前言

連續(xù)擠壓技術(shù)由于具有***、高質(zhì)、節(jié)能等優(yōu)勢，在有色金屬工業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。連續(xù)擠壓已被應(yīng)用于銅及銅合金生產(chǎn)，并以紫銅、銅銀合金等為坯料生產(chǎn)了銅扁線及實(shí)心銅材。其工作原理如圖1所示。

一個(gè)帶有輪槽的擠壓輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并在壓實(shí)輪一定壓下量下，利用擠壓輪輪槽與坯料之間的摩擦力，將坯料連續(xù)不斷地拽入由擠壓輪槽、導(dǎo)板、模腔組成的擠壓模腔內(nèi)，在模腔內(nèi)發(fā)生塑性變形，***終從模具孔中擠出所需的產(chǎn)品。擠壓輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是連續(xù)擠壓的主要?jiǎng)恿υ矗强颗髁吓c擠壓輪輪槽的摩擦來實(shí)現(xiàn)的，銅坯在擠壓輪槽內(nèi)受摩擦力作用而升溫，擠壓溫度高達(dá)500℃以上，擠壓腔內(nèi)壓高達(dá)1000MPa以上。在高溫高壓的惡劣工況下，H13鋼因較好的高溫紅硬性、抗沖擊性和抗回火穩(wěn)定性而成為此類連續(xù)擠壓模具應(yīng)用***多的鋼種。但長期承受高溫高壓工況，易導(dǎo)致模具產(chǎn)生熱疲勞開裂、熱熔損、侵蝕、斷裂等失效形式。

1 .失效模具狀態(tài)及檢測方法

失效擠壓輪模具為由某鋼企直徑600mm規(guī)格H13電渣錠，經(jīng)開坯至200mm×200mm方坯，再改鍛為外徑400mm×內(nèi)徑232mm×90mm的擠壓輪坯。此擠壓輪設(shè)計(jì)使用能力為可擠壓50t銅合金坯料，但在生產(chǎn)20t后出現(xiàn)擠壓輪輪槽一側(cè)掉塊失效，且輪槽兩側(cè)均出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，如圖2所示。

采用ARL4460直讀光譜儀測定模具材料的化學(xué)成分；采用TCH-600氫氧氮分析儀測定氣體成分；采用LeicaDM2700M型金相顯微鏡觀察模具顯微形貌，并按照GB/T10561-2005《鋼種非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)定，按照北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA3207-2011模具鋼驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)H13鋼調(diào)質(zhì)態(tài)顯微組織進(jìn)行評(píng)定；采用ERNSTAT200自動(dòng)硬度計(jì)測定失效模具的洛氏硬度；取擠壓輪失效位置附近試樣，在QSF-VF-1400T型箱式真空熱處理爐中進(jìn)行1030℃奧氏體化30min，淬火后，在600℃下進(jìn)行2.5h回火，再依照GB/T6394標(biāo)準(zhǔn)比較法進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)。

2. 檢測結(jié)果及分析

2.1成分測定

失效擠壓輪化學(xué)成分如表 1 所示。由表 1 可知，失效擠壓輪為 H13 電渣錠材料成分，其中主合金元素鉻、鉬、釩含量屬國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)的中上限水平，能滿足該鋼種在擠壓模具用途中較好的強(qiáng)韌性及其他高溫性能的特性要求， 同時(shí)較低的 P 、S 、O 、N 含量，表現(xiàn)出良好的冶金純凈度。

2.2 失效模具的硬度

取失效擠壓輪的網(wǎng)狀裂紋區(qū)域的縱截面樣件，采用ERNSTAT200自動(dòng)硬度計(jì)對(duì)裂紋樣件自表面至內(nèi)部進(jìn)行洛氏硬度測試，結(jié)果如表2所示，近表面1#點(diǎn)硬度***低，其余2～5點(diǎn)硬度較為均勻，5個(gè)測試點(diǎn)均在銅擠壓模具使用要求的硬度范圍內(nèi)，1#點(diǎn)偏低可能為硬度測試過程受近表面裂紋因素的影響。整體模具硬度正常。

2.3 非金屬夾雜物

經(jīng)電渣重熔后的H13鋼鍛件中常見的顯微夾雜物以Al2O3及其復(fù)合夾雜、TiN類及其復(fù)合夾雜等為主。尤其是鎂鋁尖晶石類及氮化鈦類硬質(zhì)夾雜會(huì)破壞基體的連續(xù)性和完整性，對(duì)材料的綜合性能產(chǎn)生不利影響。通過取樣檢測，并以NADCA#207標(biāo)準(zhǔn)中***優(yōu)質(zhì)鋼的質(zhì)量水平作為對(duì)比，如表3所示。

失效模具以少量氧化鋁類夾雜及5μm級(jí)別的球形夾雜為主，完全達(dá)到國外主流標(biāo)準(zhǔn)NADCA的***優(yōu)質(zhì)鋼水平要求，反映出材料較好的純凈度，這與材料的氧、氮?dú)怏w含量低，以及電渣重熔精煉效果好有關(guān)。

2.4 顯微組織

取失效模具裂紋附近及模具正?；w附近試樣，拋磨后經(jīng)4%硝酸酒精侵蝕，采用LeicaDM2700M型金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織檢測，如圖3所示。

由圖3（a）、（b）可知，裂紋***大深度近1mm，裂紋附近未有明顯脫碳層現(xiàn)象，周圍組織均勻性較好，沒有明顯帶狀偏析，組織為正常調(diào)質(zhì)的回火馬氏體，裂紋延展尖端形貌近似沿晶裂樣式。由圖3（c）可知，整體模具正常組織為回火馬氏體組織，按北美壓鑄協(xié)會(huì)NADCA#207-2011標(biāo)準(zhǔn)熱處理態(tài)圖譜對(duì)比，應(yīng)為HS5等級(jí)合格組織，熱處理組織正常。

2.5 晶粒度檢測

取失效模具裂紋附近正常區(qū)域試樣，經(jīng)1030℃奧氏體化30min，淬火后，在600℃下進(jìn)行回火。由圖4可知，熱處理后失效模具平均晶粒尺寸直徑達(dá)50μm，晶粒度約5.5級(jí)，明顯為粗晶，不滿足國標(biāo)GB/T24594-2009《優(yōu)質(zhì)合金模具鋼》中≥7級(jí)的晶粒度要求。

對(duì)于淬火+回火馬氏體類型的H13鋼，晶粒的粗化對(duì)其材料的強(qiáng)度、塑性及韌性均有明顯的不利影響。在銅合金擠壓輪輪槽附近受到高壓摩擦及高溫接觸，屬此類模具中工況***為惡劣區(qū)域，對(duì)材料的強(qiáng)韌性具有較高要求，粗大的晶粒及較弱的晶界勢必易產(chǎn)生裂紋及擴(kuò)展裂紋，導(dǎo)致模具早期失效。

3 .結(jié)論及改進(jìn)建議

（1）該擠壓輪輪槽產(chǎn)生裂紋的主要成因?yàn)榻M織粗晶，粗晶導(dǎo)致模具材料強(qiáng)韌性降低，尤其是在工況環(huán)境惡劣的輪槽區(qū)域，在高壓、高溫及摩擦力作用下，易產(chǎn)生裂紋并延展，在銅坯摩擦下粘連掉塊，導(dǎo)致擠壓輪失效。（2）模具材料化學(xué)成分、非金屬夾雜物、硬度及顯微組織均無明顯異常。對(duì)材料在鍛造環(huán)節(jié)應(yīng)加強(qiáng)加熱制度控制，防止材料奧氏體化溫度時(shí)間過長，導(dǎo)致晶粒長大明顯。在鍛后可控制增加超細(xì)化冷卻工藝，細(xì)化晶粒，提高材料強(qiáng)韌性，避免粗晶。

來源：特種鋼加工與應(yīng)用

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