影響鋁型材擠壓模具壽命因素的分析

王澤寧，孫金全，崔洪芝，李輝平，李保民

(1.山東科技大學材料科學與工程學院，山東青島 266590; 2.山東博特精工股份有限公司，山東濟寧 272073)

影響鋁型材擠壓模具壽命因素的分析

王澤寧1，孫金全1，崔洪芝1，李輝平1，李保民2

(1.山東科技大學材料科學與工程學院，山東青島 266590; 2.山東博特精工股份有限公司，山東濟寧 272073)

在鋁合金建材與工業(yè)型材生產(chǎn)中，延長擠壓模具壽命是提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。本文綜述了鋁合金擠壓模具的失效形式，并從模具材料選擇、模具設計、模具熱處理與模具滲氮方面分析了影響鋁合金模具壽命的各個因素。

鋁型材;模具壽命;模具失效;熱處理;滲氮

鋁合金具有輕質(zhì)、高強度和優(yōu)良的耐腐蝕性能，使其在民用建材、工業(yè)型材、航天航空領域廣泛使用。模具是鋁合金產(chǎn)生擠壓變形和傳遞擠壓力的關(guān)鍵部件，由于其復雜的結(jié)構(gòu)，高的尺寸精度及工作服役時復雜的應力狀態(tài)。模具質(zhì)量也將直接影響產(chǎn)品的形狀、尺寸、表面質(zhì)量以及內(nèi)部組織等［1］。當今社會鋁合金建材門檻低，競爭激烈，鋁合金工業(yè)型材附加值高，模具投入量大，國內(nèi)對鋁合金擠壓模具的結(jié)構(gòu)設計、制造加工以及表面處理工藝技術(shù)都存在不足，導致模具產(chǎn)量和壽命很低，因此提高模具壽命具有重要的現(xiàn)實意義。目前我國鋁擠壓模具技術(shù)已有長足進步，但與國際先進水平仍有一定差距，在我國鋁材擠壓行業(yè)中，模具的一次上機成功率只有50%左右，模具的使用壽命普遍較低，僅為國際先進水平的1/3左右［2-3］。擁有理想表面質(zhì)量的擠壓型材與模具的使用壽命是相互關(guān)聯(lián)的，與生產(chǎn)過程的經(jīng)濟效益密切相關(guān)。而模具的壽命主要依賴于模具的設計、材料的選用、熱處理、服役過程的工藝參數(shù)選擇［4］。模具的表面處理也是保證模具使用壽命的重要環(huán)節(jié)，對實現(xiàn)鋁型材產(chǎn)品高效、優(yōu)質(zhì)、低能耗生產(chǎn)具有重要意義。本文針對擠壓模具設計、模具材料、熱處理工藝以及表面滲氮強化方面，分析其對模具壽命的影響，以期為鋁合金模具設計和熱處理提供理論依據(jù)。

1 影響鋁型材擠壓模具壽命的因素及其失效形式

鋁型材擠壓模具的壽命是綜合性的技術(shù)問題，它涉及到模具設計、模具材料、制造加工、熱處理、表面處理、擠壓工藝、模具修理以及模具科學管理諸多方面［5］。鋁合金擠壓模具失效形式主要為疲勞斷裂、磨損、塑性變形三大類。A.F.M.Arif等人對不同形狀的H13鋼鋁型材擠壓模具失效機制進行統(tǒng)計，其中三大失效形式所占百分比如圖1所示［6］，斷裂失效所占比例最高，其次是磨損失效和塑性變形。

圖1 擠壓模具失效形式統(tǒng)計Fig.1 The statistics of failure form of extrusion die

疲勞斷裂是擠壓模具失效的首要機制，它常發(fā)生在模具高應力集中區(qū)，例如尖角處、加工刀痕處［7］。圖2為模具的熱裂失效圖片，服役過程中由于高溫表面和冷的芯部之間產(chǎn)生很高的溫度梯度，將在表層產(chǎn)生很高的壓應力，引起彈塑性變形。在尖角處將形成更高的溫度梯度，產(chǎn)生更高的壓應力和張應力，應力超過表面材料的局部屈服強度和極限抗拉強度，再循環(huán)載荷的沖擊下產(chǎn)生疲勞，最終導致裂紋的成核與擴展［8-9］。

圖2 擠壓模具熱裂失效形式Fig.2 The failure form of thermal crack of the extrusion die

擠壓模具第二大失效模式是磨損失效，由于熱擠壓變形時的變形率較大，金屬坯料塑性變形時的金屬流動，對模具型腔表面產(chǎn)生劇烈的摩擦，引起磨損失效。通常坯料在爐內(nèi)預熱時表層容易發(fā)生高溫氧化，形成堅硬的Al2O3膜層［6］。工作時堅硬的膜層很容易磨損剝落形成硬質(zhì)顆粒，使得坯料與模具表面之間發(fā)生嚴重的磨粒磨損。磨損使得模具工作帶材料緩慢剝落，對模具表面粗糙度和尺寸公差產(chǎn)生很大影響。如果坯料與模具接觸表面的局部壓力和溫度過高，擠壓速度不合理，以及模具的尺寸和表面粗糙度不滿足要求，工作時都將造成模具表面劇烈磨損。研究發(fā)現(xiàn)滲氮模具鋼表層的磨損機制是裂紋、材料粘著轉(zhuǎn)移［10］，以及剝層、磨粒和長周期疲勞磨損［11］。

擠壓過程中的變形功熱效應、摩擦等產(chǎn)生的溫升，使模具局部的工作溫度進一步升高。在長時間的高溫作用下，金屬與模具間的摩擦狀態(tài)惡化，模具的強度降低，于是塑性變形就可能發(fā)生。塑性變形常發(fā)生在模具表面承受過高的壓力和溫度，以及長時間接觸的區(qū)域，一旦接觸壓力產(chǎn)生的應力值超過模具材料的局部熱屈服強度，將引發(fā)塑性變形［12］。模具的溫升速率與模具和坯料起始溫度，接觸壓力和時間，模具材料和表面處理狀態(tài)有關(guān)［13］。

2 鋁型材擠壓模具材料選擇

在精密鋁型材的生產(chǎn)中模具材料的選擇是重要的因素，而且對模具壽命和成本都至關(guān)重要。模具材料應具備好的塑韌性、疲勞強度、淬透性;其次硬度、切削性能、磨拋性能、尺寸穩(wěn)定性能也是需要考慮的因素。AISI H13鋼是目前國內(nèi)外廣為應用的鋁合金擠壓模具材料，也是廣泛使用的熱作模具鋼材料。它具有較高的屈服強度、高溫抗蠕變性，好的回火穩(wěn)定性、耐化學腐蝕性、強韌性和延展性，且價格適中，表1為H13鋼的主要化學成分。

表1 H13鋼化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition of H13 steel(ω，%)

國產(chǎn)H13鋼的強度、韌性及其等向性均與進口H13鋼存在差距，非金屬夾雜、帶狀偏析、液析亞穩(wěn)定共晶碳化物是影響國產(chǎn)H13鋼性能的主要冶金缺陷。H13鋼屬于過共析合金鋼，組織中存在的冶金缺陷主要有成鋒利多角的大塊狀、排列成鏈、堆集成帶或網(wǎng)狀的白亮共晶碳化物(如圖3(a))和成堆集狀和短鏈狀的非金屬夾雜物(如圖3(b))，這在很大程度上降低了模具鋼的強度、韌性及熱疲勞抗力。生產(chǎn)中常采用鍛造技術(shù)來消除或減輕鋼錠這些內(nèi)部缺陷，而鍛造比的選取對減少缺陷尤為重要，如果鍛造比不合理將影響晶粒尺寸的均勻性(如圖3(c))。H13鋼在冶煉后澆成鑄錠時，因成分偏析會導致組織偏析，鑄錠經(jīng)過鍛造和軋制，形成碳與合金元素貧化帶和富化帶交替分布的帶狀組織(如圖3(d))。值得注意的是成分偏析造成退火組織中帶狀的碳化物偏析，這又會遺傳到淬火態(tài)及回火態(tài)組織中，最終對H13鋼的綜合性能，尤其是沖擊韌性造成了很大的影響［14］。因此必須通過改進H13鋼的冶煉方法和鍛造工藝來保證模具鋼的用材需求。

(a)共晶碳化物;(b)非金屬夾雜物;(c)晶粒尺寸不均勻;(d)帶狀組織圖3 H13鋼顯微組織缺陷(a)eutectic carbide;(b)non metallic inclusions;(c)grain size is not uniform;(d)banded structureFig.3 The microstructure defects of H13 steel

3 模具設計與模具加工

模具設計存在缺陷為模具的早期報廢埋下了隱患，甚至不能投入使用，導致產(chǎn)品缺陷及極低的生產(chǎn)率。模具設計和機加工，以及熱處理工藝與模具的殘余應力密切相關(guān)。模具設計時考慮的因素主要有模孔型腔的斷面形狀，工作帶的形狀和深度，止推角和促流角的大小，型腔在模具端面的位置等［15］。由于模具成形結(jié)構(gòu)工藝性的要求，在模具結(jié)構(gòu)上會存在截面突變、凹槽、尖角、圓角半徑等，這些區(qū)域極易產(chǎn)生應力集中，形成裂紋并導致斷裂失效。如圖4為鋁合金擠壓模分流橋根部斷裂失效位置，圖5為其等效應力和疲勞壽命模擬分析，可以明顯看出分流橋根部等的應力很集中、應力值相對其它區(qū)域明顯更高，疲勞壽命值明顯更低。因此，在模具結(jié)構(gòu)設計時，應該特別注意過度曲率半徑的設計，適當增大模具圓角半徑、減小凹模深度和尖角數(shù)量、盡量避免截面突變。

圖4 擠壓分流模的斷裂失效位置Fig.4 Breakage position of extrusion divergent die

圖5 (a)模具三維輪廓形貌圖;(b)斷裂部位的應力模擬分析;(c)疲勞壽命模擬分析Fig.5 (a)3-D profile appearance map of the die;(b)the simulation analysis of stress at the breakage position;(c)the simulation analysis of fatigue life

車削加工模具型腔時，進刀過深形成的刀痕將成為應力集中的部位，淬火時極易萌生微裂紋(如圖6(a))，后續(xù)服役時裂紋進一步擴展而導致模具開裂失效。所以進行機加工時，粗加工后必須留有一定尺寸余量的半精加工和精加工進給量。電火花加工時，表層由于受熱影響嚴重，以致產(chǎn)生過熱和重熔現(xiàn)象。表層重新淬火、冷卻時各層間由于組織轉(zhuǎn)變的應力較大，因此沿熱擴散方向容易產(chǎn)生裂紋，同時熔凝層(如圖6(b))與基體結(jié)合力低，易于脫落。所以模具經(jīng)電火花加工后應重新回火，以消除內(nèi)應力。磨削加工時如果磨削熱控制不當，使得表層溫升過快過高，直至重新奧氏體化隨后冷卻，這樣極易使得表層產(chǎn)生很高的熱應力和組織應力，造成模具表面產(chǎn)生磨屑裂紋。

圖6 模具加工時表面形成的裂紋和白亮層Fig.6 The quenching crack and white layer on the surface in die machining

4 鋁型材擠壓模具的熱處理

熱處理不當占模具早期失效的相當比重，一般H13鋼都要經(jīng)過預備熱處理、淬火及回火，其中每個工藝環(huán)節(jié)對改善其組織，提高性能和保證模具壽命都至關(guān)重要。

4.1 預備熱處理工藝

H13鋼鍛后，在球化退火前加正火處理，可以細化組織，使偏析和網(wǎng)狀碳化物結(jié)構(gòu)得到改善，碳化物的球化率也提高，正火溫度為1020℃時效果良好。研究表明對成分偏析且鍛造不足的H13鋼進行擴散退火加球化退火預先熱處理，能更有效改善其金相組織，較大幅度提高材料的沖擊韌性［16］。

4.2 淬火工藝

H13鋼合金元素含量高，導熱性差，加熱時模具表面和中心會產(chǎn)生較大溫差，熱應力過大易導致淬火變形和開裂。為了防止模具畸變并有效促進奧氏體化，淬火加熱前需進行分級預熱，然后再升至奧氏體化溫度。采用下限淬火溫度則韌性好，采用上限淬火溫度則硬度和強度好，通常淬火溫度范圍為1020～1080℃［17］。若淬火溫度過低，碳化物溶解少，基體中碳與合金元素溶解不足，導致硬度低、高溫性能差。淬火溫度過高，導致晶粒粗大，殘余奧氏體增多，斷裂韌度下降［18］。奧氏體化不充分易造成合金碳化物粗大(如圖7(a))，嚴重影響模具鋼的強韌性。

4.3 回火工藝

根據(jù)H13模具鋼的工作條件及硬度要求選擇回火溫度。H13鋼的硬度隨著回火溫度的升高先增加后減小。400℃以下，硬度隨回火溫度升高而增高;550℃以上，硬度隨回火溫度升高而降低［19］。要注意由于Cr、C等原子的復合偏聚區(qū)的形成，使H13鋼在520℃左右回火時出現(xiàn)二次硬化效應［20-21］，從而影響模具的沖擊韌性。H13鋼經(jīng)350℃左右中低溫回火，芯部可以具有更好的強韌配合和熱疲勞性能，同時又不出現(xiàn)蘭脆現(xiàn)象［22］。研究發(fā)現(xiàn) H13鋼經(jīng)1050℃淬火后，再在560～600℃回火2 h，可使其力學性能達到最佳的使用范圍(48～52 HRC)，強韌性較好［23］。應當注意回火溫度過高時，未融碳化物聚集長大，F(xiàn)e3C的析出，合金元素向晶界偏聚，導致沿晶界形成黑色網(wǎng)狀物質(zhì)［20］(如圖7(b))，裂紋將沿晶界處進一步擴展形成較長的裂紋(如圖7(c))，這將會嚴重影響熱作模具鋼的使用壽命。

(a)碳化物粗大;(b)晶界形成黑色網(wǎng)狀物質(zhì);(c)較長的裂紋圖7 H13鋼熱處理顯微組織缺陷(a)coarse carbide;(b)black mesh particles formed at the grain boundary;(c)longer crackFig.7 The microstructure defects of H13 steel after heat treatment

5 鋁型材擠壓模具滲氮

對H13鋼模具進行表面強化處理，可以改變模具表面的成分和組織，進而提高材料表面的硬度、耐磨性、耐蝕性、抗粘結(jié)等性能，而且能使模具的芯部保持足夠好的強韌性，提高模具的綜合性能、充分發(fā)揮材料的潛力、降低生產(chǎn)成本，達到提高模具壽命和經(jīng)濟效益的目的。H13鋼模具表面處理技術(shù)有化學熱處理包括離子滲氮、N-C共滲、S-N-C共滲及多元共滲、高能束表面處理、表面膜層的形成有化學氣相沉積，電鍍、濺射等［24］。采用化學鍍NiP合金后，再進行適當?shù)臅r效來強化工作帶，可以帶來良好的效果［25］。Yucel Birol在研究 CrN、AlCrN 和 AlTiN 涂層對H13鋼鋁擠壓熱作模具的滑動磨損性能時發(fā)現(xiàn)，AlTiN涂層有優(yōu)越的耐磨性能［26］。氣體滲氮是生產(chǎn)中常用的成本低、可靠性好、操作簡單的模具鋼表面處理方法，滲氮處理后在鋼的表層獲得具有一定厚度和性能的氮化組織。

滲氮鋼的表層組織由化合物層(通常也稱白亮層)和擴散層組成(如圖8(a))。滲氮層中合金元素如Mo、V、Cr與氮有很強的親和力形成合金氮化物，合金氮化物的類型、分布、數(shù)量維持著鋼表面的力學性能，可顯著提高鋼表面的硬度和疲勞強度。H13鋼晶粒一般在10～30 um(如圖8(b))，H13鋼氣體滲氮擴散層為滲氮索氏體組織。滲氮溫度過高會導致γ'相和合金氮化物沿晶界粗化聚集(如圖8(c))，降低了彌散度，這會使得晶界弱化，造成滲氮層硬度明顯下降。氣體滲氮時如果氮原子沿晶界擴展形成網(wǎng)狀、波紋狀、針狀氮化物，其脆性大、韌性差，影響模具表面的耐沖擊和耐磨性能。研究發(fā)現(xiàn)滲氮層中沿晶界沉積的氮化物是模具表層裂紋起源的潛在因素［27，10］，在此處極易產(chǎn)生應力集中，裂紋延晶界萌生、擴展最終導致模具表層崩刃開裂。所以在生產(chǎn)中應采用合理的滲氮工藝參數(shù)盡量避免這種滲氮缺陷。

化合物層有良好的機械性能，但是其形成、增長機制和其晶體學取向關(guān)系仍然是一個正在探索的熱門課題［28］，它的存在對模具壽命的影響也眾說紛紜。彭文屹等［29］研究離子滲氮化合物層對H13鋼熱疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)單純從熱疲勞性能方面來看，高硬度和高強度的化合物層能推遲熱疲勞裂紋的萌生，在一定程度上可以阻止熱裂紋向基體內(nèi)部擴展。但是熱裂紋一經(jīng)產(chǎn)生，在化合物層表面擴展較快，導致化合物層容易剝落?；衔飳泳哂泻玫哪湍バ?、耐腐蝕性及抗粘結(jié)性優(yōu)勢，它的存在可以阻止模具表面與熱的擠壓鋁發(fā)生高溫化學反應。

圖8 H13鋼晶粒尺寸及滲氮層組織Fig.8 The grain size of H13 steel and the microstructure of nitriding layer

由于化合物層的高硬度和脆性，如果承受很高的機械壓力很容易造成化合物層裂紋和剝落。模具工作帶的化合物層常會在高溫擠壓過程中由于磨損而減少消失，造成模具精度下降，進而影響到模具壽命和被加工擠壓產(chǎn)品的尺寸精度。硬度高的亮白氮化層厚度會出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，如果出現(xiàn)突起，而在擠壓過程中這些突起就會被優(yōu)先磨損掉，磨損掉的硬質(zhì)顆粒會對模具表面產(chǎn)生犁削的作用，從而加速模具的磨損，將對產(chǎn)品表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

許多研究已證實化合物層主要由ε相(Fe2-3N)和γ'相(Fe4N為基的固溶體)或兩相的混合ε+γ'構(gòu)成?；衔飳訉μ岣吣＞邏勖欠裼欣饕Q于化合物層的均一性和厚度，ε相和γ'相的比率對于化合物層的韌性的影響還不清楚，而單一晶相的存在(ε或γ')和較小的層厚可以實現(xiàn)化合物層理想的性能，特別是耐磨性能的提高［30］。因為不同晶相的結(jié)構(gòu)存在差異，主要是晶包參數(shù)的不同，這樣在晶界處很容易產(chǎn)生應力集中，將使得化合物層內(nèi)部積累較多的殘余應力，增加化合物層的脆性［31-32］。滲氮處理時降低氣氛中的氮濃度有利于形成單一γ'相的化合物層，而由單一γ'相組成的化合物層其韌性更好、熱力學穩(wěn)定性提高，在超高的負荷下表現(xiàn)出更好的耐磨損和耐疲勞性能［33］?；衔飳拥暮穸群椭旅苄砸彩潜仨毧紤]的因素。氣體滲氮時化合物層內(nèi)部容易形成微孔洞和缺陷，其數(shù)量隨著化合物層的厚度而增加，這將影響化合物層硬度的均勻性，而且微孔洞和缺陷處極易產(chǎn)生應力集中，所以化合物層厚度增加對模具壽命的影響也是不利的［34］。而化合物層的厚度可以通過改變滲氮工藝參數(shù)來控制，其厚度隨著滲氮溫度、滲氮時間、和氮勢的減小而減?。?5］。

6 H13鋼擠壓模具分流橋的失效

在實際生產(chǎn)時常發(fā)現(xiàn)鋁合金擠壓模具分流橋根部發(fā)生早期開裂失效。從模具開裂部位經(jīng)線切割斷口取樣(宏觀斷口形貌如圖9)，經(jīng)過組織分析，以及硬度測試都滿足要求。電子探針成分分析發(fā)現(xiàn)斷口表面Al元素和O元素大面積存在(如圖10)，經(jīng)高倍形貌觀察發(fā)現(xiàn)聚集的球狀物質(zhì)，經(jīng)衍射物相分析發(fā)現(xiàn)其為AlN相(如圖11)。由于模具工作時經(jīng)受了高溫擠壓及長時間磨損，氮化層厚度會有所減少，這將影響模具的表面質(zhì)量和尺寸精度，所以模具工作服役一定周期后就必須進行表面重復滲氮。而滲氮前后都必須堿洗模具表面以去除粘附在模具表面的鋁，鋁離子侵入裂紋并沉積在裂紋表面，滲氮時形成AlN相。

模具分流橋根部發(fā)生早期開裂與其多次滲氮有很大關(guān)系。滲氮次數(shù)過多會增加滲氮層的厚度，滲層厚度增加其韌性會減小、脆性增加，更容易形成裂紋，而滲氮層本身脆性高，對裂紋抗性很低，特別是在高應力集中區(qū)很容易引發(fā)裂紋［36］。滲氮次數(shù)過多會使得表層白亮層致密性和硬度減小，滲氮層中沿晶界聚集的滲氮物數(shù)量增多［37］，這極易造成白亮層產(chǎn)生裂紋、滲氮層中晶界弱化，使得裂紋從表層向芯部迅速擴展。在這種情況下，侵入裂紋表面的氧和鋁將會使得晶界進一步弱化，加速裂紋的擴展［10］。所以模具滲氮次數(shù)增加，很容易誘導應力集中的模具分流橋根部產(chǎn)生開裂，但其不是唯一的失效因素。

分流橋根部發(fā)生早期開裂應該是若干其他因素共同作用的結(jié)果。因為對于擠壓模具分流橋部的失效因素，許多相關(guān)研究也有發(fā)現(xiàn)［38-39］，由于模具表面發(fā)生氧化脫碳，使得表層強度硬度降低，再加上模具本身存在設計缺陷，局部位置產(chǎn)生高應力，工況條件下也極易造成模具表面發(fā)生開裂的傾向。如果模具的熱處理制度不符合技術(shù)要求，造成材料硬度低、屈強比小、加上分流橋根部產(chǎn)生應力集中，模具使用溫度過高從而引發(fā)開裂失效。所以對于模具常見的失效形式應該是若干因素共同作用的結(jié)果，其中會有主要因素和決定性因素。在實際模具生產(chǎn)中應該嚴格按照合理準確的工藝，把握好每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將引發(fā)模具失效的所有可能性因素降至最低。

圖9 分流橋根部宏觀斷口形貌Fig.9 The macro morphology of the fracture surface at rot of divergent bridge

圖10 斷口表層電子探針成分分析Fig.10 EDS analysis of the fracture surface

圖11 斷口表層X射線衍射物相分析Fig.11 XRD pattern of the fracture surface layer

7 結(jié)論

1)鋁型材擠壓模具的失效形式主要為疲勞斷裂、磨損、塑性變形三大類，對應的失效機理不同，疲勞斷裂是鋁型材擠壓模具失效的首要機制。

2)存在冶金缺陷的模具材料、不合理的模具設計和加工方式、熱處理及滲氮工藝參數(shù)選擇都會導致模具鋼內(nèi)部組織中的顯微缺陷，服役過程中引發(fā)模具失效，降低了模具的使用壽命，從而帶來不必要的經(jīng)濟損失。所以控制模具材料缺陷、優(yōu)化模具設計、嚴格執(zhí)行熱處理工藝對提高模具壽命十分重要。

3)模具常見的失效形式可能是若干因素共同作用的結(jié)果，其中會有決定性因素。應該從以上角度考慮，優(yōu)化每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的工藝參數(shù)，盡量避免以上提到的不利因素，以提高鋁合金擠壓模具使用壽命為原則進行生產(chǎn)制造。

［1］方永康，房生，黃澤濤，等.提高鋁合金擠壓模具質(zhì)量的加工方法［J］.輕合金加工技術(shù)，2013，141(11):41-53.

［2］劉靜安.鋁合金擠壓工模具技術(shù)的現(xiàn)況與趨勢［J］.中國金屬通報，2011(47):19-21.

［3］潘健怡.鋁合金型材擠壓的數(shù)值模擬及模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［D］.廣州:華南理工大學博士學位論文，2010.

［4］Klobcar D，Tusek J，Taljat B.Thermal fatigue of materials for die-casting tooling［J］.Materials Science and Engineering，2008，472:198-207.

［5］苗瑜，劉方友.影響擠壓模具壽命的因素淺析［J］.輕合金加工技術(shù)，2000，28(10):34-36.

［6］Arif A F M，Sheikh A K，Qamar S.A study of die failure mechanisms in aluminum extrusion［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，134:318-328.

［7］Qamar S Z，Sheikh A K，Arif A F M，et al.Monte Carlo simulation of extrusion die life［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008，202:96-106.

［8］Klobcar D，Tusek J，Taljat B.Thermal fatigue of materials for die-casting tooling［J］.Materials Science and Engineering，2008，472:198-207.

［9］Klobcar D，Kosec L，Kosec B，et al.Thermo fatigue cracking of die casting dies［J］.Engineering Failure Analysis，2012，20:43 -53.

［10］Bomba cˇD，Ter c

ˇelj M，Perus I，et al.The progress of degradation on the bearing surfaces of nitrided dies for aluminium hot extrusion with two different relative lengths of bearing surface［J］.Wear，2013，307:10 -21.

［11］Leite M V，F(xiàn)igueroa C A，Corujeira Gallo S，et al.Wear mechanisms and microstructure of pulsed plasma nitrided AISI H13 tool steel［J］.Wear，2010，269:466 -472.

［12］Changhyok Choi，Adam Groseclose，Taylan Altan.Estimation of plastic deformation and abrasive wear in warm forging dies［J］.Journal of Materials Processing Technology，2012，212:1742-1752.

［13］Kim D H，Lee H C，Kim B M，et al.Estimation of die service life against plastic deformation and wear during hot forging processes［J］.Journal of Materials Processing Technology，2005，166:372-380.

［14］周健，馬黨參，劉寶石，等.H13鋼帶狀偏析演化規(guī)律研究［J］.鋼鐵研究學報，2012，24(4):47-57.

［15］李平.鋁合金擠壓模的失效原因分析及措施［J］.模具技術(shù)，2000(6):54-58.

［16］楊青，林文松，王婕麗，等.熱處理對H13熱作模具鋼的顯微結(jié)構(gòu)和性能的影響［J］.材料熱處理技術(shù)，2012，41(22):210-212.

［17］Chen Yulai，Liu Biao，Zhao Peng，et al.Study on Microstructure and Property of H13 Die Steel with Nitrogen［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2011，40(S3):234-236.

［18］龐祖高，蘇廣才，林松，等.H13鋼溫擠壓模具型腔開裂失效分析與控制［J］.模具工業(yè)，2008，34(11):68-71.

［19］鞠慧.H13鋼回火處理及氣體滲氮工藝優(yōu)化的研究［D］.長沙:湖南大學碩士學位論文，2011.

［20］王雅靜，劉宗昌，段寶玉.H13鋼淬火-回火工藝及組織的研究［J］.熱處理，2013，28(4):26-31.

［21］劉宗昌，杜志偉，朱文方，等.H13鋼的回火二次硬化［J］.兵器材料科學與工程，2001，24(3):11-13.

［22］鄒安全，鄧芬燕.H13鋼熱處理工藝試驗研究［J］.模具制造，2003，2(19):55-57.

［23］張聰聰，陳榮立，羅付秋，等.熱處理工藝對 H13鋼組織與性能的影響［J］.金屬加工，2012，37(10):119-121.

［24］李志剛.熱作模具鋼H13表面改性的研究［D］.太原:太原理工大學碩士學位論文，2008.

［25］魏興釗，朱偉恒，朱繁康，等.4Cr5MoSiV1鋼制熱作模具若干失效形式與對策探討［J］.熱處理技術(shù)與裝備，2007，30(3):19-29.

［26］Yucel Birol.Sliding wear of CrN，AlCrN and AlTiN coated AISI H13 hot work tool steels in aluminium extrusion［J］.Tribology International，2013，57:101 -106.

［27］Yucel Birol.Analysis of wear of a gas nitrided H13 tool steel die in aluminium extrusion［J］.Engineering Failure Analysis，2012，26:203-210.

［28］Nikolussi M，Leineweber A，Mittemeijer E.Microstructure and crystallography of massive cementite layers on ferrite substrates［J］.Acta Materialia，2008，56:5837 -5844.

［29］彭文屹，吳曉春，閔永安，等.離子滲氮化合物層對H13鋼熱疲勞性能的影響［J］.金屬熱處理.2002，27(5):22-24.

［30］Kugler G，Turk R，Vecko-Pirtovsek T，et al.Wear beahaviour of nitrided microstructures of AISI H13 dies for hot extrusion of aluminium［J］..METABK，2006，45(1):21-29.

［31］Akhtar S S，Arif A F M，Yilbas B S.Evaluation of gas nitriding process with in-process variation of nitriding potential for AISI H13 tool steel［J］.Int J Adv Manuf Technol，2010，47:687 -698.

［32］Ochoa E A，Wisnivesky D，Minea T，et al.Microstructure and properties of the compound layer obtained by pulsed plasma nitriding in steel gears［J］.Surface ＆Coatings Technology，2009，203:1457-1461.

［33］Keddam M，Djeghlal M E，Barrallier L.The use of Calphad approach to analyse the phase stability of nitrided 32CrMoV13 grade steel:Validation by XRD experiment［J］.Materials Letters，2005，59:1214 -1218.

［34］Pellizzari M，Molinari A，Straffelini G.Thermal fatigue resistance of gas and plasma nitrided 41CrAlMo7 steel［J］.Materials Science and Engineering A，2003，352:186-194.

［35］Terres M A，Ben Mohamed S，Sidhom H.Influence of ion nitriding on fatigue strength of low-alloy(42CrMo4)steel:Experimental characterization and predictive approach［J］.International Journal of Fatigue，2010，32:1795-1804.

［36］Gasem Z M.Cracking in a multiple gas-nitrided H13 aluminum extrusion mandrel［J］.Engineering Failure A-nalysis，2013，31:68 -75.

［37］Syed Sohail Akhtar，Abul Fazal M Arif，Bekir Sami Yilbas.Influence of multiple nitriding on the case hardening of H13 tool steel:experimental and numerical investigation［J］.Int J Adv Manuf Technol，2012，58:57 -70.

［38］王彥俊，李鵬偉，孫 巍，等.H13大型擠壓模具分流橋斷裂分析［J］.失效分析與預防，2012，7(4):262-266.

［39］朱偉恒，朱繁康，冼酷元，等.H13鋼制熱擠壓模開裂失效分析［C］.2009海峽兩岸機械科技論壇論文集，2009:748-752.

Analysis on Factors Affecting the Life of Aluminium Extrusion Die

WANG Ze-ning1，SUN Jin-quan1，CUI Hong-zhi1，LI Hui-ping1，LI Bao-min2
(1.School of Materials Science and Engineering，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China;2.Shandong Best Precision Co.，Ltd，Jining Shandong 272073，China)

To extend the service life of extrusion die is one of the key to improve production efficiency and reduce production costs in the production of aluminum alloy building materials and industrial profiles.This paper reviews the failure forms of aluminium extrusion die and analyzes its influencing factors from these aspects of die design，material selection，heat treatment，as well as the nitriding.

aluminum profile;die life;die failure;heat treatment;nitriding

TG375.4

A

1673-4971(2014)05-0022-08

2014-06-27

王澤寧(1989-)，男，碩士研究生，從事熱處理工藝和耐磨性能研究工作。

崔洪芝，E-mail:cuihongzhi@163.com

國家工信部重大專項(NO.2011ZX04014-031)，青島經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)科學技術(shù)局重點項目(NO.2012-2-65)