Aufrufe: 0 Autor: Site-Editor Veröffentlichungszeit: 18.03.2026 Herkunft: Website
Die Ausfallarten von Extrusionsdüsen umfassen hauptsächlich drei normale Ausfallarten: Verschleiß, Rissbildung und Verformung. Darüber hinaus kann es aufgrund von unsachgemäßem Betrieb oder Problemen mit der Nitrierqualität zu vorzeitigen Ausfällen kommen.
Reibungsverschleißversagen ist die vorherrschende Ausfallart von Extrusionsdüsen und ist für über 70 % aller Düsenausfälle verantwortlich. Sein Wesen liegt in der allmählichen Abnutzung der Materialien der Werkzeugarbeitsflächen unter Reibungskräften.
1.1.1 Mikroskopische Verschleißmechanismen
Beim Strangpressen einer Aluminiumlegierung kommt das Material unter Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen ohne Schmierung mit der Oberfläche des Formhohlraums in Kontakt, insbesondere durch direkten Kontakt mit der flachen Oberfläche des Kalibrierstreifens und Hochgeschwindigkeitsgleiten, wodurch erhebliche Reibungskräfte entstehen. Untersuchungen zeigen, dass die Arbeitsfläche der Matrize zwei Kontaktzonen aufweist: Klebstoffkontakt in der Eintrittszone und Gleitkontakt in der Austrittszone, wobei zwischen ihnen ein instabiler Klebstoff-Gleit-Übergangsbereich besteht.
Der Verschleiß von Aluminium-Extrusionsdüsen wird hauptsächlich durch thermischen Verschleiß verursacht – Reibung führt zu erhöhten Oberflächentemperaturen der Düse, Materialerweichung, verringerter Verschleißfestigkeit und anschließender Haftung mit Aluminiumlegierungen. Die Temperatur ist der entscheidende Faktor, der den thermischen Verschleiß beeinflusst; Höhere Temperaturen führen zu einem stärkeren thermischen Verschleiß.
1Verschleißerscheinungen .1.2
Zu den spezifischen Erscheinungsformen eines Verschleißversagens gehören:
Klingenpassivierung: Die Kante des Kalibrierstreifeneintritts wird abgerundet, was zu Maßabweichungen des Profils führt.
Abrundung der Kanten: Änderung der geometrischen Form der Matrizenvorsprünge
Planare Vertiefung: Auf der Oberfläche der Arbeitszone entstehen konkave Vertiefungen
Kratzspuren auf der Oberfläche: Kratzer entlang der Extrusionsrichtung
Klebematrize Eine : Aluminiumlegierung haftet an der Matrizenoberfläche und verändert die geometrische Form der Matrize.
1.1.3 Dominante Rolle des chemischen Verschleißes
Forscher fanden heraus, dass das Anfangsstadium des Verschleißes in Extrusionsdüsen hauptsächlich durch chemischen Verschleiß gekennzeichnet ist, gefolgt von der Ablösung der harten Oberflächenschicht oder Lochfraß. Bei Stümpfen, die einer Nitrierbehandlung unterzogen werden, erfährt die Verbindungsschicht (weiß-glänzende Schicht) zunächst einen leichten Abrieb, bevor es zu einer teilweisen Ablösung kommt. Nach dem Entfernen der Verbindungsschicht bilden sich in einem Abstand von 0,5–1,5 mm vom Matrizeneingang Verschleißgruben mit einer Tiefe von 20–50 μm. Dies weist darauf hin, dass der Eingangsbereich des Werkzeugarbeitsbereichs der am stärksten beanspruchte Bereich ist.
Unter Rissversagen versteht man das Phänomen, dass sich während des Betriebs Risse in Matrizen ausbreiten, die letztendlich zum Bruch führen.
1.2.1 Rissinitiierung und -ausbreitung
Risse treten typischerweise in Bereichen der Matrize mit konzentrierter Spannung auf, wie z. B. Übergangskehlen, Split-Flow-Kanten und Auslegerwurzeln. Rissbildung kann in zwei Fällen auftreten: Erstens breiten sich durch Ermüdung erzeugte Mikrorisse nach einer bestimmten Betriebsdauer allmählich aus; Zweitens entstehen bereits Mikrorisse während der Wärmebehandlung oder elektrischen Bearbeitung, die sich in den frühen Betriebsphasen ausdehnen.
1.2.2 Hauptursache für Crack
Zu den Designfaktoren, die zum Bruchversagen beitragen, gehören in erster Linie eine unzureichende Gestaltung der Matrizenfestigkeit und eine falsche Auswahl des Kehlradius an Übergangsbereichen. Zu den Herstellungsfaktoren zählen Materialfehler, übermäßige Oberflächenrauheit während der Verarbeitung und galvanische Verformungsschichten. Zu den betrieblichen Faktoren gehören eine unzureichende Düsenvorwärmung, zu hohe Extrusionsverhältnisse und zu hohe Extrusionsgeschwindigkeiten.
Die Forschung zeigt, dass der Drahtschneideprozess eine Zugspannungsschicht auf der Oberfläche des Matrizenlochs bildet. Wenn keine ausreichende Anlassbehandlung durchgeführt wird, kann es leicht zu Verschlackungen und Abplatzungen kommen, was die Lebensdauer der Form verringert. Der elektrische Entladungsbearbeitungsprozess bildet aufgrund der Heiz- und Kühlwirkung und der elektrochemischen Wirkung der Bearbeitungsflüssigkeit eine metamorphe Schicht auf dem Bearbeitungsteil, die Restspannung erzeugt und die Ermüdungsfestigkeit verringert.
Unter Verformungsversagen versteht man das Phänomen, dass die Matrize aufgrund einer Änderung ihrer Geometrie nicht mehr verwendet werden kann.
1.3.1 ManifestationenTypische
Biegeexzentrizität: Durchbiegung der freitragenden Struktur
Vertiefung: Lokale Konkavität auf der Stumpfoberfläche
Exzentrizität der geteilten Matrizenzunge: Die obere Matrizenzunge weicht von der Mittelposition ab
Kollaps des Formhohlraums: Kompressionsbedingte Verformung der Hohlstruktur
Porenvergrößerung: Erhöhte Größe des Formhohlraums
Winkeleinsturz: Einsturz hervorstehender Bereiche
1.3.2 Verformungsmechanismus
Die Hauptursache für Verformungsfehler liegt in einer unzureichenden Materialfestigkeit der Matrize, um der Extrusionsbelastung standzuhalten, oder in einer ungleichmäßigen Kraftverteilung, die zu lokalen Spannungen führt, die die Grenzwerte überschreiten. Zu den spezifischen Faktoren, die dazu beitragen, gehören: falsche Materialauswahl oder falsche Wärmebehandlungsprozesse, die die Festigkeits-Zähigkeits-Eigenschaften von Gesenkstahl nicht voll ausnutzen; schlecht konzipiertes Split-Flow-Düsendesign, das zu ungleichmäßiger Strömungsgeschwindigkeit über die Umleitungslöcher und daraus resultierenden Querkräften führt; und unzureichende Formbearbeitungsgenauigkeit, die zu unregelmäßigen Metallflussmustern führt.
2.1.1 an Anforderungen die Materialeigenschaften
Extrusionsdüsen arbeiten unter hohen Temperaturen und hohem Druck und halten zyklischen Belastungen stand, was extrem strenge Leistungsanforderungen an den Düsenstahl stellt:
Thermische Stabilität: Behält die Härte bei hohen Temperaturen von 500–600 °C
Thermische Ermüdung: Widerstand gegen wiederholte Erwärmungs- und Abkühlungszyklen
Thermische Verschleißfestigkeit: Verschleißfestigkeit bei hohen Temperaturen
Ausreichende Zähigkeit: Sprödbruch verhindern
2.1.2 Vorteile von H13-Stahl
Derzeit wird 4Cr5MoSiV1 (H13-Stahl) in China häufig zur Herstellung von Extrusionsdüsen verwendet. H13-Stahl weist eine hervorragende Härtbarkeit, thermische Festigkeit, Verschleißfestigkeit und Plastizität sowie eine hohe Schlagzähigkeit und Beständigkeit gegen thermische Ermüdung auf. Es zeigt außerdem eine minimale Verformung während der Wärmebehandlung und eine hervorragende Beständigkeit gegen Rissausbreitung.
Praktische Daten zeigen, dass bei der Herstellung des gleichen Matrizentyps aus H13-Stahl und 3Cr2W8V-Stahl ersterer eine drei- bis fünfmal längere Lebensdauer aufweist als letzterer. H13-Stahl enthält höhere Konzentrationen an Cr- und Mo-Elementen, die während der Nitrierbehandlung reichlich und stabile Nitride mit disperser Verteilung bilden – dies ist der Schlüsselfaktor für seine überlegene Leistung.
Eine vernünftige Strukturgestaltung der Matrize ist ein wichtiger Faktor für die Verlängerung der Lebensdauer.
2.2.1 Wanddickenunterschiedsbehandlung
Bei Profilen mit unterschiedlichen Wandstärken sind ungleich lange Arbeitsleisten vorzusehen. Die Arbeitsstreifenhöhe (h) wird durch die empirische Formel h1/h2=b1/b2 bestimmt, wobei h die Arbeitsstreifenhöhe und b die Profilwandstärke bezeichnet. Dieser Ansatz gewährleistet einen gleichmäßigen Metallfluss und verhindert lokale Überlastungen.
2.2.2 vermeidenStresskonzentration
Bei der Konstruktion sollten scharfe Ecken, konkave Winkel, erhebliche Wandstärkenschwankungen und flachwandige Dünnschnittquerschnitte vermieden werden, um eine übermäßige Spannungskonzentration zu verhindern. Die Wahl des Kehlradius ist entscheidend – zu kleine Kehlen führen zu Spannungskonzentrationen, während zu große Kehlen die Festigkeit der Matrize beeinträchtigen können. Durch die richtige Einstellung des Kehlradius kann ein gleichmäßigerer Metallfluss gewährleistet werden.
2.2.3 Matrizenlochabmessungen Bestimmung der
Die Bestimmung der Matrizenlochabmessungen erfordert eine umfassende Berücksichtigung der Profileigenschaften und der Schrumpfrate der Matrizenmaterialien. Für 6063-Aluminiumlegierungen und H13-Stahl sollte die Design-Schrumpfungsrate der Matrizenlöcher auf 1,01 % bis 1,09 % eingestellt werden (entsprechend ausgewählt basierend auf der Matrizenlochgröße).
2.2.4 der Anordnung Matrizenhohlräume
Matrizenhohlräume sollten nicht zu nah an der Matrizenkante positioniert werden, da dies die Festigkeit der Matrize verringern und dazu führen kann, dass Metall in Totzonen fließt und dadurch die Qualität der Produktoberfläche beeinträchtigt wird. Der Extrusionskoeffizient (Dehnungskoeffizient) sollte im Bereich von 10–50 liegen.
Die Qualität der Wärmebehandlung hat direkten Einfluss auf die Lebensdauer der Matrize.
2.3.1 Empfohlenes Wärmebehandlungsverfahren für H13-Stahl
Produktionsprozesse |
T emperaturbereich |
Sinkende Zeit |
Bemerkungen |
Vorheizen |
600-630℃ → 830-850℃ |
1,5-2,0h |
Angemessene Korrektur von Mikrofehlern |
Abschrecken |
1040-1080℃ |
2-2,5h |
Das Öl nach dem Erhitzen abschrecken, dann herausnehmen und bei etwa 130 °C an der Luft abkühlen lassen |
Einzeltemperierung |
380-400℃ → 580-600℃ |
1h → 2h |
Erhöhen Sie die Temperatur schrittweise, um Risse zu vermeiden |
Sekundäres Tempern |
560-580℃ |
2h |
Luftkühlung nach dem Verlassen des Ofens |
2.3.2 Technische Punkte
H13-Stahl reagiert sehr empfindlich auf die Abschrecktemperatur und weist bei hohen Temperaturen eine hervorragende Abschreckleistung auf, was ein Hochtemperaturabschrecken erforderlich macht. Nach dem Abschrecken verbleiben erhebliche innere Spannungen in der Gussform, so dass ein Anlassen innerhalb von 1–2 Stunden erforderlich ist, um die Abschreckspannungen zu beseitigen. Sekundäres Anlassen sorgt für mikrostrukturelle Stabilität und vollständige Entfernung von Restaustenit.
2.4.1 Stickstoffbehandlung
Die Nitrierbehandlung ist derzeit mit einem Anteil von etwa 90–95 % die am häufigsten verwendete Oberflächenverstärkungsmethode für Extrusionsdüsen. Durch Nitrieren kann die Oberflächenhärte erheblich erhöht werden, während gleichzeitig eine ausreichende Zähigkeit der Matrizen erhalten bleibt, wodurch der thermische Verschleiß verringert wird.
Kernpunkte der Nitrierbehandlung:
Mehrfaches Nitrieren: Führen Sie während der Lebensdauer der Form 3-4 wiederholte Nitrierbehandlungen durch.
Die Dicke der Nitrierschicht beträgt im Allgemeinen 0,15–0,20 mm
Nitrierzeitpunkt: Führen Sie während der ersten Verwendung der Form wiederholtes Nitrieren durch, um optimale Oberflächeneigenschaften zu erzielen.
2.4.2 DünnfilmbeschichtungStarre
Die Beschichtungstechnologien „Physical Vapour Deposition“ (PVD) und „Chemical Vapour Deposition“ (CVD) werden zunehmend eingesetzt. Studien haben gezeigt, dass CVD-TiC+TiN-Beschichtungen im Vergleich zu Nitrierbehandlungen eine überlegene Verschleißfestigkeit aufweisen. Die thermische Diffusionsbehandlung in Kombination mit der Anwesenheit von V- und Nb-Karbiden/-Nitriden erhöht die Verschleißfestigkeit erheblich.
Bei Extrusionsdüsen für poröse Miniatur-Aluminiumrohre kann das Aufbringen einer Hartfilmbeschichtung Adhäsionsprobleme zwischen Aluminium oder Schmiermitteln auf der Düsenoberflächenschicht effektiv lösen und so die Produktausschussrate reduzieren.
2.5.1 Extrusionsgeschwindigkeit
Die Extrusionsgeschwindigkeit wirkt sich direkt auf die Düsentemperatur und die Gleichmäßigkeit des Metallflusses aus. Eine zu hohe Extrusionsgeschwindigkeit erhöht die Belastung der Matrize erheblich, beschleunigt dadurch den Verschleiß und führt zu ungleichmäßigem Metallfluss und erhöhter Matrizentemperatur. Wenn die bei der Verformung entstehende Restwärme nicht umgehend abgeführt wird, kann es aufgrund örtlicher Überhitzung zum Ausfall der Matrize kommen. Die empfohlene Extrusionsgeschwindigkeit liegt im Allgemeinen unter 25 mm/s.
2.5.2 Vorwärmen der Matrize
Die Matrizen müssen vor der Verwendung gründlich vorgewärmt werden, typischerweise auf 440–460 °C, und über 2 Stunden bei dieser Temperatur gehalten werden, um eine gleichmäßige Temperaturverteilung sowohl innen als auch außen zu gewährleisten. Eine unzureichende Vorwärmung kann zu einem übermäßigen Temperaturunterschied zwischen der Formoberfläche und dem Kern führen, was zu thermischer Spannung und einer beschleunigten Bildung von thermischen Ermüdungsrissen führt.
2.5.3 Stufenweise Ausnutzungsintensität
Der Chip sollte während seines gesamten Wartungszyklus eine Strategie mit niedriger, hoher und niedriger Nutzungsintensität verfolgen:
Frühes Einsatzstadium: Die Mikrostruktureigenschaften der Matrize befinden sich noch in einer schwankenden Phase. Um den Übergang des Chips in einen stabilen Zustand zu erleichtern, wird ein Betriebsprotokoll mit geringer Festigkeit angewendet.
Mittelfristige Nutzung: Die Matrize zeigt eine optimale Gesamtleistung mit entsprechender Steigerung der Betriebsfestigkeit.
Späteres Nutzungsalter einer : Es kommt zu inneren Strukturverschlechterung, die zu einer verringerten thermischen Ermüdungsfestigkeit führt. Die Nutzungsintensität sollte entsprechend verringert werden, um Verformungen und Risse zu vermeiden.
Optimieren Sie die Gesenkstruktur : Nutzen Sie computergestütztes Design (CAD) und Finite-Elemente-Analyse (FEA), um eine gleichmäßige Spannungsverteilung sicherzustellen und Spannungskonzentrationen zu vermeiden.
Rationale Materialauswahl: Priorisieren Sie H13-Stahl, um die Materialqualität sicherzustellen und eine Vorprüfung der Materialeigenschaften durchzuführen.
Verarbeitungsqualität kontrollieren:
Durch gründliches Anlassen nach dem Drahtschneiden wird der Zustand der Oberflächenzugspannung verbessert;
Verhindern Sie die Bildung der Abbauschicht während der Entladungsbearbeitung und entfernen Sie die Abbauschicht bei Bedarf;
Innerhalb des zulässigen Bereichs der Zeichnungsgestaltung gilt: Je größer der Durchmesser des Drahtschneidedrahts, desto besser;
Standardisiertes Design: Erleichtert die Austauschbarkeit, Lagerung und Wartung der Matrizen.
Führen Sie Wärmebehandlungsprozesse strikt durch: Steuern Sie die Heizrate, die Abschrecktemperatur, die Abschreckrate und die Anlasstemperatur.
Mehrfaches Tempern: Führen Sie mindestens zwei Temperzyklen durch, um die Stabilität der Mikrostruktur sicherzustellen
Vorbereitendes wiederholtes Nitrieren: Vor dem Einsatz 3-4 Nitrierbehandlungen durchführen, um eine Nitridschichtdicke von 0,15-0,20 mm zu erreichen.
Ziehen Sie fortschrittliche Beschichtungen in Betracht: Bei Präzisionswerkzeugen können CVD/PVD-Beschichtungen versucht werden.
Wissenschaftliches Nutzungssystem:
Setzen Sie das Werkzeugvorheizsystem strikt um.
Kontrollieren Sie die Extrusionsgeschwindigkeit ≤25 mm/s;
Nehmen Sie eine schrittweise Niedrig-Hoch-Niedrig-Nutzungsintensität an;
Vermeiden Sie extreme Temperaturschwankungen und Wechselbelastungen.
Regelmäßige Wartung durch Nitrieren: Führen Sie die Nitrierung nach einem bestimmten Wartungszyklus erneut durch, um die Oberflächenhärte wiederherzustellen.
Rechtzeitige Reparatur der Matrize: Beheben Sie kleinere Abnutzungserscheinungen oder Verformungen umgehend, um eine Ausbreitung des Defekts zu verhindern.
Betriebsbedingungen der Optimierung :
Es wurden wassergekühlte oder stickstoffgekühlte Matrizen eingesetzt;
Sorgen Sie für ausreichende Schmierung, um die Reibung zu reduzieren;
Optimieren Sie die Extrusionstemperatur und das Extrusionsverhältnis, um die Düsenbelastung zu reduzieren.
Erstellen Sie Werkzeugarchive : Erfassen Sie Materialien, Wärmebehandlungsprozesse, Nutzungshäufigkeit und Reparaturhistorie für jeden Werkzeugsatz.
Vorhersage: Prognostizieren Sie auf der Grundlage des Archard-Verschleißmodells und der Finite-Elemente-Analyse die verbleibende Lebensdauer des Werkzeugs
Ausschusskriterien: Legen Sie klare Kriterien für den Werkzeugausschuss fest, einschließlich Maßtoleranz und Risstiefe.
Fehleranalyse: Systematische Analyse früher Ausfälle von Werkzeugen, um die Ursache herauszufinden und Verbesserungen vorzunehmen.
