Meccanismo di usura della matrice di estrusione delle leghe di alluminio e tecnologia per migliorarne la durata utile dell'intero ciclo di vita

1. Modalità di guasto e meccanismi della matrice di estrusione

Le modalità di guasto delle matrici di estrusione comprendono principalmente tre normali tipi di guasto: usura, fessurazione e deformazione. Inoltre, potrebbero verificarsi guasti prematuri dovuti a un funzionamento improprio o a problemi di qualità della nitrurazione.

1.1 Guasto ​ per usura ​​

La rottura per usura per attrito è la modalità di guasto predominante delle matrici di estrusione, rappresentando oltre il 70% del totale dei guasti alle matrici. La sua essenza risiede nell'usura graduale dei materiali della superficie di lavoro dello stampo sotto l'azione delle forze di attrito.

1.1.1 Meccanismi microscopici di usura

Durante l'estrusione della lega di alluminio, il materiale entra in contatto con la superficie della cavità dello stampo in condizioni di alta temperatura e alta pressione senza lubrificazione, in particolare attraverso il contatto diretto con la superficie piana della striscia di dimensionamento e lo scorrimento ad alta velocità, generando notevoli forze di attrito. Le ricerche indicano che la superficie di lavoro dello stampo presenta due zone di contatto: contatto adesivo nella zona di ingresso e contatto scorrevole nella zona di uscita, con una regione di transizione adesivo-scorrimento instabile esistente tra di loro.

L'usura delle matrici per estrusione di alluminio è causata principalmente dall'usura termica: l'attrito porta a temperature superficiali elevate della matrice, rammollimento del materiale, ridotta resistenza all'usura e conseguente adesione con le leghe di alluminio. La temperatura è il fattore critico che influenza l'usura termica; temperature più elevate comportano un'usura termica più grave.

1.1.2 Manifestazioni usuradi

Le manifestazioni specifiche del cedimento dovuto all'usura includono:

Passivazione della lama: il bordo dell'ingresso del nastro di dimensionamento diventa arrotondato, con conseguente deviazione dimensionale del profilo.

Arrotondamento dei bordi: alterazione della forma geometrica delle sporgenze dello stampo

Depressione planare: sulla superficie della zona di lavoro compaiono cavità concave

Segni di graffi sulla superficie: graffi lungo la direzione di estrusione

adesiva Matrice : la lega di alluminio aderisce alla superficie della matrice, alterandone la forma geometrica.

1.1.3 Ruolo dominante dell'usura chimica

I ricercatori hanno scoperto che la fase iniziale di usura nelle matrici di estrusione è caratterizzata principalmente da usura chimica, seguita dal distacco dello strato superficiale duro o dalla corrosione per vaiolatura. Per le matrici sottoposte a trattamento di nitrurazione, lo strato composito (strato bianco-lucido) subisce prima una leggera abrasione prima di un parziale distacco. Dopo la rimozione dello strato di composto, si formano cavità di usura di 20-50μm di profondità ad una distanza di 0,5-1,5 mm dall'ingresso dello stampo. Ciò indica che l'area di ingresso della zona di lavoro dello stampo è la regione più gravemente usurata.

1.2 Guasto racking al ​

Il cedimento per fessurazione si riferisce al fenomeno in cui le crepe si propagano negli stampi durante il servizio, portando infine alla frattura.

1.2.1 Inizio e propagazione del crack

Le cricche si verificano tipicamente in aree dello stampo soggette a stress, come i raccordi di transizione, i bordi del flusso diviso e le radici del cantilever. L'innesco delle cricche può verificarsi in due scenari: in primo luogo, le microfessure generate dalla fatica dopo un certo periodo di servizio si propagano gradualmente; in secondo luogo, microfessurazioni preesistenti durante il trattamento termico o la lavorazione elettrica che si espandono durante le prime fasi di servizio.

1.2.2 Causa principale del crack

I fattori di progettazione che contribuiscono al cedimento della frattura includono principalmente una progettazione con resistenza insufficiente dello stampo e una selezione impropria del raggio di raccordo nelle aree di transizione. I fattori di produzione comprendono difetti del materiale, eccessiva ruvidità superficiale durante la lavorazione e strati di deformazione elettroformatura. I fattori operativi comprendono un preriscaldamento inadeguato dello stampo, rapporti di estrusione eccessivamente elevati e velocità di estrusione eccessivamente elevate.

La ricerca mostra che il processo di taglio del filo formerà uno strato di tensione sulla superficie del foro della matrice. Se non viene effettuato un trattamento di rinvenimento sufficiente, è facile produrre scorie e scheggiature, che riducono la durata dello stampo. Il processo di lavorazione con scarica elettrica formerà uno strato metamorfico sulla parte di lavorazione a causa dell'effetto di riscaldamento e raffreddamento e dell'effetto elettrochimico del fluido di lavorazione, che produrrà stress residuo e ridurrà la resistenza alla fatica.

1.3 Guasto deformazione alla ​

Il cedimento per deformazione è il fenomeno per cui lo stampo non può essere utilizzato a causa del cambiamento della sua geometria.

1.3.1 Manifestazioni tipiche

Eccentricità di piega: deflessione della struttura a sbalzo

Depressione: concavità locale sulla superficie dello stampo

Eccentricità della linguetta della matrice divisa: La linguetta superiore della matrice si discosta dalla posizione centrale

Collasso della cavità dello stampo: deformazione indotta dalla compressione della struttura cava

Ingrandimento dei pori: aumento delle dimensioni della cavità del moncone

Collasso angolare: collasso delle aree sporgenti

1.3.2 M deformazione di eccanismo

La causa fondamentale del cedimento per deformazione risiede nell'insufficiente resistenza del materiale dello stampo per resistere allo stress di estrusione o nella distribuzione non uniforme della forza che porta allo stress localizzato che supera i limiti. I fattori specifici che contribuiscono includono: selezione impropria del materiale o processi di trattamento termico errati che non riescono a sfruttare appieno le proprietà di resistenza e tenacità dell'acciaio per stampi; design dello stampo a flusso diviso mal progettato con conseguente velocità del flusso irregolare attraverso i fori di deviazione e conseguenti forze laterali; e una precisione inadeguata della lavorazione dello stampo che causa modelli di flusso irregolare del metallo.

2. Fattori chiave che influenzano la vita del dado

2.1 ateriale M ​

2.1.1 alla proprietà relativi Requisiti materiale

Le matrici di estrusione funzionano ad alta temperatura e alta pressione sopportando carichi ciclici, il che impone requisiti prestazionali estremamente rigorosi all'acciaio per matrici:

Stabilità termica: Mantiene la durezza ad alte temperature di 500-600°C

Fatica termica: resistenza a ripetuti cicli di riscaldamento e raffreddamento

Resistenza all'usura termica: Resistenza all'usura alle alte temperature

Tenacità sufficiente: previene la frattura fragile

2.1.2 Vantaggi dell'acciaio H13

Attualmente, il 4Cr5MoSiV1 (acciaio H13) è ampiamente utilizzato in Cina per la produzione di matrici per estrusione. L'acciaio H13 mostra eccellente temprabilità, resistenza termica, resistenza all'usura e plasticità, insieme ad elevata resilienza e resistenza alla fatica termica. Dimostra inoltre una deformazione minima durante il trattamento termico e una resistenza superiore alla propagazione delle cricche.

I dati pratici indicano che quando si produce lo stesso tipo di stampo con acciaio H13 e acciaio 3Cr2W8V, il primo presenta una durata di servizio 3-5 volte più lunga del secondo. L'acciaio H13 contiene concentrazioni più elevate di elementi Cr e Mo, che durante il trattamento di nitrurazione formano nitruri abbondanti e stabili con distribuzione dispersa: questo è il fattore chiave che contribuisce alle sue prestazioni superiori.

2.2 Progettazione di stampi

Una progettazione ragionevole della struttura dello stampo è un collegamento importante per prolungare la durata di servizio.

2.2.1 T rattamento di spessore della parete della differenza

Per profili con spessori di parete diversi, è necessario progettare strisce di lavoro di lunghezza diversa. L'altezza del listello di lavoro (h) è determinata dalla formula empirica h1/h2=b1/b2, dove h rappresenta l'altezza del listello di lavoro e b indica lo spessore della parete del profilo. Questo approccio garantisce un flusso uniforme del metallo e previene il sovraccarico localizzato.

2.2.2 Evitare ​ stressdi la concentrazione

Durante la progettazione, dovrebbero essere evitati spigoli vivi, angoli concavi, variazioni significative dello spessore delle pareti e sezioni trasversali a sezione sottile con pareti piatte per evitare un'eccessiva concentrazione di sollecitazioni. La selezione del raggio del raccordo è fondamentale: raccordi eccessivamente piccoli portano alla concentrazione delle sollecitazioni, mentre raccordi eccessivamente grandi possono compromettere la resistenza della matrice. Una corretta regolazione del raggio del raccordo può garantire un flusso di metallo più uniforme.

2.2.3 delle dimensioni del foro della Determinazione matrice

La determinazione delle dimensioni del foro della matrice richiede una considerazione completa delle proprietà del profilo e del tasso di ritiro dei materiali della matrice. Per la lega di alluminio 6063 e l'acciaio H13, il tasso di ritiro di progetto dei fori della matrice deve essere impostato su 1,01%-1,09% (opportunamente selezionato in base alla dimensione del foro della matrice).

2.2.4 delle cavità dello posizione stampoDisposizione della

Le cavità della matrice non devono essere posizionate troppo vicine al bordo della matrice, poiché ciò potrebbe ridurre la resistenza della matrice e portare al flusso di metallo nelle zone morte, compromettendo così la qualità della superficie del prodotto. Il coefficiente di estrusione (coefficiente di allungamento) deve essere controllato entro un intervallo compreso tra 10 e 50.

2.3 Processo di trattamento termico

La qualità del trattamento termico influisce direttamente sulla durata dello stampo.

2.3.1 Processo di trattamento termico consigliato per l'acciaio H13

Processi di produzione	Intervallo ​ di temperatura	Tempo di tempesta​	Osservazioni​
Preriscaldare	600-630℃ → 830-850℃	1,5-2,0 ore	Ragionevole aggiustamento dei microdifetti
Tempra	1040-1080 ℃	2-2,5 ore	Spegnere l'olio dopo averlo riscaldato, quindi rimuoverlo e raffreddarlo all'aria a circa 130°C
Temperatura singola	380-400℃ → 580-600℃	1 ora → 2 ore	Aumentare gradualmente la temperatura per evitare screpolature
Tempra secondaria	560-580 ℃	2 ore	Raffreddamento ad aria dopo l'uscita dal forno

2.3.2 Punti tecnici

L'acciaio H13 è altamente sensibile alla temperatura di tempra e mostra eccellenti prestazioni di tempra alle alte temperature, richiedendo una tempra ad alta temperatura. Dopo la tempra rimangono nello stampo notevoli tensioni interne, che richiedono il rinvenimento entro 1-2 ore per eliminare le sollecitazioni da tempra. Il rinvenimento secondario garantisce stabilità microstrutturale e completa rimozione dell'austenite residua.

2.4 superficiale​ rinforzo di Tecnologia ​

2.4.1 T azoto rattamento con

Il trattamento di nitrurazione è attualmente il metodo di rinforzo superficiale più comunemente utilizzato per le matrici di estrusione, rappresentando circa il 90-95%. La nitrurazione può aumentare significativamente la durezza superficiale mantenendo allo stesso tempo una sufficiente tenacità negli stampi, riducendo così l'usura termica.

Punti chiave del trattamento di nitrurazione:

Nitrurazione multipla: eseguire 3-4 trattamenti di nitrurazione ripetuti durante la vita utile dello stampo.

Spessore dello strato di nitrurazione: Generalmente richiesto per raggiungere 0,15-0,20 mm

Tempi di nitrurazione: eseguire ripetute nitrurazioni durante l'uso iniziale dello stampo per ottenere proprietà superficiali ottimali.

2.4.2 Rivestimento con pellicola sottile ​rigido

Le tecnologie di rivestimento di deposizione fisica da fase vapore (PVD) e deposizione chimica da fase vapore (CVD) vengono progressivamente applicate. Gli studi hanno dimostrato che i rivestimenti CVD TiC+TiN presentano una resistenza all’usura superiore rispetto ai trattamenti di nitrurazione. Il trattamento di diffusione termica combinato con la presenza di carburi/nitruri V e Nb aumenta significativamente la resistenza all'usura.

Per le matrici di estrusione di tubi in alluminio porosi in miniatura, l'applicazione di un rivestimento in pellicola dura può risolvere efficacemente i problemi di adesione tra alluminio o lubrificanti sullo strato superficiale della matrice, riducendo così il tasso di scarto del prodotto.

2.5 P arametri del processo di estrusione

2.5.1 Velocità di estrusione

La velocità di estrusione influisce direttamente sulla temperatura della matrice e sull'uniformità del flusso del metallo. Una velocità di estrusione eccessiva aumenta significativamente lo stress dello stampo, accelerando così l'usura e portando a un flusso di metallo irregolare e a una temperatura elevata dello stampo. Se il calore residuo generato durante la deformazione non viene rimosso tempestivamente, lo stampo potrebbe cedere a causa di un surriscaldamento localizzato. La velocità di estrusione consigliata è generalmente controllata al di sotto di 25 mm/s.

2.5.2 Preriscaldamento dello stampo

Gli stampi devono essere accuratamente preriscaldati prima dell'uso, raggiungendo tipicamente i 440-460°C e mantenuti a questa temperatura per oltre 2 ore per garantire una distribuzione uniforme della temperatura sia internamente che esternamente. Un preriscaldamento insufficiente può portare a un'eccessiva differenza di temperatura tra la superficie dello stampo e il nucleo, con conseguente stress termico e formazione accelerata di cricche da fatica termica.

2.5.3 graduale​ di utilizzo Intensità ​

Lo stampo dovrebbe adottare una strategia di intensità di utilizzo basso-alto-basso durante tutto il suo ciclo di servizio:

Fase iniziale di utilizzo: le proprietà microstrutturali dello stampo sono ancora in una fase fluttuante. Viene adottato un protocollo operativo a bassa resistenza per facilitare la transizione dello stampo a uno stato stabile.

Utilizzo a medio termine: lo stampo mostra prestazioni globali ottimali, con un adeguato miglioramento della forza operativa.

: di utilizzo successiva Età si verifica un deterioramento strutturale interno, che porta a una ridotta resistenza alla fatica termica. L'intensità di utilizzo deve essere opportunamente ridotta per evitare deformazioni e screpolature.

3. Strategia sistematica per migliorare dei morti la vita

3.1 Fase di progettazione e produzione

Ottimizzazione dello stampo della struttura : utilizzo della progettazione assistita da computer (CAD) e dell'analisi degli elementi finiti (FEA) per garantire una distribuzione uniforme delle sollecitazioni ed evitare la concentrazione delle sollecitazioni.

Selezione razionale dei materiali: dare priorità all'acciaio H13 per garantire la qualità del materiale ed effettuare un'ispezione preliminare delle proprietà del materiale.

Controllo della qualità dell'elaborazione:

Il rinvenimento accurato dopo il taglio del filo migliora lo stato di tensione superficiale;

Prevenire la formazione dello strato di degrado durante la lavorazione di scarico e rimuovere lo strato di degrado quando necessario;

Nell'ambito del disegno consentito, maggiore è il diametro del filo tagliante, meglio è;

Design standardizzato: facilita l'intercambiabilità, lo stoccaggio e la manutenzione degli stampi.

3.2 Trattamento termico e fase di trattamento superficiale

Implementare rigorosamente i processi di trattamento termico: controllare la velocità di riscaldamento, la temperatura di tempra, la velocità di tempra e la temperatura di rinvenimento.

Rinvenimento multiplo: eseguire almeno due cicli di rinvenimento per garantire la stabilità microstrutturale

Nitrurazione ripetuta preparatoria: eseguire 3-4 trattamenti di nitrurazione prima dell'uso per ottenere uno spessore dello strato di nitruro di 0,15-0,20 mm.

Considerare i rivestimenti avanzati: per gli stampi di precisione, si possono tentare i rivestimenti CVD/PVD.

3.3 Fase di mantenimento

Sistema di uso scientifico:

Implementare rigorosamente il sistema di preriscaldamento dello stampo;

Controllare la velocità di estrusione ≤25 mm/s;

Adottare un'intensità di utilizzo graduale basso-alto-basso;

Evitare sbalzi di temperatura estremi e carichi alternati.

Manutenzione regolare della nitrurazione: eseguire nuovamente la nitrurazione dopo un determinato ciclo di servizio per ripristinare la durezza superficiale.

tempestiva dello stampo : Riparazione affronta tempestivamente piccole usure o deformazioni per prevenire la propagazione dei difetti.

Ottimizzazione operative delle condizioni ​​:

Sono stati impiegati stampi raffreddati ad acqua o ad azoto;

Garantire un'adeguata lubrificazione per ridurre l'attrito;

Ottimizza la temperatura di estrusione e il rapporto di estrusione per ridurre il carico sullo stampo.

3.4 Gestione dell'intero ciclo di vita

Creazione di archivi di stampi : registrazione dei materiali, dei processi di trattamento termico, della frequenza di utilizzo e della cronologia delle riparazioni per ogni serie di stampi.

Previsione: sulla base del modello di usura di Archard e dell'analisi degli elementi finiti, prevedi la vita rimanente del die

Criteri di scarto: stabilire criteri chiari per lo scarto dello stampo, inclusa la tolleranza dimensionale e la profondità della fessura.

Analisi dei guasti: analisi sistematica dei guasti precoci degli stampi per scoprirne la causa e migliorarli.