알루미늄합금 압출금형의 마모 메커니즘 및 전체 수명주기 향상을 위한 기술

1. 압출 다이의 고장 모드 및 메커니즘

압출 다이의 고장 모드에는 주로 마모, 균열 및 변형의 세 가지 정상적인 고장 유형이 포함됩니다. 또한 부적절한 작동이나 질화 품질 문제로 인해 조기 고장이 발생할 수 있습니다.

1.1 마모 로 인한 ​ 고장​

마찰 마모 파손은 압출 다이의 주된 파손 모드로, 전체 다이 파손의 70% 이상을 차지합니다. 그 본질은 마찰력 하에서 금형 작업 표면 재료가 점진적으로 마모된다는 것입니다.

1.1.1 미세한 마모 메커니즘

알루미늄 합금 압출 중에 재료는 윤활 없이 고온 및 고압 조건에서 다이 캐비티 표면과 접촉하며, 특히 사이징 스트립의 평평한 표면과의 직접 접촉 및 고속 슬라이딩을 통해 상당한 마찰력을 생성합니다. 연구에 따르면 다이 작업 표면에는 두 개의 접촉 영역, 즉 입구 영역의 접착제 접촉과 출구 영역의 슬라이딩 접촉이 있으며, 두 접촉 영역 사이에는 불안정한 접착제-슬라이딩 전이 영역이 존재하는 것으로 나타났습니다.

알루미늄 압출 다이의 마모는 주로 열 마모로 인해 발생합니다. 마찰은 다이의 표면 온도 상승, 재료 연화, 내마모성 감소 및 알루미늄 합금과의 후속 접착으로 이어집니다. 온도는 열 마모에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 온도가 높을수록 열 마모가 더 심해집니다.

1.1.2 마모 의 징후

마모 실패의 구체적인 징후는 다음과 같습니다.

블레이드 패시베이션: 사이징 스트립 입구의 가장자리가 둥글게 되어 프로파일의 치수 편차가 발생합니다.

모서리 라운딩: 다이 돌출부의 기하학적 형태 변경

평면 함몰: 작업 영역 표면에 오목한 구멍이 나타납니다.

표면 긁힌 자국 : 압출 방향을 따라 긁힌 자국

접착 다이 : 알루미늄 합금이 다이 표면에 부착되어 다이의 기하학적 모양이 변경됩니다.

1.1.3 화학적 마모의 주요 역할

연구원들은 압출 다이 마모의 초기 단계가 주로 화학적 마모와 이어서 단단한 표면층의 분리 또는 공식 부식으로 특징지어진다는 사실을 발견했습니다. 질화 처리된 금형의 경우, 복합층(백백색층)이 부분적으로 박리되기 전에 먼저 약간의 마모를 경험합니다. 화합물층을 제거한 후 다이 입구에서 0.5~1.5mm 거리에 깊이 20~50μm의 마모 피트가 형성됩니다. 이는 금형 작업 영역의 입구 영역이 가장 심하게 마모된 영역임을 나타냅니다.

1.2 크래킹 ​ 실패​

균열 불량이란 사용 중에 금형에 균열이 전파되어 궁극적으로 파손으로 이어지는 현상을 말합니다.

1.2.1 균열 발생 및 전파

균열은 일반적으로 과도기 필렛, 분할 흐름 가장자리 및 캔틸레버 루트와 같이 다이의 응력이 집중된 영역에서 발생합니다. 균열 발생은 두 가지 시나리오에서 발생할 수 있습니다. 첫째, 특정 사용 기간 이후 피로에 의해 생성된 미세 균열이 점차 전파됩니다. 둘째, 초기 서비스 단계에서 확장되는 열처리 또는 전기 가공 중 기존의 미세 균열입니다.

1.2.2 원인의 주요 Crack

파괴 실패에 기여하는 설계 요인에는 주로 불충분한 다이 강도 설계와 전이 영역에서 필렛 반경의 부적절한 선택이 포함됩니다. 제조 요인에는 재료 결함, 가공 중 과도한 표면 거칠기, 전주 변형층 등이 포함됩니다. 운영상의 요인에는 부적절한 다이 예열, 지나치게 높은 압출 비율 및 지나치게 빠른 압출 ​​속도가 포함됩니다.

연구에 따르면 와이어 절단 공정은 다이 구멍 표면에 인장 응력층을 형성합니다. 충분한 템퍼링 처리가 이루어지지 않으면 슬래깅 및 스폴링이 발생하기 쉬워 금형의 수명이 단축됩니다. 방전 가공 공정에서는 가공 유체의 가열 및 냉각 효과와 전기화학적 효과로 인해 가공 부품에 변성층이 형성되어 잔류 응력이 발생하고 피로 강도가 감소합니다.

1.3 변형 ​ 실패​

변형 불량은 형상의 변화로 인해 금형을 사용할 수 없는 현상입니다.

1.3.1 징후전형적인

굴곡 편심: 캔틸레버 구조의 처짐

함몰: 다이 표면의 국부적인 오목함

분할 다이 텅의 편심: 상부 다이 텅이 중앙 위치에서 벗어남

금형 캐비티 붕괴: 중공 구조의 압축으로 인한 변형

기공 확대: 다이 캐비티 크기 증가

각도 붕괴: 돌출된 부분의 붕괴

1.3.2 변형 ​ 메커니즘​

변형 실패의 근본적인 원인은 압출 응력을 견딜 수 있는 다이의 재료 강도가 불충분하거나 힘의 분포가 고르지 않아 한계를 초과하는 국부적인 응력이 발생하는 데 있습니다. 구체적인 기여 요인은 다음과 같습니다: 금형강의 강도-인성 특성을 완전히 활용하지 못하는 부적절한 재료 선택 또는 부정확한 열처리 공정; 부실하게 설계된 분할 흐름 다이 설계로 인해 전환 구멍과 그에 따른 측면 힘에 걸쳐 고르지 않은 유속이 발생합니다. 불규칙한 금속 흐름 패턴을 유발하는 부적절한 금형 가공 정밀도.

2. 다이 수명에 영향을 미치는 주요 요인

2.1 다이 재료​

2.1.1 특성 요구 사항재료

압출 다이는 반복 하중을 견디면서 고온 및 고압에서 작동하므로 다이 강철에 매우 엄격한 성능 요구 사항이 적용됩니다.

열 안정성: 500~600°C의 고온에서도 경도를 유지합니다.

열 피로: 반복적인 가열 및 냉각 주기에 대한 저항성

내열마모성 : 고온에서의 내마모성

충분한 인성 : 취성파괴 방지

2.1.2 H13 강의 장점

현재 4Cr5MoSiV1(H13 강철)은 중국에서 압출 다이 제조에 널리 사용되고 있습니다. H13강은 우수한 담금질성, 열강도, 내마모성, 가소성, 높은 충격 인성 및 열 피로 저항성을 나타냅니다. 또한 열처리 중 변형이 최소화되고 균열 전파 저항이 우수합니다.

실제 데이터에 따르면 H13 강철과 3Cr2W8V 강철로 동일한 유형의 금형을 제조할 때 전자가 후자보다 3~5배 더 긴 수명을 나타냅니다. H13 강철은 질화 처리 중에 분산된 분포로 풍부하고 안정적인 질화물을 형성하는 Cr 및 Mo 원소의 농도가 더 높습니다. 이것이 우수한 성능에 기여하는 핵심 요소입니다.

2.2 다이 디자인

합리적인 금형 구조 설계는 서비스 수명을 연장하는 중요한 연결 고리입니다.

2.2.1 두께 차이 처리​ ​벽

벽 두께가 동일하지 않은 프로파일의 경우 길이가 동일하지 않은 작업 스트립을 설계해야 합니다. 작업 스트립 높이(h)는 실험식 h1/h2=b1/b2에 의해 결정됩니다. 여기서 h는 작업 스트립 높이를 나타내고 b는 프로파일 벽 두께를 나타냅니다. 이 접근 방식은 균일한 금속 흐름을 보장하고 국부적인 과부하를 방지합니다.

2.2.2 공허한 ​ 스트레스 집중 ​​

설계 중에는 과도한 응력 집중을 방지하기 위해 날카로운 모서리, 오목한 각도, 상당한 벽 두께 변화 및 평평한 벽의 얇은 단면 단면을 피해야 합니다. 필렛 반경의 선택은 매우 중요합니다. 필렛이 지나치게 작으면 응력 집중이 발생하고, 필렛이 지나치게 크면 다이 강도가 저하될 수 있습니다. 필렛 반경을 적절하게 조정하면 보다 균일한 금속 흐름을 보장할 수 있습니다.

2.2.3 다이 홀 결정치수

다이 구멍 치수를 결정하려면 프로파일 특성과 다이 재료의 수축률을 종합적으로 고려해야 합니다. 6063 알루미늄 합금 및 H13 강철의 경우 다이 구멍의 설계 수축률은 1.01%-1.09%(다이 구멍 크기에 따라 적절하게 선택)로 설정되어야 합니다.

2.2.4 캐비티 위치 배열 ​다이

다이 캐비티는 다이 가장자리에 너무 가까이 위치해서는 안 됩니다. 이렇게 하면 다이 강도가 감소하고 금속이 데드존으로 흘러들어 제품 표면 품질이 저하될 수 있습니다. 압출계수(신장계수)는 10~50 범위 내에서 조절되어야 한다.

2.3 열처리 공정

열처리 품질은 다이의 수명에 직접적인 영향을 미칩니다.

2.3.1 H13 강의 권장 열처리 공정

생산 공정	온도 ​ 범위​	그래서 오크 시간킹	비고​
예열	600-630℃ → 830-850℃	1.5-2.0시간	미세한 결함의 합리적인 조정
담금질	1040-1080℃	2-2.5시간	가열 후 오일을 식힌 다음 꺼내서 약 130°C에서 공냉합니다.
단일 템퍼링	380-400℃ → 580-600℃	1시간 → 2시간	균열을 방지하기 위해 점차적으로 온도를 높이십시오.
2차 템퍼링	560-580℃	2시간	용광로에서 나온 후 공기 냉각

2.3.2 기술 포인트

H13 강은 담금질 온도에 매우 민감하며 고온에서 탁월한 담금질 성능을 나타내므로 고온 담금질이 필요합니다. 담금질 후 다이에 상당한 내부 응력이 남아 있으므로 담금질 응력을 제거하려면 1~2시간 이내에 템퍼링이 필요합니다. 2차 템퍼링은 미세 구조 안정성과 잔류 오스테나이트의 완전한 제거를 보장합니다.

2.4 표면 ​ 강화 ​ 기술​

2.4.1 질소 ​ 처리​

질화 처리는 현재 압출 금형에 가장 일반적으로 사용되는 표면 강화 방법으로 약 90~95%를 차지합니다. 질화는 다이의 충분한 인성을 유지하면서 표면 경도를 크게 증가시켜 열 마모를 줄일 수 있습니다.

질화 처리의 핵심 포인트:

다중 질화 처리: 금형 수명 동안 3~4회 반복 질화 처리를 수행합니다.

질화층 두께: 일반적으로 0.15-0.20 mm에 도달해야 합니다.

질화 시기: 최적의 표면 특성을 얻기 위해 금형 초기 사용 중에 반복적으로 질화를 수행합니다.

2.4.2 박막 경질 ​​ 코팅​

물리기상증착(PVD)과 화학기상증착(CVD) 코팅 기술이 점진적으로 적용되고 있다. 연구에 따르면 CVD TiC+TiN 코팅은 질화 처리에 비해 내마모성이 우수하다는 것이 입증되었습니다. V 및 Nb 탄화물/질화물의 존재와 결합된 열 확산 처리는 내마모성을 크게 향상시킵니다.

소형 다공성 알루미늄 튜브 압출 금형의 경우 하드 필름 코팅을 적용하면 금형 표면층의 알루미늄이나 윤활제 간의 접착 문제를 효과적으로 해결하여 제품 폐기율을 줄일 수 있습니다.

2.5 공정 매개 변수압출

2.5.1 압출 속도

압출 속도는 다이 온도와 금속 흐름 균일성에 직접적인 영향을 미칩니다. 과도한 압출 속도는 다이 응력을 크게 증가시켜 마모를 가속화하고 금속 흐름을 고르지 않게 하고 다이 온도를 상승시킵니다. 변형 시 발생하는 잔열을 신속하게 제거하지 않으면 국부적인 과열로 인해 금형이 파손될 수 있습니다. 권장되는 압출 속도는 일반적으로 25mm/s 미만으로 제어됩니다.

2.5.2 다이 예열

다이는 사용하기 전에 완전히 예열해야 하며 일반적으로 440~460°C에 도달하고 이 온도를 2시간 이상 유지하여 내부 및 외부 모두 균일한 온도 분포를 보장해야 합니다. 예열이 충분하지 않으면 다이 표면과 코어 사이의 과도한 온도 차이가 발생하여 열 응력이 발생하고 열 피로 균열 형성이 가속화될 수 있습니다.

2.5.3 단계적 ​ 활용 강도 ​​

다이는 서비스 주기 전반에 걸쳐 낮음-높음-낮음 사용 강도 전략을 채택해야 합니다.

사용 초기 단계: 다이의 미세 구조 특성은 여전히 ​​변동하는 단계에 있습니다. 다이를 안정적인 상태로 쉽게 전환할 수 있도록 저강도 작동 프로토콜이 채택되었습니다.

중기 사용: 다이는 작동 강도를 적절하게 향상시켜 최적의 종합 성능을 나타냅니다.

후기 의 열화 : 내부구조 가 발생하여 열피로강도가 저하됩니다. 변형 및 균열을 방지하기 위해 사용 강도를 적절하게 줄여야 합니다.

3. 개선을 위한 체계적인 전략 금형 수명

3.1 설계 및 제조 단계

최적화 다이 구조 : CAD(컴퓨터 지원 설계) 및 FEA(유한 요소 분석)를 활용하여 균일한 응력 분포를 보장하고 응력 집중을 방지합니다.

합리적인 재료 선택: H13 강철을 우선적으로 사용하여 재료 품질을 보장하고 재료 특성에 대한 사전 검사를 수행합니다.

처리 품질 제어:

와이어 절단 후 철저한 템퍼링은 표면 인장 응력 상태를 향상시킵니다.

방전가공시 열화층의 형성을 방지하고, 필요시 열화층을 제거한다.

도면 설계의 허용 범위 내에서 와이어 절단 와이어의 직경이 클수록 좋습니다.

표준화된 설계: 다이 상호 교환성, 보관 및 유지 관리가 용이합니다.

3.2 열처리 및 표면처리 단계

열처리 공정을 엄격하게 시행합니다: 가열 속도, 담금질 온도, 담금질 속도 및 템퍼링 온도를 제어합니다.

다중 템퍼링: 미세 구조 안정성을 보장하기 위해 최소 2회 템퍼링 주기를 수행합니다.

예비 반복 질화: 사용하기 전에 질화 처리를 3~4회 수행하여 질화물 층 두께를 0.15~0.20mm로 만듭니다.

고급 코팅 고려: 정밀 다이의 경우 CVD/PVD 코팅을 시도할 수 있습니다.

3.3 유지보수 단계

과학적인 사용 시스템:

다이 예열 시스템을 엄격하게 구현하십시오.

압출 속도를 25mm/s 이하로 제어합니다.

낮음-높음-낮음의 단계적 사용 강도를 채택하십시오.

극심한 온도 변동과 교대 부하를 피하십시오.

정기적인 질화 유지 관리: 일정한 서비스 주기 후에 다시 질화 처리를 수행하여 표면 경도를 회복합니다.

시기적절한 다이 수리: 가벼운 마모나 변형을 즉시 해결하여 결함 전파를 방지합니다.

작동 ​ 조건 ​ 최적화 ​:

수냉식 또는 질소 냉각식 다이가 사용되었습니다.

마찰을 줄이기 위해 적절한 윤활을 보장하십시오.

압출 온도와 압출 비율을 최적화하여 다이 부하를 줄입니다.

3.4 전체 수명주기 관리

구축 다이 아카이브 : 각 다이 세트에 대한 재료, 열처리 공정, 사용 빈도 및 수리 이력을 기록합니다.

예측: Archard 마모 모델 및 유한 요소 분석을 기반으로 남은 다이 수명 예측

스크랩 기준: 치수 공차 및 균열 깊이를 포함하여 명확한 다이 스크랩 기준을 설정합니다.

불량 분석 : 금형의 조기 불량을 체계적으로 분석하여 원인을 찾아 개선합니다.