(jī)上的模具， 鋁錠坯通過(guò)凸模和凹模施加壓力，使錠坯在一定速度下塑性變形，形成所需的形狀 具有一定機(jī)械性能的尺寸和零件。根據(jù)錠坯的加熱溫度， 擠壓可分為熱擠壓和冷擠壓。熱擠壓是將錠坯加熱到再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行擠壓， 室溫下擠壓冷擠壓。鋁擠壓技術(shù)及設(shè)備包括：熔鑄， 擠壓擠壓模具， 表面處理、 深加工及各種相關(guān)輔助設(shè)備。擠壓是擠壓材料生產(chǎn)的核心， 擠壓機(jī)是其主要設(shè)備， 模具是主要工具[1]。
擠壓鋁合金型材時(shí)， 鋁擠壓模具的性能和質(zhì)量決定了鋁型材的質(zhì)量， 成本、 生產(chǎn)效率和交貨期， 因此，鋁擠壓模具的材料選擇， 設(shè)計(jì)、 加工、 鋁擠壓行業(yè)的核心問(wèn)題是熱處理和正確使用。鋁型材的擠壓過(guò)程是一種高溫， 高負(fù)荷加工作業(yè)過(guò)程， 鋁擠壓模具需要承受極其惡劣的使用條件：①鋁擠壓模具承受高溫作用， 表面溫度可達(dá)540℃；②鋁擠壓模表面反復(fù)加熱冷卻， 產(chǎn)生熱疲勞；③擠壓鋁合金， 最大擠壓壓力8000MPa以上， 模具必須承受高壓縮， 彎曲和剪切應(yīng)力。
因此，適用于鋁擠壓模具的材料應(yīng)至少具有三種基本性能： ①屈服強(qiáng)度和硬度高， 因此具有良好的抗塑性變形能力；②斷裂韌性好，對(duì)裂紋的形成和擴(kuò)展有很好的抵抗力；③高回火抗性， 長(zhǎng)期處于高溫環(huán)境下不會(huì)明顯軟化。綜合上述要求， 中合金鉻系熱模具鋼廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外H制造鋁型材擠壓模具， 使用效果令人滿(mǎn)意。鋁擠壓模具在高溫高壓環(huán)境下工作， 并承受周期載荷的作用， 因此對(duì)模具鋼的性能要求相當(dāng)高，一般制造鋁擠壓模具的材料應(yīng)具有較高的熱穩(wěn)定性、熱疲勞性、 熱耐磨性和足夠的韌性。三年前在中國(guó)常用Cr2W8V鋼制鋁擠壓模具， 但韌性低， 抗疲勞強(qiáng)度差， 即使采用高溫淬火等工藝處理措施也不能滿(mǎn)足要求， 模具使用中的早期失效非常嚴(yán)重， 近年來(lái)已被H13鋼取代[2]。與3Cr2W8V鋼相比，H13鋼具有以下兩個(gè)突出特點(diǎn)：①高溫綜合性能好，熱疲勞抗力高；②有更多的組織Cr、 Mo在氮化處理過(guò)程中，元素能產(chǎn)生豐富穩(wěn)定的氮化物并擴(kuò)散分布。因此，就延長(zhǎng)鋁擠壓模具的使用壽命而言， 選用H13鋼加工鋁擠壓模具比較合適。統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明， 用H13鋼和3Cr2W8V鋼制造同類(lèi)鋁擠壓模具， 前者的使用壽命是后者的3~5倍。
3 高溫力學(xué)性能
3.1 試驗(yàn)材料和試件
撫順特鋼熱模H13的基礎(chǔ)上， 適當(dāng)調(diào)整C、 Cr、 Mo、 V等合金元素的含量， 優(yōu)化冶煉加工工藝生產(chǎn)專(zhuān)用鋁擠壓模具H13 （見(jiàn)表1） 。
非金屬夾雜物采用電爐+電渣重熔冶煉法控制，減少成分偏析， 采用 2,000MN 快鍛機(jī)開(kāi)坯+10000MN精鍛機(jī)成型工藝， 生產(chǎn)規(guī)格 ? 200mm成品圓鋼。退火后鋼材的硬度≤229HB， 其化學(xué)成分、非金屬夾雜物和超聲波探傷符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。表2為優(yōu)質(zhì) H13 鋼的非金屬夾雜物級(jí)別 （評(píng)級(jí)按 ASTME45標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)） 。
從表2可以看出， 通過(guò)電爐＋LF＋VD+電渣冶煉工藝生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)H13鋼中各種夾雜物粗系為0級(jí)，氧化物， 硫化物的夾雜細(xì)節(jié)為1.0級(jí)， 純度符合要求。優(yōu)質(zhì)H13鋼的力學(xué)性能試樣取自圓鋼橫截面中心。試樣尺寸為 ? 5mm長(zhǎng)度70mm (機(jī)加工的圓截面直徑公差為±0.05mm） ， 樣品的具體尺寸如圖1所示。
圖1 拉伸試樣
3.2 試驗(yàn)過(guò)程
按GB/T對(duì)室溫拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)， 按GB/T4338規(guī)定高溫拉伸性能檢測(cè)。采用TH300型洛氏硬度計(jì)，INSTRON4483型電子拉伸試驗(yàn)機(jī)及DDL150型高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試樣品的硬度和力學(xué)性能， 金相顯微鏡和EOX 18型掃描電子顯微鏡 （SEM） 觀察分析組織和斷口形態(tài)。
優(yōu)質(zhì)H13鋼樣經(jīng)熱處理后， 硬度值達(dá)到44~46HRC。環(huán)境溫度由箱式加熱爐加熱到規(guī)定溫度，然后保溫 30min。試驗(yàn)溫度依次為室溫(25)℃）、400℃、 550℃、 600℃、 650℃、 670℃、 700℃， 溫度偏差為±3℃。
3.3 試驗(yàn)結(jié)果
表3給出了7個(gè)樣品的室溫拉伸和高溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果， 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出高質(zhì)量的結(jié)果H13鋼屈服強(qiáng)度及抗拉強(qiáng)度隨溫度的變化規(guī)律， 如圖2所示。
圖2 優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸性能
從表3中的數(shù)據(jù)可以看出， 室溫下質(zhì)量高H13鋼抗 拉 強(qiáng) 度 達(dá) 到 1,601N/mm 2 ， 相 比 3Cr2W8V 鋼 的1,400N/mm 2 抗拉強(qiáng)度較高。隨著環(huán)境溫度的升高， 優(yōu)質(zhì)H降低了13鋼的抗拉強(qiáng)度， 環(huán)境溫度達(dá)到600℃以上時(shí)， 劇烈降低強(qiáng)度， 當(dāng)環(huán)境溫度升高到700時(shí)℃時(shí)， 優(yōu)質(zhì)H13鋼抗拉強(qiáng)度降低至315N/mm 2 。鋁型材的擠壓過(guò)程鋁擠壓模具承受高溫作用， 表面溫度可達(dá)540℃， 最大擠壓壓力8000N/mm 2 以上， 模具必須承受高壓縮， 彎曲和剪切應(yīng)力。
鋁擠壓優(yōu)質(zhì)H13鋼一般在540℃以下服役， 本實(shí)驗(yàn)優(yōu)質(zhì) H13 鋼環(huán)境溫度為 550℃時(shí)， 1.2000抗拉強(qiáng)度N/mm 2 ， 強(qiáng)韌性和抗熱疲勞性能較高， 鋁擠壓模具能滿(mǎn)足鋁型材擠壓工藝所需的高溫高壓作用， 但在600℃以上情況下服役時(shí)， 其熱強(qiáng)度急劇下降[3]。優(yōu)質(zhì) H13 鋼在 600℃在條件下仍然有945N/mm 2 抗拉強(qiáng)度， 優(yōu)質(zhì)H鋁擠壓模具在高溫、高壓環(huán)境下具有較高的強(qiáng)度， 即使在600℃在高溫環(huán)境下仍有一定的強(qiáng)度， 保證鋁擠壓模具在擠壓過(guò)程中的連續(xù)工作能力和穩(wěn)定性。
4 顯微組織
將優(yōu)質(zhì)H拋光13鋼高溫拉伸樣品， 4%硝酸酒精腐蝕1%~2分鐘， 用金相顯微鏡在500倍下觀察其顯微組織， 如圖3所示。
圖3 優(yōu)質(zhì)H13鋼顯微組織 （500倍）
a — —1#室溫拉伸試樣 b — —2#400℃拉伸試樣
c — —3#550℃拉伸試樣 d — —4#600℃拉伸試樣
優(yōu)質(zhì)H13鋼經(jīng)熱處理后的組織主要為回火馬氏體、 回火托氏體及部分剩余碳化物， 不同服務(wù)溫度下的樣品組織基本相同。優(yōu)質(zhì)H13鋼在高溫環(huán)境下服務(wù)， 強(qiáng)韌性和抗熱疲勞性能較高。優(yōu)質(zhì)H13鋼在高溫環(huán)境下服務(wù)， 強(qiáng)韌性和抗熱疲勞性能較高。
5 斷口SEM分析
高溫拉伸樣品的斷口通過(guò)SEM進(jìn)行掃描， 圖4和圖5給出了高質(zhì)量的產(chǎn)品H13鋼由室溫到600℃微觀斷口照片的拉伸試驗(yàn)。
圖4 優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸斷面微觀 （100倍）
a — —室溫?cái)嗫?b — —400℃斷口
c — —550℃斷口 d — —600℃斷口）
圖5 優(yōu)質(zhì)H13鋼高溫拉伸斷面微觀 （1000倍）
a — —室溫?cái)嗫?b — —400℃斷口
c — —550℃斷口 d — —600℃斷口
優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣斷口均為韌性斷口， 大量塑性變形發(fā)生在材料斷裂前， 原晶粒被拉長(zhǎng)或破碎，不再保持原尺寸， 形狀， 斷口呈灰色無(wú)光澤纖維狀。樣品產(chǎn)生韌性斷裂， 夾雜物在材料內(nèi)部， 位錯(cuò)塞積發(fā)生在沉淀相、晶界或其他塑性變形不連續(xù)的地方， 產(chǎn)生應(yīng)力集中， 然后開(kāi)始形成顯微孔， 長(zhǎng)大串聯(lián)后破碎。樣品產(chǎn)生韌性斷裂， 夾雜物在材料內(nèi)部， 位錯(cuò)塞積發(fā)生在沉淀相、晶界或其他塑性變形不連續(xù)的地方， 產(chǎn)生應(yīng)力集中， 然后開(kāi)始形成顯微孔， 長(zhǎng)大串聯(lián)后破碎。 拉伸試驗(yàn)應(yīng)在較高的溫度下進(jìn)行， 軟化金屬基體組織， 晶界弱化等， 拉伸樣品斷口形狀呈塑性斷裂趨勢(shì)[4]。
環(huán)境溫度達(dá)到400℃以上時(shí)， 形成杯錐形斷口。在拉應(yīng)力的作用下， 局部出現(xiàn) “頸縮” ， 頸縮區(qū)形成三向拉應(yīng)力狀態(tài)[5]， 形成微孔后， 隨著應(yīng)力的增加， 微孔聚合成微裂紋， 最后擴(kuò)展到樣品表面， 形成杯錐特征。
從樣品微觀斷口形態(tài)分析， 優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣微孔聚集斷裂[6]， 在外力作用下， 由于強(qiáng)滑移位錯(cuò)積累， 當(dāng)?shù)兀?如縮頸處， 產(chǎn)生許多顯微孔， 即“韌窩” ， 在切應(yīng)力的作用下，這種孔不斷生長(zhǎng)， 聚集連接， 同時(shí)產(chǎn)生新的微小空間， 最終導(dǎo)致整個(gè)材料斷裂。隨著環(huán)境溫度的升高， 斷裂的韌窩又大又深， 說(shuō)明優(yōu)質(zhì)H13鋼基體塑性變形能力強(qiáng)。
6 結(jié)論
（1） 撫順特鋼通過(guò)電爐+電渣重熔， 精密鍛聯(lián)合成材生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)鋁擠壓模具H13鋼。
（2） 優(yōu)質(zhì) H13 加熱后，鋼的硬度可以達(dá)到 44~46HRC， 在室溫下抗拉強(qiáng)度達(dá)到1,601N/mm 2 。隨著環(huán)境溫度的升高， 優(yōu)質(zhì)H降低了13鋼的抗拉強(qiáng)度， 環(huán)境溫度上升至700℃時(shí)， 優(yōu)質(zhì)H13鋼抗拉強(qiáng)度降低至315N/mm 2 。
（3） 優(yōu)質(zhì)H13鋼經(jīng)熱處理后的組織主要是回火馬氏體， 回火托氏體及部分剩余碳化物。
（4） 通過(guò)斷口SEM分析， 優(yōu)質(zhì)H13鋼拉伸試樣斷口為韌性斷裂， 微觀形狀屬于微孔聚集斷裂， 說(shuō)明優(yōu)質(zhì)H13鋼基體塑性變形能力強(qiáng)。
—The End—
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