热挤压H13钢模具工作带划伤原因探讨

吕庆玉，邓玉臻

（山东丛林集团，山东 龙口 265705）

热挤压H13钢模具工作带划伤原因探讨

吕庆玉，邓玉臻

（山东丛林集团，山东 龙口 265705）

某H13钢挤压模具在连续挤压后，出现模具工作局部大面积划伤。通过开展模具调查和原因分析，确定模具损伤的原因是连续高温中速长时挤压后，模具工作带局部回火软化，硬度和耐磨性降低，发生粘着磨损划伤。针对此情况，提出五项改善措施并部分应用于此划伤模具，模具后续使用状态良好。

H13钢；挤压模具；划伤；回火

0 前言

在现代化的铝型材大量生产中，工模具对整个挤压过程有着十分重要的意义。挤压模具工作时直接与高温锭接触，同时承受高温、高压、剧烈摩擦等作用，工作条件极其恶劣，极易因磨损和疲劳而失效，这要求模具在使用过程中应注意过程控制，防止由于设备、工艺参数等变动导致模具失效[1]。

目前，国内铝型材挤压模具普遍采用H13钢（国内牌号为4Cr5MoSiV1）。经适当热处理，H13模具钢可获得优良的综合性能，具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性、抗热疲劳性和抗热振性等[2]，工作温度可达600℃，能很好满足挤压使用要求。某H13钢模具挤压数次后发现，上、下模的工作带出现较为严重的划伤情况，划伤集中在入口一侧，出口侧仍光亮，说明划伤情况的出现是一种局部现象。

1 模具划伤及调查

使用TH130里氏硬度计对出现划伤的模具的工作带部位和模具表面进行硬度检测，硬度分别为42HRC和48.9HRC。工作带硬度的检测部位为划伤部位后侧（图1中箭头所示位置），划伤部位硬度更低。因此，本次划伤主因是模具入口侧的局部硬度剧降导致模具热强性、耐磨性恶化所致。

图1 模具工作带严重划伤

针对模具工作带划伤情况，开展模具使用调查。数据显示（见表1），此模具入厂和出厂的过程检测检测均合格，使用过程中偶现轻微划伤，说明此模具划伤不是偶然现象。模具钢原材料、加工、使用和修整过程中必然有导致此问题出现的因素。

表1 损伤模具使用信息调查

划伤模具成分检测符合GB/T 24594-2009要求，原材料金相检测结果见图2。由图可见，50倍观察显示存在一定成分偏析，但无明显液析碳化物存在。500倍观察显示组织为典型的球化珠光体组织，原材料的组织形态整体尚可，符合北美压铸模金相标准NACDA 207-2003标准级要求，来自于材料本身的问题不突出。后因损伤模具经适当修整和处理后再次上机，未再取样检测。

图2 不同放大倍数下的划伤模具原材料金相

模具加工过程严格按照工艺执行，未出现加工错误。模具热处理采用德国辛普森真空气淬淬火炉和真空回火炉，热处理过程稳定，出厂硬度检测显示符合工艺要求（48±1HRC）。

对模具整个使用过程进行梳理，确认模具入口工作带硬度下降是在模具使用过程。模具修正过程未对模具工作带进行过焊补工作，排除焊接导致局部材料加热软化的可能。此模具为7000t挤压机用平面分流模具，具有较大的宽厚比（比值130），使用合金为6N01，成材长度30m左右。挤压时易出现压力高的情况，故选用高温中速挤压（530℃+4m/min）。前梁出口温度可达540℃以上，此状态下模具连续挤压21支长尺铝棒，挤压数量较多，时间较长（8h）。

综上分析，导致模具工作带划伤的原因是模具使用时由于高温中速连续挤压，导致模具工作带局部温升，超出模具钢的高温承受能力，回火软化，使模具钢硬度和耐磨性降低，被铝合金内的硬质颗粒划伤。

2 原因分析

模具钢的回火软化主要受材料本身的回火稳定性、服役环境的影响，其中服役环境对材料性能的影响更为主要。

回火稳定性是热作模具钢的主要性能之一，它反映了模具钢在高的工作温度下抵抗软化的能力，它关系到钢的高温硬度、高温强度及热疲劳抗力等，提高回火稳定性有助于延长模具的使用寿命。图3为某H13模具钢在不同温度下的回火稳定性示意图。可见温度越高，模具钢的高温稳定性越差。这是因为温度过高（大于600℃）时,H13钢因回火时析出以M7C3型为主的碳化物,导致马氏体含量降低，钢的硬度下降。因此模具钢选用时要重点关注回火稳定性，尤其是在长时间高温使用的情况下。

图3 回火至45 HRC的模具钢硬度随温度和时间变化曲线

模具服役过程中，模具工作带温升主要受两个方面的影响。一方面，铝合金与模具间的热传递和摩擦促使模具温度升高。根据热力学第二定律，当铝棒和模具存在温差时，热量会在合金锭和模具间传递。同时，铝棒又与模具表面摩擦产热，出现局部摩擦升温，此种情况易在高速挤压时出现，因此高速挤压时一般会降低铝棒温度来平衡模具温升。热传递和摩擦生热均会使模具温度呈上升趋势。另一方面，由于模具外表面直接与模套、模座等接触，发生热散失从而可使表面模温降低，加速模具内部热传递过程。如果散热良好，模具温升就较小，甚至会出现模温降低、挤压压力升高的情况。最佳的理想状态是模具温升与热量散失达到平衡，此时模具状态最佳，可实现连续挤压。

2.1 热传递

划伤模具上机前的预热温度在480℃～500℃之间，此温度下H13模具钢性能稳定，具有较好的综合性能。但是挤压过程中，由于铝棒加热温度较高（530℃），会有一部分热量经过热传递到模具。不考虑模具本身热量散失的情况下，铝合金和模具的接触面部位会因热传递出现一定的温升，但这种上升幅度有限，最高也就是接近铝棒温度。根据H13模具钢的回火稳定性曲线（见图3），仅铝棒向模具的热传递而言，其对H13钢性能的影响有限，在这种温度下模具钢性能短时间内不会出现大的波动。

2.2 摩擦温升

挤压过程中，由于铝料与模具间存在相对流动，摩擦生热，动能转化为热能，使模具与铝料接触面局部发生温升。在正向挤压过程中，金属流入模具到挤出过程中，会发生多次变形，其中以在工作带处的变形最为剧烈。当挤压速度较小（小于10m/min）时[3、4]，随剧烈变形的是工作带附近的剧烈摩擦。图4为工作带附近的金属相对流动和摩擦力分布情况。

图4 工作带处的金属相对流动和摩擦力分布

由图4可以发现，工作带入口和出口处的受力存在差异。入口处，金属料与模具在焊合室内存在相互摩擦，摩擦力分布较为均匀。金属料进入工作带后，由于流动受阻，模具所受正应力增加，摩擦力升高，在工作带长度方向呈递减趋势，因此入口处的摩擦最为剧烈，温升幅度最大。从摩擦力递减看，越靠近入口温升越大，随后逐步降低，这种温升特征与模具钢工作带划伤形貌相符。

摩擦导致的温升一般都是发生在接触面并通过热传递向模具内部和型材传递，根据摩擦状态和持续时间，瞬时温升在较大空间内波动，如模具工作带向外热传递效率小于局部产热效率，会产生较大的温升，导致模具在连续使用后发生回火软化。

3 改善措施

改善模具工作带划伤最为有效的手段是通过铝棒梯度加热和挤压工艺控制来保证挤压时模具温度稳定，即实现等温挤压。如因设备因素难以实现等温挤压，可从模具选材、模具氮化、模具冷却、挤压工艺调整和计划控制五个方面改善：

（1）从提高模具钢回火稳定性角度考虑，选用具备更优良回火稳定性的热作模具钢[5、6]，提高高温使用性能。H13钢是第二代性能优异的中温（≤600℃）热作模具钢，使用温度在600℃以内时能保持板条状马氏体组织，当回火温度高于650℃，模具马氏体形态逐渐消失，转变为回火马氏体，引起热强性的严重恶化。目前，性能更为优异的第三代热作模具钢早已投入商业运行，以UHB QRO 90 SUPREME钢为例，其回火稳定性能优异。当回火温度超过550℃，硬度逐渐下降，但下降速率低于H13钢。回火温度为650℃时，UHB QRO 90 SUPREME钢硬度为41HRC，而H13钢硬度则为36.5HRC，而且此钢成本与H13接近，具有较好的经济性。

（2）从模具工作带局部强化角度考虑，对模具进行氮化处理，以提高模具工作带硬度和耐磨性，减少摩擦。资料显示[8]，表面氮化处理可解决模子材料硬度和冲击韧性、断裂韧性的矛盾，提高模具的表面耐磨性。挤压时，铝合金因摩擦热使温度升高，摩擦面有颗粒状析出物产生，增大与模具工作带的摩擦。提高模具化合层内的含氮量可明显阻止析出物出现，从而减小了磨擦系数，进而减小工作带部位的摩擦程度，有助于减慢局部温升速率和平衡模具温度，降低模具短时使用时产生回火软化的概率。

（3）从平衡模具工作带温度的角度考虑，可对模具进行整体氮冷或工作带局部氮冷，降低模具工作带部位的温升。氮冷，不仅能有效降低模具温度，而且冷却后形成的氮气可包覆在型材表面，阻止型材表面氧化，提高型材表面质量。目前，为简化机加工，常用的是对模垫进行冷却[7]，更为理想的工艺趋向于在模具本体直接加工氮冷通道。通过模具氮冷可强化模具向外的热传递散热过程，使模具内部因局部摩擦导致的温度失衡得到有效改善。

（4）从降低模具局部温升角度考虑，调整挤压工艺，适当降低棒温和挤压速度，改善模具的摩擦状态，减少模具温升。资料显示[4]，模具工作带的摩擦情况主要受挤压速度影响，当速度较大时，随着挤压速度的增加，挤压压力升高，工作带部位（尤其是入口部位）的正应力相应增加，摩擦变得剧烈，产热与散热平衡被打破，热量积聚使工作带部位温度升高，此时若进行连续挤压，持续温升极易导致工作带局部回火软化，粘着磨损风险增加。与此台7000t挤压机相比，挤压吨位更大的8000t挤压机采用中温中低速（510℃+2m/min）生产类似断面（宽厚比更大，挤压比接近），连续挤压20多支30m长料，出口温度稳定在520℃左右，模具下机后工作带状态良好，未出现肉眼可辨的划伤。

（5）从减少模具高温挤压时间角度考虑，适当控制连续挤压数量，使模具接近但未达到回火软化临界点时结束挤压。此种方式主要与工艺有关，例如模具在高温中速挤压时，通过上棒数量控制，将模具温升控制在回火温度范围内，能很好保证模具状态。按照此方案，对经过抛光氮化的划伤模具进行挤压数量控制，在型材尺寸合格的情况下最多连续挤压10支棒。连续跟踪多次后，模具使用状态良好，未再发生工作带划伤情况，模具寿命明显提高。

根据实际情况，综合考虑并应用上述措施，能有效减少模具划伤情况，提高模具寿命，其中后两种措施易于实施和推行。

[1]刘静安，何梅琼，左耳福，等.推广国产优质模具钢促进铝挤压工业与技术发展[J].铝加工，2016(4):57-62

[2]李彩文，王孟君，武星星.H13模具钢的应用及发展[J].中国材料科技与装备，2009(4)：3-6

[3]彭必友，殷国富，傅建，蔡鹏。铝型材挤出速度对模具磨损程度的影响[J].中国有色金属学报，2007，17(9)：1453-1459

[4]傅建，彭必友,李军.铝型材挤出速度对模具工作带的影响[J].塑性工程学报，2005，12(3):27-30

[5]陈叙.提高铝型材模耐磨性的途径[J].铝加工，1995(3):27-32

[6]黄春峰.国外新型热作模具钢及其热处理工艺[J].航空精密制造技术，2004(3):89-93

[7]王福顺.铝合金挤压模的氮冷[J].轻合金加工技术，1995(7):20-22

[8]曾鸿俊，王柳明.挤压模具氮化处理[C].lw2004铝型材技术，2004

Discussion on Scratch of Bearing of H13 Steel Extrusion Die

LV Qing-yu，DENG Yu-zhen
（Longkou Conglin Aluminum Co.，Ltd.，Longkou 265705,China）

After continuous extrusion,a large area of scratch on the die land were found for H13 steel die.Through investigating and analyzing the causes,the reason for the damage of the die was that after continuous high temperature and medium speed extrusion,hardness and abrasive resistance had been decreased,thus adhesive wear scratch had occurred.Four improvement measures are put for⁃ward in view of this situation,some of the measures are applied and proven to be good use effect.

H13 steel;extrusion die;scratch;tempering

TG375+.4

A

1005-4898(2017)05-0056-05

10.3969/j.issn.1005-4898.2017.05.11

吕庆玉（1981-），男，山东省菏泽市人，主要从事铝合金挤压工艺研究。

2017－03－05