型材挤压模具材料为H13钢，该模具刚投入使用即发生开裂，开裂件约占总数量的一半。对开裂件进行了宏观分析、化学成分分析、硬度分析、金相分析、电子形貌分析和腐蚀产物的能谱分析后认为该模具开裂原因是由于热处理不当所造成的。 0、引言 开裂的铝合金挤压模具材质为H13钢，刚投入使用即发生开裂，开裂的模具宏观形貌见图1。 该模具同批生产的共计50套，开裂的有20多套，其中一部分在使用时开裂，一部分在盐浴氮化过程中开裂。模具正常使用 温度为480～500℃，热处理采用井式空气炉加热淬、回火，硬度范围要求为48～51HRC，热处理后进行精加工成型，然后进行盐浴氮化处理，氮化时先于300℃预热，然后于540℃保温2～3小时，结束后空冷30分钟再水冷却。 1、理化试验 1.1、宏观分析 切取模具开裂部位，将裂纹打开，肉眼观察，模具开裂面整体呈黑，个别区域呈褐，有氧化腐蚀产物覆盖并存在大量放射纹，放射纹收敛方向指向模具外圆转角部位，为开裂源区，见图2所示，其中颜较浅、有剪切唇和开裂源区相对的区域为最后断裂区域[1]。 1.2、低倍检验 从加工该批模具的原材料上切取横向试样，磨削后进行热酸侵蚀试验，按照GB/T1979-2003评级图2进行评定，结果为：一般疏松级别小于1级，未见其它缺陷。 1.3、化学成分分析 从开裂的模具上取样做化学成分分析，结果见表1，符合技术要求。 1.4、硬度检验从开裂的模具上取样做硬度检验，结果为：48.0HRC，47.5 HRC， 47.5HRC。
从模具开裂部位切取横向试样，经镶嵌、磨抛后采用300g载荷于FM-700型显微硬度计上做显微硬度梯度检查，结果见图3，可见离表层约0.1mm的范围显微硬度明显高一些，该现象主要是由于模具采用了盐
浴氮处理所致。
表1 化学成分分析结果(%)
铝型材组合模具的设计要点
分流孔的断面积与型材的断面积之比，见公式1，称之为分流比。
分流比值越小，挤压变形阻力越大，在保证模具强度的条件下尽量选取较大的。
对于生产型材：取10至30；
对于生产管材：取5至10。
分流孔的选择：
能量传送器分流孔的断面形状有圆形、腰子形、扇形及异形等。对于复杂断面型材多取扇形和异形，对于管材及筒单断面型材取圆形和腰子型。分流孔的数目有二孔、三孔、四孔及多孔，见图2。对于外形尺寸小，断面形状较对称的，可采用二孔或三孔，外形较大，断面复杂的取四孔或多孔。一般情况下，分
流孔数要尽量少，以减少焊缝，增大分流孔的面积，降低挤压力。
b2y分流桥的选择：
分流桥宽度B从加
大分流比，降低挤压力来考虑，可选小些，但从改善金属流动均匀性考虑，选择大点比较合适。一般取B=b+（3至10）mm，制品外形及内腔尺寸大的取下限，B=b+（3至5）mm；反之取上限，B=b+（5至10）mm。Ｂ为型腔宽度。分流桥的截面多采用矩形倒角截面或近似水滴形截面。分流桥的斜度一般取45度，对难挤压的形状取30度，桥底圆角为2至5mm。通常在桥的两端做成桥镦。
模芯结构的选择：
模芯结构形式分为锥式、锥台式和凸台式三种类型，
在模心宽度小于10mm时，多采用锥式。在模具模心宽度在10和20mm之间时，多采用锥台式。
在模心宽度大于20mm时，多采用凸台式。
焊接室的选择模孔尺寸：
焊合室的高度大，有利于金属的焊合，但太高会影响模芯的稳定性。焊合室高度在很大程度上取决于挤压筒直径。
若筒径φ115～φ130mm，取h=10～15mm；
若筒径φ170～φ200mm，取h=20～25mm；
若筒径φ220～φ280mm，取h=30mm；
若筒径在φ300mm以上，取h=40mm；
焊合室一般采用碟形。为消除死区，取β=5°～10°，R=5～10mm。
模孔尺寸：
型材外形的模孔尺寸见公式2。
型材壁厚模孔尺寸可按公式3计算。
对于下列型材，确定壁厚尺寸时，应考虑到型材尺寸。若尺寸大或具有悬臂梁部分挤压时，模具易产生弹塑性变形，面引起制品壁厚尺寸改变小，故应对壁厚模孔进行修正，修正量见图5，
工作带宽度尺寸：
确定分流组合模的工作带要比确定半模工作带复杂得多，不仅要考虑到型材壁厚差，距中心的远近，面且必须考虑到模孔被分流桥遮蔽的情况。处于分流桥底下的模孔，由于金属流进困难，工作带必须考虑减薄些。在确定工作带时，首先要出在分流桥下型材壁厚最薄处即金属流动阻力最大的地方，此处的最小工作带定为壁厚的两倍，壁厚较厚或金属容易达到的地方，工作带要适当考虑加厚，一般按一定的比例关系，再加上易流动的修正值。
分流组合模的工作带较平模厚些，这对金属的焊合有好处，
模孔室刀结构：
模孔空刀结构
风管抗震支吊架模孔空刀就是模孔工作带出口端悬臂支承的结构。型材壁厚t≥2.0mm时，可采用加工容易的直空刀结构；当t<2mm时，或者带有悬臂处可用斜空刀；对于危险断面处可用图7中的c、d所示的空刀结构。为降低工作带阻力，增加其强度，工作带出口外做成1至3度角。
模具强度校核：由于建材形状复杂，模具强度难以精确计算。一般据生产经验并考虑模具系列化，在一台挤压机上确定2至3种规格的模具，然后校核其强度。
动动网分流模具的强度校核，主要校核分流桥中由于挤压力引起的弯曲应力及剪切应力。对于双孔及四孔的分流桥
，可以认为是一个受均匀载荷的筒支梁。可按公式4校核其危险断面处的模具强度。
石墨导路：采用石墨导路可提高挤压制品的质量。由于建材种类多，形状复杂，不能每种截面形状各做一个导路。因此设计时，一般按制品形状、尺寸接近的数种规格做一种导路，其断面形状有方形、矩形、圆形、丁字形等。公式1 K=F1/F2
公式2 A=A0=KAO=(1=K)A0
式中A0-型材外形名义尺寸；K－经验系数，对于063合金，K＝0.012。
公式3 B=BO+△
式中 B0－型材壁厚的名义尺寸。
公式4 H=p/2[β]÷L
式中H－模具危险断面处厚度；L－分流桥根之间距离；p＝该挤压筒的单位挤压力；[β]－模具材料在工作温度下的许用弯曲应力。
窗体顶端
窗体底端
Tab.1 Analysis results of chemical composition (wt%)
图3 表层至心部硬度变化情况
Fig.3 Microhardness test results
1.5、金相分析
从裂源处切取纵向试样，经镶嵌、磨抛后置于LEICA DMLM型光学显微镜下做夹杂物检验，按照GB/T10561-2005/ISO4967：1998(E)标准A法，使用ISO评级图评定，结果为，A0.5，B0.5，C0，D1.0，可见其夹杂物级别不高。
从开裂面处切取纵向试样，经镶嵌、磨抛、侵蚀后置于LEICA DMLM型光学显微镜下观察，按照GB/T18254-2002评定，碳化物带状组织小于1级。
图4为开裂处金相组织，裂纹侧面无脱碳现象，说明模具在热处理淬火加热前还没有开裂[2]；远离表
面的金相组织为回火马氏体+碳化物，见图5，碳化物分布比较均匀。图6为裂纹源处的组织形貌，除看到模具次表面的氮化脉状组织外，还可以看到裂纹侧面的氮化白亮层和模具表面的氮化白亮层具有完好的连续性，说明该模具在盐浴氮化过程中裂纹已经存在。
1.6、电子形貌分析
从模具开裂部位切取试样，清洗后置于PHILIPS扫描电子显微镜下观察，开裂源区电子形貌见图7，可见有一层氧化腐蚀产物覆盖；图8为裂纹扩展区电子形貌，同样有氧化腐蚀产物覆盖；图9为最后断裂区域的电子形貌，为韧窝，无氧化腐蚀产物覆盖，分析认为该区域是模具在使用中断开的。
从模具开裂处切取试样，经镶嵌、磨抛后置于PHILIPS扫描电子显微镜下观察，其剖面电子形貌见图10，可以看到模具表面的氧化腐蚀产物形貌。
1.7、能谱分析
对开裂源区断裂面上的腐蚀产物(图7)采用EDAX能谱仪进行元素的半定量分析，结果见图11，含有较多的铝、钠、钾、氧、硫等元素，其中铝含量为19.74%，钠含量为15.00%，钾含量为5.29%，氧含量为1.19%，硫含量为0.34%。
逗号刮刀图11 能谱分析谱图
Fig.11 Energy analysis spectrum of the corrosion products
2、结果与分析
以上理化试验结果可归纳为：该开裂模具化学成分符合技术要求，低倍组织正常，非金属夹杂物级别不高，金相组织正常，碳化物分布比较均匀，开裂面无脱碳现象，但硬度检验结果略低于技术要求，裂纹源处裂纹侧面的氮化白亮层和模具表面的氮化白亮层具有完好的连续性，裂源处开裂面上的腐蚀产物含有较多的铝、钠、钾、氧、硫等元素。
2.1化学成分分析结果、低倍检验结果以及金相组织检验结果表明生产该模具的原材料质量尚好;
2.2裂源处开裂面没有脱碳以及和模具表面不同的组织形貌说明该模具在热处理淬火加热前没有开裂，裂纹源处裂纹侧面的氮化白亮层和零件表面的氮化白亮层具有完好的连续性说明该模具在盐浴氮化过程中已经有裂纹存在;
2.3开裂面上的腐蚀产物含有较多的钠和钾元素，而这两种元素是盐浴氮化介质中的主要元素[3]，这也说明模具在盐浴氮化过程中裂纹已经存在。
3、结论
综合分析后认为，该模具开裂原因为热处理不当所致。
在国内，铝型材挤压模具的设计、制造、热处理以及工作带表面强化处理等方面，有了突飞猛进的发展。特别是在设计制造方面，经历了手工、半机械化、机械化、自动化等过程，发展到现在的CAD/CAM，模具的质量、使用寿命等，有了很大的提高。但是，比起国外先进的挤压模具技术，我们还是有一定的差距的，在模具使用寿命上，更能说明这一点。据资料统计：国外平面模具平均使用寿命一般在30-50T/模，组合模使用寿命一般在20-50T/模，国内平面模平均使用寿命一般在10-20T/模，组合模使用寿命一般在5-15T/模。差距所在，不能不引起重视。一方面，认真学习和借鉴国外先进的设计制造及管理经验，为我所用；二方面，对其设计制造理论进行研究，探讨适合我拉所需要的技术，出模具设计、制造、使用和管理的良好途径。在此通过实践经验，对影响工模具使用寿命的因素及应该采取的对策进行总结。
??1、模具材挤压模具使用寿命的概念
??铝型材挤压模具的报废形式有两种：一种是正常的磨损超差报废；另一种是早期失效报废。模具报废前，生产铝型材多少，统称为挤压模具的使用寿命。可以用吨位计算，可以用通过铸棒的根数计量，也可以用通过产品的总长计量。
??模具在每次挤压使用后，要进行清理、修正、光模、氮化等工序，把每次生产后的产品通过量，称之为套次通过量，套次通过量的总和，即为模具的使用寿命。当然，套次越多，通过量越大，使用寿命就越高。由于挤压模具受到的影响因素较多，同一种型材、同一种设计制造方式
、同样的使用工艺条件，其使用寿命差别也是很大的，因此，准确地定义出模具的使用寿命也是比较困难。所谓的模具使用寿命，也是一个大致地、不很确切的概念。
??模具的正确报废和早期失效大致比例为：正常报废为85%左右，早期失效报废为15%左右。这是平面模和组合空心模平均使用寿命的统计比率，若详细统计，组合空心模的使用寿命达不到此数值。
??2、影响工模具使用寿命的主要因素及措施
??2.1型材断面设计影响及措施
??型材断面形状、壁厚尺寸、偏差要求等，是影响模具使用寿命的第一因素。型材断面简单、壁厚合适、公差带较宽、无太大悬臂、挤压比合适、模具的使用寿命就会大大提高，反之，则降低。应采取的措施是：在设计型材断面时，尽量避免尖角、大悬臂等问题，在满足型材，在满足型材使的情况下，选择合适的壁厚和尺寸偏差，尽量避免单向偏差，即使对尺寸进行调整，也要保证双向偏差。
??2.2模具设计的影响因素及措施
??模具设计的作用，一是要确保模具在挤压使用时，生产出符合图纸要求的产品；二是要根据模具的工作环境及工艺条件，确保其机械性能。三是选择合适的模具结构及材质。但是，由于模具设计参数选择不当、材质选择不合理、单方面追求产品合格性而忽略了模具的机械性能、对模具的工作环境考
虑不足等因素，极易造成模具的早期失效或缩短使用寿命。因此，正确地选择模具设计的各项参数、正确地选择材质、充分考虑模具的使用环境、详细计算模具的机械性能、合理地选择模具的结构形式、避免模具的尖角过渡和模具内表面凸凹不平等措施，是提高模具使用寿命重要途径之一。另外，采用模具设计的先进理论，考虑模具受力均衡性，结合每一种型材及模具的特点进行设计，是提高模具使用寿命的重要措施。
??2.3模具材质、加工制作、热处理等影响因素及措施
??材质是模具使用寿命长短的关键，对模具的早期失效影响更大。模具材质自采用H13钢替代了3Cr2W8V钢以来，其寿命有了很大的提高。所以，在模具材质选用方面，要充分了解和掌握材质的化学成分、冶金过程、锻造和热处理工艺等环节，采用正规企业生产的钢材，避免贪便宜而用非正企业生产的劣质钢材。
??在模具的制造过程中，尺寸偏差的掌握、模具表面过渡位置的圆滑程度、装配配合尺寸的掌握、分流孔工作带相对尺寸偏差的掌握等细节，都将影响到模具的使用寿命。细化制作工艺、严格按图纸尺寸偏差的要求，对模具进行修研、抛光、做好尖角过渡等事项，无疑对模具使用寿命是大有益处的。
??再的的模具材质，由
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