Cơ chế mài mòn của khuôn ép đùn hợp kim nhôm và công nghệ để cải thiện tuổi thọ toàn bộ vòng đời của nó

1. Các chế độ hư hỏng và cơ chế của khuôn đùn

Các dạng hư hỏng của khuôn đùn chủ yếu bao gồm ba loại lỗi thông thường: mòn, nứt và biến dạng. Ngoài ra, các lỗi sớm có thể xảy ra do vận hành không đúng cách hoặc các vấn đề về chất lượng thấm nitơ.

1.1 Mặc bệnh ​tật ​​

Hư hỏng do mài mòn do ma sát là dạng hư hỏng chủ yếu của khuôn ép đùn, chiếm hơn 70% tổng số hỏng hóc của khuôn. Bản chất của nó nằm ở sự mài mòn dần dần của vật liệu bề mặt làm việc của khuôn dưới tác dụng của lực ma sát.

1.1.1 Cơ chế mài mòn vi mô

Trong quá trình ép đùn hợp kim nhôm, vật liệu tiếp xúc với bề mặt khoang khuôn trong điều kiện nhiệt độ và áp suất cao mà không cần bôi trơn, đặc biệt khi tiếp xúc trực tiếp với bề mặt phẳng của dải định cỡ và trượt tốc độ cao, tạo ra lực ma sát đáng kể. Nghiên cứu chỉ ra rằng bề mặt làm việc của khuôn có hai vùng tiếp xúc: vùng tiếp xúc dính ở vùng vào và vùng tiếp xúc trượt ở vùng thoát, với vùng chuyển tiếp trượt dính không ổn định tồn tại giữa chúng.

Sự mài mòn của khuôn ép đùn nhôm chủ yếu là do mài mòn nhiệt—ma sát dẫn đến nhiệt độ bề mặt của khuôn tăng cao, vật liệu bị mềm, khả năng chống mài mòn giảm và sau đó là độ bám dính với hợp kim nhôm. Nhiệt độ là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hao mòn nhiệt; nhiệt độ cao hơn dẫn đến hao mòn nhiệt nghiêm trọng hơn.

1.1.2 Biểu hiện của W tai

Các biểu hiện cụ thể của hư hỏng do mài mòn bao gồm:

Thụ động hóa lưỡi: Cạnh của lối vào dải định cỡ trở nên tròn, dẫn đến sai lệch kích thước của biên dạng.

Làm tròn các cạnh: Thay đổi hình dạng hình học của các phần nhô ra của khuôn

Vết lõm phẳng: Xuất hiện các vết lõm trên bề mặt vùng làm việc

Vết xước bề mặt: Vết xước dọc theo hướng đùn

dính Khuôn : Hợp kim nhôm dính vào bề mặt khuôn, làm thay đổi hình dạng hình học của khuôn.

1.1.3 Vai trò chủ yếu của hao mòn hóa chất

Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng giai đoạn mài mòn ban đầu trong khuôn ép đùn chủ yếu được đặc trưng bởi sự mài mòn hóa học, sau đó là sự bong ra của lớp bề mặt cứng hoặc ăn mòn rỗ. Đối với khuôn được xử lý thấm nitơ, lớp hỗn hợp (lớp sáng trắng) trước tiên bị mài mòn nhẹ trước khi bong ra một phần. Sau khi loại bỏ lớp hợp chất, mài mòn các hố có độ sâu 20-50μm ở khoảng cách 0,5-1,5mm tính từ lối vào khuôn. Điều này chỉ ra rằng khu vực lối vào của khu vực làm việc khuôn là khu vực bị mài mòn nghiêm trọng nhất.

1.2 Giá đỡ F ailure

Lỗi nứt là hiện tượng vết nứt lan truyền trong khuôn trong quá trình sử dụng, cuối cùng dẫn đến gãy.

1.2.1 Khởi tạo và lan truyền vết nứt

Các vết nứt thường xảy ra ở các khu vực tập trung ứng suất của khuôn, chẳng hạn như các góc chuyển tiếp, các cạnh dòng chảy phân chia và các rễ đúc hẫng. Sự hình thành vết nứt có thể xảy ra theo hai trường hợp: thứ nhất, các vết nứt vi mô sinh ra do mỏi sau một thời gian sử dụng nhất định sẽ lan rộng dần; thứ hai, các vết nứt nhỏ tồn tại từ trước trong quá trình xử lý nhiệt hoặc gia công điện, mở rộng trong giai đoạn sử dụng ban đầu.

1.2.2 Mục đích chính của Crack

Các yếu tố thiết kế góp phần gây ra hỏng hóc chủ yếu bao gồm thiết kế độ bền khuôn không đủ và lựa chọn bán kính phi lê không đúng tại các khu vực chuyển tiếp. Các yếu tố sản xuất bao gồm các khuyết tật của vật liệu, độ nhám bề mặt quá mức trong quá trình xử lý và các lớp biến dạng do mạ điện. Các yếu tố vận hành liên quan đến việc gia nhiệt trước khuôn không đủ, tỷ lệ đùn quá cao và tốc độ đùn quá nhanh.

Nghiên cứu cho thấy quá trình cắt dây sẽ hình thành lớp ứng suất kéo trên bề mặt lỗ khuôn. Nếu không thực hiện đủ quá trình xử lý ủ, sẽ dễ tạo ra xỉ và nứt vỡ, làm giảm tuổi thọ của khuôn. Quá trình gia công phóng điện sẽ hình thành một lớp biến chất trên bộ phận gia công do hiệu ứng làm nóng và làm mát và hiệu ứng điện hóa của chất lỏng gia công sẽ tạo ra ứng suất dư và giảm độ bền mỏi.

1.3 D biến dạng F ailure

Lỗi biến dạng là hiện tượng khuôn không thể sử dụng được do hình dạng của nó bị thay đổi.

1.3.1 Biểu hiện M điển hình

Độ lệch tâm uốn cong: Độ lệch của kết cấu đúc hẫng

Độ lõm: Độ lõm cục bộ trên bề mặt khuôn

Độ lệch tâm của lưỡi khuôn tách: Lưỡi khuôn trên lệch khỏi vị trí trung tâm

Sụp đổ khoang khuôn: Biến dạng do nén của cấu trúc rỗng

Mở rộng lỗ chân lông: Tăng kích thước khoang khuôn

Sụp đổ góc: sụp đổ các khu vực nhô ra

1.3.2 Dchế biến Cơ đổi

Nguyên nhân cơ bản dẫn đến hư hỏng biến dạng nằm ở độ bền vật liệu của khuôn không đủ để chịu được ứng suất đùn hoặc phân bổ lực không đồng đều dẫn đến ứng suất cục bộ vượt quá giới hạn. Các yếu tố góp phần cụ thể bao gồm: lựa chọn vật liệu không phù hợp hoặc quy trình xử lý nhiệt không chính xác dẫn đến không tận dụng tối đa các đặc tính bền-dẻo của thép khuôn; thiết kế khuôn dòng chảy phân chia được thiết kế kém dẫn đến tốc độ dòng chảy không đồng đều qua các lỗ chuyển hướng và các lực ngang tiếp theo; và độ chính xác gia công khuôn không đủ gây ra dòng chảy kim loại không đều.

2. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến cuộc sống chết

2.1 Die MVật liệu

2.1.1 đặc tính vật liệu về RYêu cầu

Khuôn đùn hoạt động ở nhiệt độ cao và áp suất cao trong khi chịu tải theo chu kỳ, điều này đặt ra các yêu cầu về hiệu suất cực kỳ nghiêm ngặt đối với thép khuôn:

Độ ổn định nhiệt: Duy trì độ cứng ở nhiệt độ cao 500-600°C

Mệt mỏi do nhiệt: Khả năng chống lại các chu kỳ làm nóng và làm mát lặp đi lặp lại

Chống mài mòn nhiệt: Chống mài mòn ở nhiệt độ cao

Đủ độ dẻo dai: Ngăn ngừa gãy xương giòn

2.1.2 Ưu điểm của thép H13

Hiện nay, 4Cr5MoSiV1 (thép H13) được sử dụng rộng rãi ở Trung Quốc để chế tạo khuôn ép đùn. Thép H13 thể hiện độ cứng, độ bền nhiệt, khả năng chống mài mòn và độ dẻo tuyệt vời, cùng với độ bền va đập cao và khả năng chống mỏi nhiệt. Nó cũng cho thấy sự biến dạng tối thiểu trong quá trình xử lý nhiệt và khả năng chống lan truyền vết nứt vượt trội.

Dữ liệu thực tế chỉ ra rằng khi sản xuất cùng một loại khuôn bằng thép H13 và thép 3Cr2W8V, khuôn trước có tuổi thọ sử dụng cao hơn khuôn sau 3-5 lần. Thép H13 chứa nồng độ các nguyên tố Cr và Mo cao hơn, trong quá trình xử lý thấm nitơ tạo thành nitrua dồi dào và ổn định với sự phân bố phân tán - đây là yếu tố chính góp phần mang lại hiệu suất vượt trội.

2.2 Thiết kế khuôn

Thiết kế cấu trúc khuôn hợp lý là một mắt xích quan trọng để kéo dài tuổi thọ.

2.2.1 Xử lệch sai độ dày tườnglý

Đối với các cấu hình có độ dày thành không bằng nhau, nên thiết kế các dải làm việc có chiều dài không bằng nhau. Chiều cao dải làm việc (h) được xác định theo công thức thực nghiệm h1/h2=b1/b2, trong đó h đại diện cho chiều cao dải làm việc và b biểu thị độ dày thành biên dạng. Cách tiếp cận này đảm bảo dòng kim loại đồng đều và ngăn ngừa tình trạng quá tải cục bộ.

2.2.2 Độ rỗng S độ căng C nồng độ

Trong quá trình thiết kế, cần tránh các góc nhọn, góc lõm, sự thay đổi đáng kể về độ dày thành và mặt cắt mỏng có thành phẳng để tránh tập trung ứng suất quá mức. Việc lựa chọn bán kính phi lê là rất quan trọng—các phi lê quá nhỏ dẫn đến tập trung ứng suất, trong khi các phi lê quá lớn có thể làm giảm độ bền của khuôn. Việc điều chỉnh bán kính phi lê thích hợp có thể đảm bảo dòng kim loại đồng đều hơn.

2.2.3 Xác kích thước lỗ khuônđịnh

Việc xác định kích thước lỗ khuôn đòi hỏi phải xem xét toàn diện các đặc tính biên dạng và tốc độ co ngót của vật liệu khuôn. Đối với hợp kim nhôm 6063 và thép H13, tốc độ co ngót thiết kế của lỗ khuôn nên được đặt ở mức 1,01% -1,09% (được lựa chọn phù hợp dựa trên kích thước lỗ khuôn).

2.2.4 Vị trí khoang Sự sắp xếpkhuôn

Không nên đặt các hốc khuôn quá gần mép khuôn vì điều này có thể làm giảm độ bền của khuôn và dẫn đến kim loại chảy vào vùng chết, do đó ảnh hưởng đến chất lượng bề mặt sản phẩm. Hệ số đùn (hệ số giãn dài) phải được kiểm soát trong khoảng 10-50.

2.3 Quy trình xử lý nhiệt

Chất lượng xử lý nhiệt ảnh hưởng trực tiếp đến tuổi thọ của khuôn.

2.3.1 Quy trình xử lý nhiệt được khuyến nghị cho thép H13

Quy trình sản xuất	Tnhiệt độ Dải	Thời ủ sồigian	Nhận xét
Làm nóng trước	600-630oC → 830-850oC	1,5-2,0h	Điều chỉnh hợp lý các khuyết tật vi mô
Làm nguội	1040-1080oC	2-2,5h	Làm nguội dầu sau khi đun nóng, sau đó lấy ra và làm mát bằng không khí ở khoảng 130°C
Ủ đơn	380-400oC → 580-600oC	1h → 2h	Tăng dần nhiệt độ để tránh nứt
Ủ thứ cấp	560-580oC	2 giờ	Làm mát không khí sau khi ra khỏi lò

2.3.2 Điểm kỹ thuật

Thép H13 rất nhạy cảm với nhiệt độ tôi và thể hiện hiệu suất tôi tuyệt vời ở nhiệt độ cao, đòi hỏi phải tôi ở nhiệt độ cao. Ứng suất bên trong đáng kể vẫn còn trong khuôn sau khi tôi, cần ủ trong vòng 1-2 giờ để loại bỏ ứng suất tôi. Quá trình ủ thứ cấp đảm bảo sự ổn định cấu trúc vi mô và loại bỏ hoàn toàn austenite dư.

2.4 Smặt bề tăng cường Công nghệ

2.4.1 N itrogen TPhản ứng

Xử lý thấm nitơ hiện là phương pháp tăng cường bề mặt được sử dụng phổ biến nhất cho khuôn ép đùn, chiếm khoảng 90-95%. Thấm nitơ có thể làm tăng đáng kể độ cứng bề mặt trong khi vẫn duy trì đủ độ dẻo dai trong khuôn, do đó làm giảm mài mòn nhiệt.

Những điểm chính của xử lý thấm nitơ:

Thấm nitơ nhiều lần: Thực hiện 3-4 lần xử lý thấm nitơ lặp lại trong suốt thời gian sử dụng khuôn.

Độ dày lớp thấm nitơ: Thường yêu cầu đạt 0,15-0,20 mm

Thời gian thấm nitơ: Thực hiện thấm nitơ lặp đi lặp lại trong quá trình sử dụng khuôn lần đầu để đạt được các đặc tính bề mặt tối ưu.

2.4.2 Lớp màng phủ ​ cứng​

Công nghệ phủ lắng đọng hơi vật lý (PVD) và lắng đọng hơi hóa học (CVD) đang được áp dụng dần dần. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng lớp phủ CVD TiC+TiN có khả năng chống mài mòn vượt trội so với phương pháp thấm nitơ. Xử lý khuếch tán nhiệt kết hợp với sự hiện diện của cacbua/nitrit V và Nb giúp tăng cường đáng kể khả năng chống mài mòn.

Đối với khuôn ép đùn của ống nhôm xốp cỡ nhỏ, việc áp dụng lớp phủ màng cứng có thể giải quyết hiệu quả các vấn đề về độ bám dính giữa nhôm hoặc chất bôi trơn trên lớp bề mặt khuôn, từ đó giảm tỷ lệ phế phẩm của sản phẩm.

2.5 của quá trình ép đùnsố Các thông

2.5.1 Tốc độ đùn

Tốc độ đùn ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ khuôn và tính đồng nhất của dòng kim loại. Tốc độ đùn quá mức làm tăng đáng kể ứng suất khuôn, do đó làm tăng tốc độ mài mòn và dẫn đến dòng kim loại không đều và nhiệt độ khuôn tăng cao. Nếu nhiệt dư sinh ra trong quá trình biến dạng không được loại bỏ kịp thời, khuôn có thể bị hỏng do quá nhiệt cục bộ. Tốc độ đùn được khuyến nghị thường được kiểm soát dưới 25 mm/s.

2.5.2 Gia nhiệt khuôn trước

Khuôn phải được làm nóng kỹ trước khi sử dụng, thường đạt tới 440-460°C và duy trì ở nhiệt độ này trong hơn 2 giờ để đảm bảo phân bổ nhiệt độ đồng đều cả bên trong và bên ngoài. Gia nhiệt trước không đủ có thể dẫn đến chênh lệch nhiệt độ quá mức giữa bề mặt và lõi khuôn, dẫn đến ứng suất nhiệt và hình thành nhanh các vết nứt do mỏi nhiệt.

2.5.3 Cường độ theo từng sử dụng Ibước

Khuôn nên áp dụng chiến lược cường độ sử dụng thấp-cao-thấp trong suốt chu kỳ dịch vụ của nó:

Giai đoạn đầu sử dụng: Các đặc tính cấu trúc vi mô của khuôn vẫn đang trong giai đoạn dao động. Một giao thức vận hành cường độ thấp được áp dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển khuôn sang trạng thái ổn định.

Sử dụng trung hạn: Khuôn thể hiện hiệu suất toàn diện tối ưu, với sự tăng cường sức mạnh hoạt động thích hợp.

: của chúng ta sau này Tuổi Sự suy giảm cấu trúc bên trong xảy ra, dẫn đến độ bền mỏi nhiệt giảm. Cường độ sử dụng phải được giảm thích hợp để tránh biến dạng và nứt.

3. Chiến lược có hệ thống để cải thiện khuôn tuổi thọ

3.1 Giai đoạn thiết kế và sản xuất

Tối ưu hóa khuôn cấu trúc : Sử dụng thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) và phân tích phần tử hữu hạn (FEA) để đảm bảo phân bố ứng suất đồng đều và tránh tập trung ứng suất.

Lựa chọn vật liệu hợp lý: Ưu tiên thép H13 để đảm bảo chất lượng vật liệu và tiến hành kiểm tra trước đặc tính vật liệu.

Kiểm soát chất lượng xử lý:

Ủ kỹ lưỡng sau khi cắt dây giúp cải thiện trạng thái ứng suất kéo bề mặt;

Ngăn chặn sự hình thành lớp suy thoái trong quá trình gia công phóng điện và loại bỏ lớp suy thoái khi cần thiết;

Trong phạm vi cho phép của thiết kế bản vẽ, đường kính dây cắt dây càng lớn thì càng tốt;

Thiết kế tiêu chuẩn hóa: Tạo điều kiện thuận lợi cho khả năng thay thế khuôn, lưu trữ và bảo trì.

3.2 Giai đoạn xử lý nhiệt và xử lý bề mặt

Thực hiện nghiêm ngặt các quy trình xử lý nhiệt: kiểm soát tốc độ gia nhiệt, nhiệt độ tôi, tốc độ tôi và nhiệt độ ủ.

Nhiều lần ủ: Thực hiện ít nhất hai chu kỳ ủ để đảm bảo độ ổn định cấu trúc vi mô

Quá trình thấm nitơ lặp lại chuẩn bị: Thực hiện 3-4 lần xử lý thấm nitơ trước khi sử dụng để đạt được độ dày lớp nitrit là 0,15-0,20 mm.

Xem xét các lớp phủ tiên tiến: Đối với khuôn chính xác, có thể thử lớp phủ CVD/PVD.

3.3 Giai đoạn bảo trì

Hệ thống sử dụng khoa học:

Thực hiện nghiêm túc hệ thống gia nhiệt khuôn trước;

Kiểm soát tốc độ đùn 25 mm/s;

Áp dụng cường độ sử dụng theo từng bước thấp-cao-thấp;

Tránh biến động nhiệt độ quá cao và tải xen kẽ.

Bảo dưỡng thấm nitơ thường xuyên: Thực hiện thấm nitơ lại sau một chu kỳ bảo dưỡng nhất định để khôi phục độ cứng bề mặt.

Sửa chữa kịp thời khuôn : Giải quyết kịp thời những hao mòn hoặc biến dạng nhỏ để ngăn chặn sự lan truyền của khuyết tật.

kiện vận hành Điều ưu Tối hóa điều kiện :

Khuôn làm mát bằng nước hoặc làm mát bằng nitơ đã được sử dụng;

Đảm bảo bôi trơn đầy đủ để giảm ma sát;

Tối ưu hóa nhiệt độ đùn và tỷ lệ đùn để giảm tải khuôn.

3.4 Quản lý toàn bộ vòng đời

Thiết lập kho lưu trữ khuôn : Ghi lại vật liệu, quy trình xử lý nhiệt, tần suất sử dụng và lịch sử sửa chữa của từng bộ khuôn.

Dự đoán: Dựa trên Mô hình hao mòn Archard và Phân tích phần tử hữu hạn, dự đoán tuổi thọ còn lại của khuôn

Tiêu chí phế liệu: Thiết lập tiêu chí phế liệu khuôn rõ ràng, bao gồm dung sai kích thước và độ sâu vết nứt.

Phân tích lỗi: Phân tích có hệ thống các lỗi sớm của khuôn để tìm ra nguyên nhân và cải tiến.