Механизм износа экструзионной матрицы из алюминиевого сплава и технология увеличения ее срока службы в течение всего жизненного цикла

1. Виды отказов и механизмы экструзионных головок

Виды отказов экструзионных матриц в основном включают три обычных типа отказов: износ, растрескивание и деформацию. Кроме того, из-за неправильной эксплуатации или проблем с качеством азотирования могут возникнуть преждевременные отказы.

1.1 Износ ​ , ​ отказ​

Отказ от фрикционного износа является преобладающим видом отказов экструзионных головок, на него приходится более 70% общего числа отказов штампов. Сущность его заключается в постепенном изнашивании материалов рабочей поверхности штампа под действием сил трения.

1.1.1 Микроскопические механизмы износа

Во время экструзии алюминиевого сплава материал контактирует с поверхностью полости матрицы в условиях высокой температуры и высокого давления без смазки, в частности, за счет прямого контакта с плоской поверхностью калибровочной полосы и высокоскоростного скольжения, создавая значительные силы трения. Исследования показывают, что на рабочей поверхности штампа имеются две зоны контакта: адгезионный контакт во входной зоне и скользящий контакт в выходной зоне, между которыми существует нестабильная переходная область адгезионно-скользящий.

Износ алюминиевых экструзионных матриц вызван в первую очередь термическим износом — трение приводит к повышению температуры поверхности матрицы, размягчению материала, снижению износостойкости и последующему слипанию с алюминиевыми сплавами. Температура является решающим фактором, влияющим на термический износ; более высокие температуры приводят к более серьезному термическому износу.

1.1.2 износаПроявления

К специфическим проявлениям износа относятся:

Пассивация лезвия: край входа калибрующей полосы становится закругленным, что приводит к отклонению размеров профиля.

Скругление кромок: изменение геометрической формы выступов матрицы.

Плоская депрессия: на поверхности рабочей зоны появляются вогнутые ямки.

Царапины на поверхности: Царапины вдоль направления экструзии.

Клейкая матрица : алюминиевый сплав прилипает к поверхности матрицы, изменяя геометрическую форму матрицы.

1.1.3 Доминирующая роль химического износа

Исследователи обнаружили, что начальная стадия износа экструзионных матриц в первую очередь характеризуется химическим износом, за которым следует отслоение твердого поверхностного слоя или питтинговая коррозия. Для штампов, подвергнутых азотированию, составной слой (бело-блестящий слой) сначала подвергается небольшому истиранию, а затем частичному отслоению. После снятия слоя компаунда на расстоянии 0,5-1,5 мм от входа в матрицу образуются ямки износа глубиной 20-50 мкм. Это указывает на то, что входная зона рабочей зоны штампа является наиболее сильно изношенной зоной.

1.2 Cстеллажа Неисправность ​

Отказ от растрескивания относится к явлению, при котором трещины распространяются в штампах во время эксплуатации, что в конечном итоге приводит к разрушению.

1.2.1 Возникновение и распространение трещины

Трещины обычно возникают в областях матрицы с концентрацией напряжений, таких как переходные галтели, кромки разделенного потока и основания консольных частей. Зарождение трещин может происходить по двум сценариям: во-первых, микротрещины, возникшие в результате усталости, после определенного срока службы постепенно распространяются; во-вторых, ранее существовавшие микротрещины во время термообработки или электромеханической обработки, которые расширяются на ранних этапах эксплуатации.

1.2.2 причина трещин Основная

Факторы проектирования, способствующие разрушению излома, в первую очередь включают недостаточную прочность конструкции штампа и неправильный выбор радиуса галтели в переходных зонах. К производственным факторам относятся дефекты материала, чрезмерная шероховатость поверхности при обработке и слои деформации при гальванопластике. Эксплуатационные факторы включают неадекватный предварительный нагрев матрицы, чрезмерно высокие коэффициенты экструзии и слишком высокие скорости экструзии.

Исследования показывают, что в процессе резки проволоки на поверхности отверстия матрицы образуется слой растягивающего напряжения. Если не провести достаточную отпускную обработку, легко получить шлакование и растрескивание, что сокращает срок службы штампа. В процессе электроэрозионной обработки на обрабатываемой детали образуется метаморфический слой из-за эффекта нагрева и охлаждения, а также электрохимического воздействия обрабатывающей жидкости, что создает остаточное напряжение и снижает усталостную прочность.

1.3 Деформационный ​ отказ​

Деформационный отказ – это явление, при котором матрицу невозможно использовать из-за изменения ее геометрии.

1.3.1 проявленияТипичные

Эксцентриситет изгиба: прогиб консольной конструкции.

Депрессия: локальная вогнутость на поверхности матрицы.

Эксцентриситет разъемного язычка матрицы: верхний язычок матрицы отклоняется от центрального положения.

Разрушение полости формы: деформация полой конструкции, вызванная сжатием.

Расширение пор: увеличение размера полости матрицы.

Угловой обвал: обрушение выступающих участков

1.3.2 деформации​ Механизм ​

Основная причина разрушения при деформации заключается в недостаточной прочности материала матрицы, чтобы выдержать напряжение экструзии, или в неравномерном распределении силы, приводящем к превышению предельных значений локализованного напряжения. Конкретные факторы, способствующие этому, включают: неправильный выбор материала или неправильные процессы термообработки, которые не позволяют в полной мере использовать свойства прочности и вязкости штамповой стали; плохо спроектированная конструкция головки с разделенным потоком, приводящая к неравномерной скорости потока через отводные отверстия и последующим боковым силам; и недостаточная точность обработки пресс-форм, вызывающая неравномерность течения металла.

2. Ключевые факторы, влияющие на срок службы

2.1 Материал штампа​

2.1.1 к Требования свойствам материала

Экструзионные матрицы работают в условиях высокой температуры и высокого давления, выдерживая при этом циклические нагрузки, что налагает чрезвычайно жесткие требования к производительности стали штампов:

Термическая стабильность: Сохраняет твердость при высоких температурах 500-600°C.

Термическая усталость: устойчивость к повторяющимся циклам нагрева и охлаждения.

Термическая износостойкость: Износостойкость при высоких температурах.

Достаточная прочность: предотвращение хрупкого разрушения.

2.1.2 Преимущества стали H13

В настоящее время в Китае для изготовления экструзионных матриц широко используется 4Cr5MoSiV1 (сталь H13). Сталь Н13 обладает превосходной прокаливаемостью, термической прочностью, износостойкостью и пластичностью, а также высокой ударной вязкостью и устойчивостью к термической усталости. Он также демонстрирует минимальную деформацию во время термообработки и превосходную устойчивость к распространению трещин.

Практические данные показывают, что при изготовлении однотипных штампов из стали Н13 и стали 3Х2В8В срок службы первых в 3-5 раз превышает срок службы вторых. Сталь H13 содержит более высокие концентрации элементов Cr и Mo, которые при азотировании образуют обильные и стабильные нитриды с дисперсным распределением — это ключевой фактор, способствующий ее превосходным характеристикам.

2.2 Дизайн штампа

Разумная конструкция конструкции штампа является важным звеном в продлении срока службы.

2.2.1 толщине Обработка разницы ​ в стенок

Для профилей с неодинаковой толщиной стенок следует проектировать рабочие полосы разной длины. Высота рабочей полосы (h) определяется по эмпирической формуле h1/h2=b1/b2, где h – высота рабочей полосы, а b – толщина стенки профиля. Такой подход обеспечивает равномерную подачу металла и предотвращает локальную перегрузку.

2.2.2 пустотахв напряжений ​ Концентрация ​

При проектировании следует избегать острых углов, вогнутых углов, значительных изменений толщины стенок и плоских тонкостенных поперечных сечений, чтобы предотвратить чрезмерную концентрацию напряжений. Выбор радиуса скругления имеет решающее значение: слишком маленькие скругления приводят к концентрации напряжений, а слишком большие скругления могут снизить прочность штампа. Правильная регулировка радиуса галтели может обеспечить более равномерную подачу металла.

2.2.3 размеров отверстия матрицыОпределение

Определение размеров отверстий матрицы требует всестороннего учета свойств профиля и степени усадки материалов матрицы. Для алюминиевого сплава 6063 и стали H13 расчетная степень усадки отверстий матрицы должна быть установлена ​​на уровне 1,01–1,09% (выбирается соответствующим образом в зависимости от размера отверстия матрицы).

2.2.4 полостей штампаРасположение ​​

Полости матрицы не следует располагать слишком близко к кромке матрицы, так как это может снизить прочность матрицы и привести к затеканию металла в мертвые зоны, тем самым ухудшая качество поверхности изделия. Коэффициент экструзии (коэффициент удлинения) следует контролировать в пределах 10-50.

2.3 Процесс термообработки

Качество термообработки напрямую влияет на срок службы штампа.

2.3.1 Рекомендуемый процесс термообработки стали H13

Производственные процессы	Диапазон температур ​​	Время заката ​​	Замечания​
Разогреть	600-630℃ → 830-850℃	1,5-2,0 часа	Разумная корректировка микродефектов
закалка	1040-1080℃	2-2,5 часа	Охладите масло после нагревания, затем достаньте и охладите на воздухе примерно до 130°C.
Одиночный отпуск	380-400℃ → 580-600℃	1 час → 2 часа	Постепенно увеличивайте температуру, чтобы предотвратить растрескивание.
Вторичный отпуск	560-580℃	2 часа	Охлаждение воздуха после выхода из печи

2.3.2 Технические моменты

Сталь H13 очень чувствительна к температуре закалки и демонстрирует отличные характеристики закалки при высоких температурах, что требует высокотемпературной закалки. После закалки в матрице сохраняются значительные внутренние напряжения, требующие отпуска в течение 1-2 часов для устранения закалочных напряжений. Вторичный отпуск обеспечивает микроструктурную стабильность и полное удаление остаточного аустенита.

2.4 Технология поверхности упрочнения ​ ​​

2.4.1 азотом азота Обработка ​

Азотирование в настоящее время является наиболее часто используемым методом упрочнения поверхности экструзионных матриц, на его долю приходится примерно 90-95%. Азотирование может значительно повысить твердость поверхности, сохраняя при этом достаточную прочность штампов, тем самым уменьшая термический износ.

Ключевые моменты азотирующей обработки:

Многократное азотирование: выполните 3-4 повторных процедуры азотирования в течение срока службы формы.

Толщина слоя азотирования: Обычно требуется достигать 0,15-0,20 мм.

Время азотирования: выполните повторное азотирование во время первоначального использования формы для достижения оптимальных свойств поверхности.

2.4.2 тонкопленочное ​ ​​ покрытиеЖесткое

Технологии нанесения покрытий из физической паровой фазы (PVD) и химического осаждения из паровой фазы (CVD) постепенно применяются. Исследования показали, что покрытия CVD TiC+TiN обладают более высокой износостойкостью по сравнению с обработкой азотированием. Термодиффузионная обработка в сочетании с наличием карбидов/нитридов V и Nb значительно повышает износостойкость.

Для экструзионных головок миниатюрных пористых алюминиевых трубок нанесение твердого пленочного покрытия может эффективно решить проблемы адгезии между алюминием или смазочными материалами на поверхностном слое матрицы, тем самым снижая процент брака продукции.

2.5 процесса Параметры ​экструзии

2.5.1 Скорость экструзии

Скорость экструзии напрямую влияет на температуру матрицы и однородность течения металла. Чрезмерная скорость экструзии значительно увеличивает напряжение в штампе, тем самым ускоряя износ и приводя к неравномерному потоку металла и повышению температуры штампа. Если остаточное тепло, образующееся при деформации, не будет своевременно удалено, матрица может выйти из строя из-за локального перегрева. Рекомендуемая скорость экструзии обычно не превышает 25 мм/с.

2.5.2 Предварительный нагрев штампа

Перед использованием матрицы необходимо тщательно нагреть, обычно до 440–460°C, и выдерживать при этой температуре более 2 часов, чтобы обеспечить равномерное распределение температуры как внутри, так и снаружи. Недостаточный предварительный нагрев может привести к чрезмерной разнице температур между поверхностью матрицы и сердечником, что приведет к термическому напряжению и ускоренному образованию термоусталостных трещин.

2.5.3 Ступенчатая ​ использованияинтенсивность ​​

На протяжении всего цикла обслуживания кристалл должен применять стратегию интенсивности использования «низкая-высокая-низкая»:

Ранняя стадия использования: свойства микроструктуры штампа все еще находятся в стадии изменения. Для облегчения перехода штампа в стабильное состояние принят протокол работы с низкой прочностью.

Среднесрочное использование: матрица демонстрирует оптимальные комплексные характеристики с соответствующим повышением эксплуатационной прочности.

Последующее использование . : происходит внутреннее структурное разрушение, приводящее к снижению термической усталостной прочности Интенсивность использования следует соответствующим образом снизить, чтобы предотвратить деформацию и растрескивание.

3. Систематическая стратегия улучшения срока штампа службы

3.1 Этап проектирования и производства

Оптимизация штампа конструкции . Используйте компьютерное проектирование (САПР) и анализ методом конечных элементов (FEA), чтобы обеспечить равномерное распределение напряжений и избежать концентрации напряжений.

Рациональный выбор материала: отдайте предпочтение стали H13, чтобы гарантировать качество материала, и проведите предварительную проверку свойств материала.

Контроль качества обработки:

Тщательный отпуск после резки проволоки улучшает напряженное состояние поверхности;

Предотвратить образование слоя деградации во время механической обработки и удалить слой деградации при необходимости;

В пределах допустимого диапазона конструкции чертежа, чем больше диаметр режущей проволоки, тем лучше;

Стандартизированная конструкция: облегчает взаимозаменяемость, хранение и обслуживание штампов.

3.2 Этап термообработки и обработки поверхности

Строго соблюдайте процессы термообработки: контролируйте скорость нагрева, температуру закалки, скорость закалки и температуру отпуска.

Многократный отпуск: выполните как минимум два цикла отпуска, чтобы обеспечить стабильность микроструктуры.

Подготовительное повторное азотирование: Перед использованием выполнить 3-4 обработки азотирования до достижения толщины слоя нитрида 0,15-0,20 мм.

Рассмотрите возможность использования современных покрытий: для прецизионных штампов можно попробовать нанести покрытия CVD/PVD.

3.3 Этап технического обслуживания

Система научного использования:

Строго внедряйте систему предварительного нагрева штампа;

Контролируйте скорость экструзии ≤25 мм/с;

Примите ступенчатую интенсивность использования «низкий-высокий-низкий»;

Избегайте резких колебаний температуры и переменных нагрузок.

Регулярное обслуживание азотирования: повторите азотирование после определенного цикла обслуживания, чтобы восстановить твердость поверхности.

Своевременный ремонт штампа : своевременно устраняйте незначительный износ или деформацию, чтобы предотвратить распространение дефектов.

рабочих условий ​Оптимизация ​​:

Использовались штампы с водяным или азотным охлаждением;

Обеспечьте достаточную смазку для уменьшения трения;

Оптимизируйте температуру экструзии и коэффициент экструзии, чтобы снизить нагрузку на матрицу.

3.4 Управление полным жизненным циклом

Создайте архив штампов : записывайте материалы, процессы термообработки, частоту использования и историю ремонта для каждого комплекта штампов.

Прогноз: на основе модели износа Арчарда и анализа методом конечных элементов спрогнозируйте оставшийся срок службы штампа.

Критерии брака: Установите четкие критерии брака штампов, включая допуски на размеры и глубину трещин.

Анализ отказов: Систематический анализ ранних отказов штампов для выяснения причины и устранения неполадок.