Page 144 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

Numerical Simulation Driven Hot Working Technology for High-temperature Alloys
数值模拟驱动的高温合金热加工技术

致更大的摩擦。SCHIKORRA 等通过追踪金属材料流动来研究热铝挤压过程中铝
锭与挤压筒内壁的摩擦问题。在 6060 铝锭中嵌入 19 根带有标记的 4043 铝合金
棒材进行挤压试验，通过观察不同挤压行程下带有标记的 4043 铝合金棒材在铝

锭中的流动状态就可研究挤压筒内壁界面的摩擦行为。结果发现在挤压温度达到
430℃时，铝锭与挤压筒内壁的接触表面几乎产生完全粘着摩擦，导致铝粘模发生。
（3）挤出型材与工作带接触界面
靠近挤压出口的模具工作带位置，由于接触压力从入口的较高值逐渐减少

到 0，接触界面的摩擦磨损行为完全发生改变。WELO 等认为模具工作带位置的
摩擦类型分为 3 种：粘着区域、过渡区域和滑移区域。靠近工作带入口，在高温
和高压下，模具表面粘附一层铝合金，发生严重的化学扩散和粘着摩擦。而靠近
工作带出口压力下降为 0，为滑移区域。在粘着和滑移区域之间，形成一个过渡

区域。这是因为在连续挤压加工中，由于需要更换铸锭，金属在模具停留过程
中与模具表面发生严重的化学粘结。模具工作带入口位置，在高的接触压力下界
面粘结强度增加，使金属与模具表面的流动的滑移受阻，导致粘着区域的产生。
ABTAHI 发现挤压模具磨损一般发生在工作带位置的过渡区域。在粘着区域和滑

移区域，接触界面形成的混合层和氧化物起扩散障碍作用，会阻碍模具表面的化
学磨损。而过渡区域的化学磨损速率条件是最优的，金属流动速度足够低且没有
扩散障碍。化学反应主要引起两种磨损机制，一是模具表面材料的连续溶解；二
是模具表面材料的间断剥落。在连续挤压过程中，表面材料的剥落会加剧。模具

工作带位置 3 个区域的长度，取决于工作带表面和工件之间的摩擦，材料的流动，
表面压力的分布及型材出口的牵引力大小及模具表面混合层等，要精确确定目前
尚未有明确的方法。
BIROL 研究了气体氮化 H13 钢挤压模工作带位置的磨损失效机制。靠近模

具工作带入口 3mm 处的表面混合层发生严重的摩擦磨损，大部分剥落，最大磨
损深度达到 50µm，而其他部分没有发生磨损。热挤压过程中靠近工作带入口位
置受高温、高压和高剪应力作用形成大量表面裂纹。当裂纹达到一定尺寸时，剪
应力会超过模具钢的开裂强度，出现磨损碎片。多元渗氮导致次表面扩散层的脆

化和网状氮化物沿晶界的分布进一步加剧裂纹的形成。磨损坑中游离铝的诱导促
进表面层的剥落。剥落形成的硬的氮化物沿挤压方向起犁沟作用导致工作带表面
的磨损。GUTOVSKAYA 等研究了 Inconel718 模具钢工作带位置在挤压过程中的

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