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)了銅扁線及實心銅材。其工作原理如圖1所示。

一個帶有輪槽的擠壓輪連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并在壓實輪一定壓下量下，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)運動是連續(xù)擠壓的主要動力源，是靠坯料與擠壓輪輪槽的摩擦來實現(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500℃以上，擠壓腔內(nèi)壓高達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準評級圖顯微檢驗法》標準對非金屬夾雜物進行評定，按照北美壓鑄協(xié)會NADCA3207-2011模具鋼驗收標準圖譜對H13鋼調(diào)質(zhì)態(tài)顯微組織進行評定；采用ERNSTAT200自動硬度計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行1030℃奧氏體化30min，淬火后，在600℃下進行2.5h回火，再依照GB/T6394標準比較法進行晶粒度評級。

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)外標準的中上限水平，能滿足該鋼種在擠壓模具用途中較好的強韌性及其他高溫性能的特性要求， 同時較低的 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自動硬度計對裂紋樣件自表面至內(nèi)部進行洛氏硬度測試，結(jié)果如表2所示，近表面1#點硬度***低，其余2～5點硬度較為均勻，5個測試點均在銅擠壓模具使用要求的硬度范圍內(nèi)，1#點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)夾雜會破壞基體的連續(xù)性和完整性，對材料的綜合性能產(chǎn)生不利影響。通過取樣檢測，并以NADCA#207標準中***優(yōu)質(zhì)鋼的質(zhì)量水平作為對比，如表3所示。

失效模具以少量氧化鋁類夾雜及5μm級別的球形夾雜為主，完全達到國外主流標準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、氮氣體含量低，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NADCA#207-2011標準熱處理態(tài)圖譜對比，應(yīng)為HS5等級合格組織，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50μm，晶粒度約5.5級，明顯為粗晶，不滿足國標GB/T24594-2009《優(yōu)質(zhì)合金模具鋼》中≥7級的晶粒度要求。

對于淬火+回火馬氏體類型的H13鋼，晶粒的粗化對其材料的強度、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，對材料的強韌性具有較高要求，粗大的晶粒及較弱的晶界勢必易產(chǎn)生裂紋及擴展裂紋，導(dǎo)致模具早期失效。

3 .結(jié)論及改進建議

（1）該擠壓輪輪槽產(chǎn)生裂紋的主要成因為組織粗晶，粗晶導(dǎo)致模具材料強韌性降低，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。對材料在鍛造環(huán)節(jié)應(yīng)加強加熱制度控制，防止材料奧氏體化溫度時間過長，導(dǎo)致晶粒長大明顯。在鍛后可控制增加超細化冷卻工藝，細化晶粒，提高材料強韌性，避免粗晶。

來源：特種鋼加工與應(yīng)用

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