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作者：馬 野， 馮淑玲， 牟 風， 燕 云， 康愛軍(撫順特鋼有限公司技術中心) ）
文章已在《模具制造》月刊上發表，版權歸作者所有，轉載請注明出處，謝謝！
介紹了鋁擠壓技術的發展和基本工作原理， 撫順特鋼通過電爐+電渣重熔， 精密鍛聯合成材生產優質鋁擠壓熱作模具H13鋼， 研究了鋁擠壓熱作模具的優質H13鋼的高溫力學性能。結果表明， 優質H經熱處理后，13鋼的硬度可達44~46HRC， 在室溫下，抗拉強度達到1，601N/mm 2 。結果表明， 優質H經熱處理后，13鋼的硬度可達44~46HRC， 在室溫下，抗拉強度達到1，601N/mm 2 。隨著環境溫度的升高， 優質H13鋼的抗拉強度降低到700℃時， 優質H13鋼的抗拉強度降低到315N/mm 2 。通過斷口SEM分析， 優質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， 說明優質H13鋼基體塑性變形能力強。
關鍵詞：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， 儲量最大的元素之一， 8.占地殼總重量.2%。在人類應用的金屬材料中， 鋁的消耗量僅次于鋼， 居第二位， 因此， 鋁業已成為現代社會的重要支柱產業之一。鋁主要包括板， 帶、箔、 管、 棒、 型、 線、 鍛、粉等， 廣泛應用于現代軌道交通， 汽車、 電子、 建筑等行業。中國鋁工業， 鋁加工業發展迅速， 2018年中國企業鋁產量約5,700萬噸，占世界產量的59%， 穩居世界第一。
2 鋁擠壓簡介
鋁擠壓是鋁的主要加工成型方法， 中國是鋁擠壓材生產消費大國， 鋁擠壓材料的生產和消費總量居世界第一。
根據塑性變形原理擠壓， 使用安裝在壓力機上的模具， 鋁錠坯通過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 具有一定機械性能的尺寸和零件。根據錠坯的加熱溫度， 擠壓可分為熱擠壓和冷擠壓。熱擠壓是將錠坯加熱到再結晶溫度以上進行擠壓， 室溫下擠壓冷擠壓。鋁擠壓技術及設備包括：熔鑄， 擠壓擠壓模具， 表面處理、 深加工及各種相關輔助設備。擠壓是擠壓材料生產的核心， 擠壓機是其主要設備， 模具是主要工具[1]。
擠壓鋁合金型材時， 鋁擠壓模具的性能和質量決定了鋁型材的質量， 成本、 生產效率和交貨期， 因此，鋁擠壓模具的材料選擇， 設計、 加工、 鋁擠壓行業的核心問題是熱處理和正確使用。鋁型材的擠壓過程是一種高溫， 高負荷加工作業過程， 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540℃；②鋁擠壓模表面反復加熱冷卻， 產生熱疲勞；③擠壓鋁合金， 最大擠壓壓力8000MPa以上， 模具必須承受高壓縮， 彎曲和剪切應力。
因此，適用于鋁擠壓模具的材料應至少具有三種基本性能： ①屈服強度和硬度高， 因此具有良好的抗塑性變形能力；②斷裂韌性好，對裂紋的形成和擴展有很好的抵抗力；③高回火抗性， 長期處于高溫環境下不會明顯軟化。綜合上述要求， 中合金鉻系熱模具鋼廣泛應用于國內外H制造鋁型材擠壓模具， 使用效果令人滿意。鋁擠壓模具在高溫高壓環境下工作， 并承受周期載荷的作用， 因此對模具鋼的性能要求相當高，一般制造鋁擠壓模具的材料應具有較高的熱穩定性、熱疲勞性、 熱耐磨性和足夠的韌性。三年前在中國常用Cr2W8V鋼制鋁擠壓模具， 但韌性低， 抗疲勞強度差， 即使采用高溫淬火等工藝處理措施也不能滿足要求， 模具使用中的早期失效非常嚴重， 近年來已被H13鋼取代[2]。與3Cr2W8V鋼相比，H13鋼具有以下兩個突出特點：①高溫綜合性能好，熱疲勞抗力高；②有更多的組織Cr、 Mo在氮化處理過程中，元素能產生豐富穩定的氮化物并擴散分布。因此，就延長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。統計數字表明， 用H13鋼和3Cr2W8V鋼制造同類鋁擠壓模具， 前者的使用壽命是后者的3~5倍。
3 高溫力學性能
3.1 試驗材料和試件
撫順特鋼熱模H13的基礎上， 適當調整C、 Cr、 Mo、 V等合金元素的含量， 優化冶煉加工工藝生產專用鋁擠壓模具H13 （見表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 快鍛機開坯+10000MN精鍛機成型工藝， 生產規格 ? 200mm成品圓鋼。退火后鋼材的硬度≤229HB， 其化學成分、非金屬夾雜物和超聲波探傷符合相關標準。表2為優質 H13 鋼的非金屬夾雜物級別 （評級按 ASTME45標準檢驗） 。
從表2可以看出， 通過電爐＋LF＋VD+電渣冶煉工藝生產的優質H13鋼中各種夾雜物粗系為0級，氧化物， 硫化物的夾雜細節為1.0級， 純度符合要求。優質H13鋼的力學性能試樣取自圓鋼橫截面中心。試樣尺寸為 ? 5mm長度70mm (機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 試驗過程
按GB/T對室溫拉伸性能進行檢測， 按GB/T4338規定高溫拉伸性能檢測。采用TH300型洛氏硬度計，INSTRON4483型電子拉伸試驗機及DDL150型高溫拉伸試驗機測試樣品的硬度和力學性能， 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。
優質H13鋼樣經熱處理后， 硬度值達到44~46HRC。環境溫度由箱式加熱爐加熱到規定溫度，然后保溫 30min。試驗溫度依次為室溫(25)℃）、400℃、 550℃、 600℃、 650℃、 670℃、 700℃， 溫度偏差為±3℃。
3.3 試驗結果
表3給出了7個樣品的室溫拉伸和高溫拉伸試驗結果， 根據試驗結果得出高質量的結果H13鋼屈服強度及抗拉強度隨溫度的變化規律， 如圖2所示。
圖2 優質H13鋼高溫拉伸性能
從表3中的數據可以看出， 室溫下質量高H13鋼抗 拉 強 度 達 到 1,601N/mm 2 ， 相 比 3Cr2W8V 鋼 的1,400N/mm 2 抗拉強度較高。隨著環境溫度的升高， 優質H降低了13鋼的抗拉強度， 環境溫度達到600℃以上時， 劇烈降低強度， 當環境溫度升高到700時℃時， 優質H13鋼抗拉強度降低至315N/mm 2 。鋁型材的擠壓過程鋁擠壓模具承受高溫作用， 表面溫度可達540℃， 最大擠壓壓力8000N/mm 2 以上， 模具必須承受高壓縮， 彎曲和剪切應力。
鋁擠壓優質H13鋼一般在540℃以下服役， 本實驗優質 H13 鋼環境溫度為 550℃時， 1.2000抗拉強度N/mm 2 ， 強韌性和抗熱疲勞性能較高， 鋁擠壓模具能滿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， 其熱強度急劇下降[3]。優質 H13 鋼在 600℃在條件下仍然有945N/mm 2 抗拉強度， 優質H鋁擠壓模具在高溫、高壓環境下具有較高的強度， 即使在600℃在高溫環境下仍有一定的強度， 保證鋁擠壓模具在擠壓過程中的連續工作能力和穩定性。
4 顯微組織
將優質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 優質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
優質H13鋼經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， 不同服務溫度下的樣品組織基本相同。優質H13鋼在高溫環境下服務， 強韌性和抗熱疲勞性能較高。優質H13鋼在高溫環境下服務， 強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SEM進行掃描， 圖4和圖5給出了高質量的產品H13鋼由室溫到600℃微觀斷口照片的拉伸試驗。
圖4 優質H13鋼高溫拉伸斷面微觀 （100倍）
a — —室溫斷口 b — —400℃斷口
c — —550℃斷口 d — —600℃斷口）
圖5 優質H13鋼高溫拉伸斷面微觀 （1000倍）
a — —室溫斷口 b — —400℃斷口
c — —550℃斷口 d — —600℃斷口
優質H13鋼拉伸試樣斷口均為韌性斷口， 大量塑性變形發生在材料斷裂前， 原晶粒被拉長或破碎，不再保持原尺寸， 形狀， 斷口呈灰色無光澤纖維狀。樣品產生韌性斷裂， 夾雜物在材料內部， 位錯塞積發生在沉淀相、晶界或其他塑性變形不連續的地方， 產生應力集中， 然后開始形成顯微孔， 長大串聯后破碎。樣品產生韌性斷裂， 夾雜物在材料內部， 位錯塞積發生在沉淀相、晶界或其他塑性變形不連續的地方， 產生應力集中， 然后開始形成顯微孔， 長大串聯后破碎。 拉伸試驗應在較高的溫度下進行， 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[4]。
環境溫度達到400℃以上時， 形成杯錐形斷口。在拉應力的作用下， 局部出現 “頸縮” ， 頸縮區形成三向拉應力狀態[5]， 形成微孔后， 隨著應力的增加， 微孔聚合成微裂紋， 最后擴展到樣品表面， 形成杯錐特征。
從樣品微觀斷口形態分析， 優質H13鋼拉伸試樣微孔聚集斷裂[6]， 在外力作用下， 由于強滑移位錯積累， 當地， 如縮頸處， 產生許多顯微孔， 即“韌窩” ， 在切應力的作用下，這種孔不斷生長， 聚集連接， 同時產生新的微小空間， 最終導致整個材料斷裂。隨著環境溫度的升高， 斷裂的韌窩又大又深， 說明優質H13鋼基體塑性變形能力強。
6 結論
（1） 撫順特鋼通過電爐+電渣重熔， 精密鍛聯合成材生產優質鋁擠壓模具H13鋼。
（2） 優質 H13 加熱后，鋼的硬度可以達到 44~46HRC， 在室溫下抗拉強度達到1,601N/mm 2 。隨著環境溫度的升高， 優質H降低了13鋼的抗拉強度， 環境溫度上升至700℃時， 優質H13鋼抗拉強度降低至315N/mm 2 。
（3） 優質H13鋼經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） 通過斷口SEM分析， 優質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， 說明優質H13鋼基體塑性變形能力強。
—The End—
文末相遇，謝謝閱讀！
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