Page 145 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第四章 高温合金锻造过程数值模拟

磨损行为。实验结果证明离模具工作带入口 8~10mm 位置出现严重磨损，而模
芯和靠近出口位置基本没有发生磨损。同时对比发现 Inconel718 模具钢的挤压使
用寿命相比 H13 钢的更好，达到 40 次以上，而 H13 钢热挤压 30 次左右模具工

作带位置出现严重磨损。Inconel718 模具钢磨损机制与 H13 钢相似，主要为粘着
磨损和磨粒磨损。强烈的铝粘模化学现象导致 Ni-Al-Si-Mo-Ti-Cr-Fe-Zn-O 金属间
混合物的形成。在工作带位置高拉应力的作用下该混合物会发生剥落。同时剥落
的混合物和界面形成的铝合金氧化层共同起磨粒作用使模具钢表面层出现剥落。

BJÖRK 等调查了气体渗氮和 CVD 沉积 TiC+TiN 涂层两种挤压模具的磨损失效
行为。挤压模具表面首先发生化学磨损，然后出现剥层和蚀损。渗氮处理的模
具离工作带入口 0.5~2mm 的过渡处基体被化学磨损成 20~100µm 的火山坑，而
CVD 沉积 TiC+TiN 涂层的模具在工作带入口附近处发生磨粒磨损。

2. 工作带界面的摩擦磨损对挤出型材表面质量的影响
模具工作带的几何形态和表面质量直接影响挤出型材的表面质量。型材表面
挤压条纹的产生或挤压碎屑，与模具工作带附近的金属流动行为、工作带表面的
磨损状况密切相关。模具工作带位置不同部位的损伤或磨损，对型材表面质量的

影响机理作用不同。模孔入口附近的工作带损伤对型材表面的影响相对很小，轻
微损伤、磨损虽然会使铝合金表面暂时出现划痕，但由于金属流过模具入口尚未
最终成形，在高温下通过后部光滑平整的工作带时，表面缺陷问题可以得到修复。
因此，只要工作带长度适当，一般不会在型材表面留下明显痕迹；而靠近模孔出

口的工作带损伤对型材表面的影响较大，即使该部位工作带没有损伤，由于模具
维护或其他原因导致工作带靠近出口部位出现大的负角或圆弧状时，也会导致型
材表面产生明显的模纹。一方面，型材通过该位置逐渐与工作带表面分离，有效
工作带长度大为缩短，不能保证最小必要的工作带长度，导致模纹缺陷；另一方

面，大的负角或圆弧状容易产生粘铝现象。凹凸不平的粘铝层与型材表面发生摩
擦或滑出工作带，形成粗糙的表面模纹和挤压磨屑。MA 从机理上揭示了挤压型
材表面质量主要跟磨屑有关。
磨屑的形成有 4 个阶段（见图 4-2）：①初始阶段：在模具工作带滑移区域

表面上的粗糙凸峰位置，在高温条件下，钢铝在粘着摩擦磨损条件下发生材料转
移，形成磨屑生长点；②生长阶段：随着挤压过程的继续，材料不断转移，初始
生长点开始长大，同时粘结点的表面氧化很快，形成一个多层混合结构。为了维

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