H13鋼制鋁合金擠壓模具失效原因技術分析

黃碧珍

（廣東省機械高級技工學校，廣東 廣州 510450）

一、鋁合金擠壓模具的主要失效形式

隨著鋁及鋁合金制品在民用建筑、汽車工業等許多方面的應用越來越廣泛，鋁合金擠壓工業得到了空前的發展。在2007年鋁材加工產量達到了1176萬噸，超過美國居世界第一。鋁合金擠壓模的工作條件十分惡劣，加上模具設計的好壞，模具材料選擇的差異，以及熱處理和表面強化處理的合理性等諸多因素，都可能直接影響模具的使用壽命。擠壓模具的失效形式主要有：磨損失效、塑性變形、疲勞損傷和斷裂。

圖1 送檢模具的外觀形貌

圖2 經4%硝酸乙醇溶液浸蝕后的金相組織

其中斷裂的形式有脆性斷裂、韌性斷裂、疲勞斷裂等。通常斷裂發生在模具型腔尖角處、凸臺懸臂處等。脆斷主要是材質問題或內部有缺陷，熱處理硬度過高，型腔形狀、工作帶厚度以及模具結構產生的應力集中等原因引起的。疲勞斷裂表象為模具表面龜裂，然后聚集擴展形成斷裂，內在原因是反復變化的拉、壓應力和熱應力引起的。韌性斷裂是由于材料太軟或工作溫度過高外界壓力過大造成的。所以，選擇模具制造材料非常嚴格，一般應具備高強度、高硬度、高耐熱性和良好的抗氧化穩定性、高沖擊韌性和斷裂韌性和良好的淬透性等。

模具的使用壽命跟很多因素相關，但其中模具材料是占主要的，模具失效原因經統計大致為:設計不合理占13%,材料存在問題占10%,熱處理產生的問題占60%,表面處理產生的問題占9%,其他原因占8%。由此可見模具材料的選用與處理方法最為重要。

二、H13鋼

目前常用鋼材是H13鋼。H13鋼是美國牌號的一種空冷硬化的熱作模具鋼，成分性能等同于中國鋼材4Cr5MoSiV1。H13鋼主要化學成可參見中國的GB標準來：C含量0.32～0.45，Si含量0.80～1.20，Mn含 量0.20～0.50，P含 量≤0.030，S含量≤0.030，Cr含量4.75～5.50，Mo含量1.10～1.75，V含量0.80～1.20。

正確熱處理時，H13鋼材由于增加了V元素，淬火時只有少量VC碳化物溶于奧氏體中，大部分VC碳化物并未溶于奧氏體中，這對細化奧氏體晶粒起到顯著作用，大大的提高了鋼的強韌性和熱穩定性，也有助于改善熱疲勞性能。而固溶于奧氏體中的V元素在淬火時又固溶于基體組織中，固溶強化基體組織。高溫回火時，V元素又以VC碳化物的形式從基體組織中析出，彌散分布于基體組織中，增加鋼的強度、硬度與耐磨性，產生二次硬化效應。但也削弱了基體組織的強度性能。正因為H13鋼具有較高的熱強性、耐磨性、韌性和耐熱疲勞性能，同時又具備較高的淬透性，尤其是空冷即可淬硬，淬火變形又小，所以H13鋼廣泛地用于擠壓模等。

三、案例

下面以一套鋁合金擠壓模具為例說明熱處理對模具壽命的影響。

通過檢查模具的整體外觀形貌，如圖1-（a）所示，模具開裂部位均發生在模芯與分流橋過渡的部位，如（a）圖箭頭所指；（b）圖為模具分流橋處開裂部位的局部放大圖像，裂紋如（b）圖箭頭所指。現對其進行金相組織分析。

在圖1-（b）中箭頭所指開裂部位切取縱向試樣，并制成金相分析試樣，按照中國國家標準“GB/T13298-1991金屬顯微組織檢驗方法”，對其進行冶金缺陷和金相組織評定。

1 冶金缺陷分析

試樣金相觀察磨面未經浸蝕的微觀形貌可發現（b）圖為（a）圖的局部放大圖像。由圖可見，材料中基本上為點粒狀非金屬夾雜物，尺寸與數量尚可。參照“GB/T10561-2005鋼中非金屬夾雜物顯微評定方法”,按標準評級圖評級，評定材料的非金屬夾雜物為D類細系2.0級。

2 材料金相組織分析

試樣金相觀察磨面經4%硝酸乙醇溶液浸蝕后的金相組織如圖2、3所示。其中（a）圖為模具的心部金相組織圖像，（b）圖為（a）圖的局部放大圖像；（c）圖為模芯與分流橋過渡處開裂部位的金相組織，（d）圖為（c）圖的局部放大圖像。模具材料的金相組織分析如下：

（1）鋼中金相組織為“回火馬氏體+少量殘余奧氏體+二次碳化物+少量液析碳化物”。

（2）鋼中馬氏體組織粗大。根據中國機械行業標準“JB/T8420-96熱作模具鋼顯微組織評級”，評定馬氏體等級為6級。表明材料存在過熱的組織缺陷。該組織缺陷與材料在熱加工過程（熱處理或鍛造）中存在超溫現象有關。材料組織粗大導致材料脆性增大，當模具表面形成裂紋，將迅速擴展而使模具開裂。

（3）模具表面存在明顯的脫碳現象。圖3-（c）箭頭所指方向從模具表面往心部垂直方向的硬度分布曲線。由圖可見，模具表面脫碳層深度達到0.8mm以上。模具表面脫碳導致模具表層強度下降。模具表面的脫碳組織缺陷是由于熱處理過程中未進行有效的保護而造成的。

（4）模具裂紋起源于模芯與分流橋過渡的R位處，裂紋沿晶界擴展，擴展方向如圖3-（d）箭頭所指。由于模具服役時該部位存在較大的應力集中，加上模具表面存在脫碳，強度較低，當工作應力超過材料強度時，模具即發生開裂。

綜上所述，模具材料組織粗大和表面存在嚴重脫碳是導致模具開裂的主要原因。

3 改進措施

（1）降低淬火溫度。淬火溫度應控制在1020℃～1050℃。

（2）熱處理時采用保護氣氛爐或真空爐。常用的保護氣氛有氫氣、氮氣、氨氣、丙烷、丁烷、甲醇、一氧化碳、丙烯等。

結語

由此可知，熱處理不當是模具失效的主要原因。作為從事模具行業的人員要想把模具做好、做精，那么僅僅懂得如何設計和制造模具是不夠的，還應當具備足夠的金屬知識和熱處理技術。

[1]李學忠.鋁合金擠壓型材平面分流組合模結構要素解剖與設計[OL].全國第十二屆輕合金加工學術交流會論文集.

[2]郝少祥.模具鋼選用速查手冊[M].北京：化學工業出版社，2009.