H13鋼擠壓筒、模具磨損失效行為分析

陳明

摘要：難變形合金熱擠壓過程中H13鋼擠壓筒和模具表面發(fā)生了嚴(yán)重的磨損失效。采用掃描電子顯微鏡、電子能譜和光學(xué)顯微鏡技術(shù)對擠壓筒和模具表面形貌、截面特征、成分變化、金相組織進(jìn)行了表征，對 H13鋼的磨損失效原因進(jìn)行了綜合分析。結(jié)果表明：熱擠壓過程中 H13鋼擠壓筒和模具表面具有不同的磨損行為，擠壓筒磨損機(jī)制為磨料磨損、犁溝磨損、氧化磨損，而模具表面沒有磨料磨損，但出現(xiàn)了疲勞磨損；熱擠壓過程中H13鋼亞表面發(fā)生了內(nèi)部氧化，氧化層分為兩層； H13鋼表面在熱擠壓過程中表層晶粒發(fā)生了細(xì)化，晶界為內(nèi)氧化和裂紋的萌生擴(kuò)展提供了形核點。

關(guān)鍵詞：H13鋼；熱擠壓；磨損機(jī)制；氧化

中圖分類號：TG375+.4???????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

H13鋼由于具有優(yōu)異的高熱強(qiáng)度、疲勞性、韌性及耐磨性、耐回火等屬性，被廣泛用于制造業(yè)中成形各種金屬產(chǎn)品的熱擠壓模具和熱鍛模等[1-5]。熱擠壓過程中材料首先受到三向壓應(yīng)力而填充滿型腔，然后在持續(xù)壓力的條件下坯料與擠壓筒和模具發(fā)生相對運動，由于熱擠壓過程中坯料和擠壓筒、模具接觸界面之間具有很高的應(yīng)力，因此模具表面材料受到很大的機(jī)械破壞作用[6，7]。此外，由于熱擠壓過程中坯料溫度達(dá)到再結(jié)晶溫度以上，尤其是難變形合金，比如不銹鋼和高溫合金等，坯料溫度通常都超過了1000℃，在熱擠壓過程中坯料與擠壓筒、模具會發(fā)生顯著的熱交換，從而導(dǎo)致表面溫度升高，因此擠壓筒和模具表面會受到強(qiáng)的應(yīng)力和高溫狀態(tài)，這導(dǎo)致了擠壓筒和模具表面發(fā)生嚴(yán)重高溫磨損[8]。然而，航天航空、汽車、軌道交通等先進(jìn)工業(yè)的迅猛發(fā)展，對熱擠壓工件的表面形貌，尺寸精度提出了更高的要求。同時，這也就對熱擠壓成形模具表面磨損和輪廓尺寸有了更高的要求。

在過去的二十年里，國內(nèi)外研究者對 H13模具鋼用于輕質(zhì)合金熱擠壓過程中表面磨損失效進(jìn)行了大量研究[9-11]。如國內(nèi)具有代表性的李落星等人系統(tǒng)的研究了鋁合金熱擠壓過程中界面摩擦磨損行為[9]；并且歸納了熱擠壓過程中界面摩擦邊界條件的等效表征方法，包括圓環(huán)壓縮試驗、塊盤試驗、球盤試驗。但是在輕質(zhì)合金中，比如鋁、鎂合金等，在熱擠壓過程中由于溫度較低、坯料-模具界面壓力較小，對模具表面的損傷較小。然而在高溫難變形金屬中，比如不銹鋼、高熵合金、高溫合金等熱擠壓過程中，H13鋼擠壓筒和模具受到強(qiáng)的壓力和高的溫度，這會導(dǎo)致其表面發(fā)生嚴(yán)重磨損，造成擠壓筒和模具失去原有的表面形貌特征和輪廓尺寸精度，導(dǎo)致成形的工件表面質(zhì)量差，尺寸控制難，以及模具的提前磨損失效會顯著提升制造成本。盡管玻璃潤滑劑的使用促進(jìn)了不銹鋼和高溫合金熱擠壓工藝的進(jìn)行，但是由于難變形金屬變形抗力大、溫度高，在擠壓過程中模具表面受到的熱-力-化效應(yīng)顯著，這導(dǎo)致了模具的提前失效[12-14]。研究表明，鎳基高溫合金熱擠壓過程中，H13鋼模具通常只能使用一次，這極大地限制了熱擠壓工藝的發(fā)展[15]。

綜上，研究難變形合金熱擠壓過程中 H13模具鋼的磨損失效行為對促進(jìn)模具鋼表面強(qiáng)化技術(shù)的發(fā)展，提高工件的表面精度具有重要意義。因此本論述為了查清 H13鋼用于擠壓筒和擠壓模具時表面磨損本質(zhì)及失效原因，對難變形合金熱擠壓過程中 H13鋼擠壓筒和模具的表面形貌、成分特征，以及截面組織進(jìn)行了分析。

1試驗過程

1.1熱擠壓

如圖1所示為不銹鋼熱擠壓棒材的原理示意圖，擠壓坯料溫度為1050℃，模具預(yù)熱溫度為350℃。熱擠壓過程中選擇了符合擠壓溫度區(qū)間的玻璃潤滑劑進(jìn)行潤滑。擠壓過程中，擠壓墊在受到力的作用后對坯料首先施加力，使坯料填充滿型腔，隨后，在持續(xù)力的作用下坯料流經(jīng)模具表面，從擠壓通道流出。在擠壓過程中坯料與 H13鋼擠壓筒和模具表面發(fā)生了相對位移，坯料與擠壓筒、模具表面發(fā)生磨損。

1.2表面形貌及組織分析

利用電火花線切割機(jī)在圖1中黑色圓圈處切割出尺寸為20×20×15mm 的方塊，用來觀察擠壓筒和模具表面形貌和截面特征。為了真實的觀察擠壓筒和模具表面的磨損形貌特征，首先將其在丙酮溶液中進(jìn)行超聲波清洗10 min，隨后在酒精溶液中清洗10 min，最后吹干備用。擠壓筒和模具截面特征觀察之前，首先采用砂紙將其打磨，其次在酒精潤濕下進(jìn)行拋光至鏡面。擠壓筒和模具表面、截面形貌特征觀察采用 JSM-7610FPlus 型掃描電子顯微鏡（SEM）。對磨損表面和截面典型位置進(jìn)行成分的小范圍面掃和線掃測試。將拋光好的試樣在4%的硝酸酒精溶液中進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間大約為30 s，最后利用蔡司光學(xué)顯微鏡觀察基體、擠壓筒及模具截面的金相組織結(jié)構(gòu)。

2分析與討論

2.1表面形貌

盡管擠壓過程中坯料與擠壓筒、模具界面之間的摩擦磨損行為不能直接觀察，但是磨損失效后的形貌特征為了解磨損機(jī)制建立了橋梁。如圖2所示為擠壓筒和模具表面形貌的SEM 照片。為了更好的理解擠壓筒和模具表面磨損行為，圖中每張照片中顯示了擠壓方向（粗箭頭所示）。由圖2可知，擠壓筒和模具表面形貌存在很大的不同。擠壓筒表面有大量的磨損顆粒聚集，在局部區(qū)域有明顯的劃痕特征。一方面由于材料表面微凸體的存在，在相對運動過程中，微凸體會對擠壓筒表面造成犁削，從而產(chǎn)生顆粒。另一方面，由于實驗過程中，界面不可避免的夾雜物顆粒也會參與磨損。因此擠壓筒表面發(fā)生了磨料磨損和犁溝磨損機(jī)制。模具表面沒有顆粒的存在，說明沒有發(fā)生磨料磨損，但是劃痕區(qū)域明顯比擠壓筒增大，說明模具表面有很強(qiáng)的犁溝磨損。此外，模具還出現(xiàn)了裂紋和凹坑，說明發(fā)生了疲勞磨損。金屬與金屬之間由于金屬鍵的相同容易發(fā)生粘著磨損，由于玻璃潤滑劑的使用有效的阻礙了直接接觸，因此在難變形合金熱擠壓過程中，擠壓筒和模具表面沒有發(fā)生危害較大的粘著磨損。

為了更好地理解擠壓筒和模具表面的磨損行為，對典型區(qū)域進(jìn)行成分測試，見表1所列。擠壓筒表面所選區(qū)域包括了存在大量顆粒和有微小劃痕的表面，可以發(fā)現(xiàn)相比于原始基體的成分，O 含量顯著增大，達(dá)到31.4 wt%，這說明在熱擠壓過程中擠壓筒表面或亞表面元素與空氣中的氧氣發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成了以 C、Si、 Cr、Mo、V 為主的氧化物。此外，由于 H13鋼基體中Fe 占比很高，在熱擠壓過程中 Fe 肯定也參與了氧化反應(yīng)，生成了 Fe 的氧化物。陳康敏等人研究表明：H13鋼在高溫摩擦過程中產(chǎn)生最多的氧化物為 Fe3O4和 Fe2O3，而且磨損表面上 Fe3O4最多，并且該氧化物隨著溫度的升高而增加[16]。模具表面所選區(qū)域為劃痕部位，從表1中可以看出 O 含量達(dá)到25.2 wt%，比擠壓筒表面的顆粒部位氧含量有所下降，說明模具表面氧化反應(yīng)相對擠壓筒表面較弱。但是生成的氧化物同樣是 Fe、C、Si、Cr、 Mo、V 的氧化物。究其原因是因為熱擠壓過程中，在熱-力-化的作用下，C、Si、Cr、Mo、V 元素向表面析出。因此氧化反應(yīng)的產(chǎn)生導(dǎo)致擠壓筒和模具表面發(fā)生氧化磨損，氧化反應(yīng)改變了擠壓筒和模具表面的材料結(jié)構(gòu)，形成了氧化層，氧化層在熱擠壓過程中會發(fā)生剝落而導(dǎo)致表面失效。

2.2截面特征

在熱擠壓過程中，擠壓筒和模具表面一定范圍內(nèi)的基體微觀組織結(jié)構(gòu)會受到摩擦剪切力、正壓力、高溫和空氣環(huán)境的共同作用，因此磨損失效造成的破壞不僅僅是表面質(zhì)量的降低和粗糙度的增大，還會對擠壓筒和模具亞表面一定深度范圍內(nèi)造成破壞。因此本小節(jié)分析討論了模具截面的形貌特征、表層成分變化及金相組織。如圖3所示為擠壓筒和模具表層的形貌特征，由圖3（a）可知擠壓筒亞表面大約100μm 的深度發(fā)生了變化，在表面30μm 范圍內(nèi)，出現(xiàn)很多的黑點和凹坑，黑點是由于發(fā)生了內(nèi)部氧化造成的。從截面上可以看出擠壓筒表面基本保持平行，沒有明顯的因磨損導(dǎo)致的材料剝落。相比于擠壓筒，模具表面破壞深度較淺，但是模具表面沿著擠壓方向出現(xiàn)了明顯的臺階和裂紋，臺階厚度最大達(dá)5μm，這說明在熱擠壓過程中模具表面有大量的材料發(fā)生了轉(zhuǎn)移。對比兩張圖片可以看出在熱擠壓過程中，擠壓筒氧化深度較深，但是表面磨損較少，在模具表面盡管氧化較淺，但是磨損嚴(yán)重，這也證實了擠壓筒和模具表面氧化機(jī)制不同。

在熱擠壓過程中，擠壓筒表面的磨損對工件的影響不是很大，這是因為工件在未最終擠壓成型之前，坯料處于塑性流動狀態(tài)，擠壓筒表面磨損形貌對工件的損傷在型腔中可以修復(fù)，因此擠壓筒表面的磨損對其影響較小。但是模具表面的形貌和輪廓尺寸精度對工件的表面質(zhì)量和粗糙度有決定性的影響，因此模具表面的磨損應(yīng)該被更加關(guān)注。

如圖4所示，為圖3（b）中白色箭頭所示的線掃（主要成分變化曲線），從圖4可以看出在模具亞表面材料中，元素發(fā)生了明顯的變化?；w中主要為 Fe 元素，在距離表面大約24μm 處Fe 含量瞬間發(fā)生了下降，隨后又逐漸開始升高，在距離表面大約10μm 處，F(xiàn)e 含量又開始下降。Fe 含量的降低，必然會導(dǎo)致其他元素含量的升高?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng) Fe 含量降低后，O 含量開始升高，并且強(qiáng)度僅次于 Fe 含量，在局部區(qū)域甚至高于 Fe 含量，說明在熱擠壓過程中 H13鋼擠壓筒和模具不僅僅是表面發(fā)生氧化，而且這種氧化延伸到一定深度的基體中，這被稱為內(nèi)氧化。在距離表面大約10μm ～24μm 范圍內(nèi)，氧化物主要為 Fe 的氧化物，偶爾會出現(xiàn) C 的氧化物。在距離表面0μm ～10μm 的范圍內(nèi)不僅僅有Fe 的氧化物，還出現(xiàn)了 Si、Cr 的氧化物。說明在熱擠壓過程中 H13鋼表層材料會發(fā)生至少兩種不同的氧化機(jī)制，從而形成雙層氧化層結(jié)構(gòu)。

如圖5所示，為 H13鋼基體、擠壓筒及模具亞表面區(qū)域內(nèi)的金相組織。從圖5可以看出，擠壓筒和模具表面相比于基體出現(xiàn)了很多小晶粒，說明熱擠壓過程中 H13鋼表面受到應(yīng)力而發(fā)生了晶粒細(xì)化。這是由于熱擠壓過程中 H13鋼表面受到很大的界面壓力，包括摩擦力和正壓力，從而導(dǎo)致表面材料發(fā)生塑性變形形成新的小晶粒。在氧化嚴(yán)重的擠壓筒表面，還可以看出裂紋沿著晶界延伸，這是由于 H13鋼的晶界有脆性的氮化物[17]，這為裂紋的萌生和擴(kuò)展提供了形核點。由于金屬材料的晶界為其參與氧化反應(yīng)的元素擴(kuò)散提供了通道，因此熱擠壓過程中氧化反應(yīng)首先在晶界處發(fā)生。同樣，表面的氧原子很大可能也是通過晶界而導(dǎo)致內(nèi)氧化的發(fā)生。

3結(jié)論

對難變形合金熱擠壓過程中 H13鋼擠壓筒和模具的表面磨損行為進(jìn)行了研究，分析了磨損表面形貌、截面特征、成分演變及金相觀察，得到以下結(jié)論：

（1）熱擠壓過程中H13鋼擠壓筒和模具表面磨損機(jī)制不同，擠壓筒表面發(fā)生了磨料磨損、犁溝磨損和氧化磨損；模具表面發(fā)生了犁溝磨損、氧化磨損和疲勞磨損。

（2） H13鋼亞表面發(fā)生了氧化，氧化層分為兩層，第一層為 Si、Cr、Fe 復(fù)雜氧化物，第二層主要為 Fe 的氧化物。

（3）H13鋼擠壓筒和模具在受到熱-力作用后晶粒發(fā)生了細(xì)化；H13鋼表面裂紋和內(nèi)氧化首先是沿著晶界進(jìn)行的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王穩(wěn)，程曉農(nóng)，韋家波，等.等溫球化退火溫度對超細(xì)化 H13鋼組織與力學(xué)性能的影響[J].金屬熱處理，2019，44（9）：161-165.

[2] 劉義，胡晏明.載荷和溫度對 H13鋼摩擦磨損性能的影響[J].熱加工工藝，2020，49（9）：89-91.

[3] 佟倩，馬躍，孫齊松，等.國內(nèi)外 H13鋼組織和性能對比分析[J].上海金屬，2020，42（1）：55-59.

[4] 段明偉. H13鋼表面激光熔覆合金工藝、組織及磨損性能的研究[D ].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2019.

[5] 陳建禮，張曉琨. H13鋼熱鍛模開裂失效原因分析[J].鍛壓技術(shù)，2019，44（12）：109-113.

[6] 高鑫. GH3625合金管材熱擠壓加工工藝的數(shù)值模擬研究[ D ].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2017.

[7] 劉長勇.重型鋼絲纏繞黑色金屬擠壓筒及擠壓工藝研究[D].北京：清華大學(xué)，2011.

[8]? Qing Fan，Dali Zhou，Lei Yang，et al. Study on the oxidationresistance and tribological behavior of glass lubricants used in hot extrusion of commercial purity titanium[J]. Colloids and Surfaces A，2018（559）：251-257.

[9] 劉志文，李落星，張明，等.鋁合金熱擠壓過程中界面摩擦的研究進(jìn)展[J].中國有色金屬學(xué)報，2017，27（7）：1311-1322.

[10] 王軍社.鋁合金熱擠壓過程中界面摩擦的研究進(jìn)展[J].中國金屬通報，2017（9）：74-75.

[11]? Yucel Birol. Analysis of wear of a gas nitrided ＼＼{H13＼＼} toolsteel? die? in? aluminium? extrusion [J]. Engineering? Failure Analysis，2012（26）：203-210.

[12]? 王寶順，林奔，張麥倉，等. G3鎳基耐蝕合金管材熱擠壓工藝潤滑行為研究Ⅰ.玻璃潤滑膜厚度模型建立及應(yīng)用[J].金屬學(xué)報，2011，47（3）：367-373.

[13] 王寶順，林奔，張麥倉，等.Hastelloy G3管材熱擠壓模具磨損有限元分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報，2010，32（9）：1209-1214.

[14]? 王寶順，林奔，羅坤杰，等.玻璃潤滑劑在鋼熱擠壓工藝中的應(yīng)用[J].世界鋼鐵，2010，10（3）：44-50.

[15] 林奔，王寶順，張麥倉，等. G3鎳基耐蝕合金管材熱擠壓工藝潤滑行為研究Ⅱ.玻璃潤滑劑黏度-成分計算方法及應(yīng)用[J].金屬學(xué)報，2011，47（3）：374-379.

[16] 陳康敏，王蘭，王樹奇，等. H13鋼氧化磨損行為的研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報，2011，31（4）：317-322.

[17]? 孫曉林. H13鋼中碳氮化物生成機(jī)理及高溫演變規(guī)律[D ].北京：北京科技大學(xué)，2017.