李偉偉，　余心宏

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 西安 710072)

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GH4169合金反擠壓成形模具磨損

李偉偉，余心宏

(西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院， 西安 710072)

基于修正Archard磨損模型，采用數(shù)值模擬方法系統(tǒng)分析了GH4169合金反擠壓成形過程中各擠壓工藝參數(shù)對模具磨損的影響規(guī)律。結(jié)果表明：在選取的參數(shù)范圍內(nèi)，擠壓凸模最易產(chǎn)生磨損失效的區(qū)域為凸模圓角處，模具最大磨損深度隨凸模圓角半徑及坯料預(yù)熱溫度的增大而降低，隨摩擦系數(shù)的增大而增大；當(dāng)擠壓速率小于100 mm/s時，模具最大磨損深度隨擠壓速率的增大而減小，當(dāng)擠壓速率大于100mm/s時，模具最大磨損深度隨擠壓速率的增大先增大后減小。最佳工藝參數(shù)坯料預(yù)熱溫度1020 ℃，摩擦系數(shù)0.05，變形速率100mm/s，模具預(yù)熱溫度300 ℃時模具磨損量最小，為9.28×10-3mm。

高溫合金；反擠壓；模具磨損；數(shù)值模擬

GH4169作為鎳基高溫合金中應(yīng)用最廣泛的合金牌號之一，在高溫條件下具有強度高、抗氧化、抗輻射、熱加工性能優(yōu)異等特性，廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源和電力等領(lǐng)域[1-2]。對于鎳基高溫合金材料來說，由于強度很高、塑性成形溫度范圍很窄，塑性加工工藝很難控制[3]，而且組織性能對變形熱力參數(shù)高度敏感，所以對其加工成形多集中在鍛造工藝，而對擠壓工藝研究相對較少。

熱擠壓成形工藝相較于鍛造工藝具有較高的材料變形能力及產(chǎn)品精度，所以其在工業(yè)生產(chǎn)中占有較大的比重。但對熱擠壓成形工藝來說，模具工作環(huán)境較差，長時間承受高溫、高壓、反復(fù)循環(huán)應(yīng)力等作用，導(dǎo)致模具極易因產(chǎn)生磨損、疲勞開裂、塑性變形等失效而報廢[4]。Lange等[5]研究發(fā)現(xiàn)：在金屬精密塑性成形特別是高溫成形中，因磨損而造成的模具失效約占整個模具失效的70%，所以模具磨損是影響模具壽命的關(guān)鍵性因素。苗培壯等[6]等通過分析金屬溫?zé)岢尚沃心＞吣p的最新進展，總結(jié)得出降低模具磨損，提高模具壽命可從模具材料改性及工藝參數(shù)優(yōu)化兩方面著手。而為預(yù)測模具磨損量，Archard建立了模具磨損理論的基本經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚7]。此后國內(nèi)外許多學(xué)者對該模型進行了修正，如Kang等[8-9]為考慮磨損累計效應(yīng)，引入了鍛打系數(shù)n和鍛造時間t,通過硬度當(dāng)量H/H(T,t,winitial)進行了Archard模型修正，同樣Lee等[10]為考慮溫度變化對模具硬度H及磨損系數(shù)K的影響也進行了Archard模型修正，而這一修正模型正是目前許多學(xué)者對熱成形工藝模具磨損方面研究的依據(jù)。國內(nèi)在熱擠壓及模具磨損方面研究多集中于鋁合金[11-12]等，對高溫合金研究較少,因此本工作為提高熱擠壓模具使用壽命，基于修正Archard模型對GH4169合金反擠壓模具磨損情況進行分析，研究凸模圓角半徑及擠壓工藝參數(shù)(坯料預(yù)熱溫度、摩擦系數(shù)、變形速率和模具預(yù)熱溫度)對模具磨損的影響規(guī)律。

1　擠壓模具磨損模型分析

Archard磨損模型作為經(jīng)典經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，目前已被大量用來預(yù)測模具磨損情況，表達式如下：

(1)

該經(jīng)驗?zāi)Ｐ驼J(rèn)為模具磨損深度W正比于模具與坯料之間的磨損系數(shù)K、模具表面正應(yīng)力P以及模具與坯料之間的相對滑動距離L，而反比于模具硬度HV，其中磨損系數(shù)和模具硬度為常量。但事實上隨著模具溫度的變化，尤其對于熱擠壓工藝來說模具溫度一般都高于400 ℃，此時的模具材料性能及接觸條件會發(fā)生顯著變化，明顯已不再適合于傳統(tǒng)的Archard磨損模型，所以基于此LEE等以H13鋼作為模具材料對Archard磨損模型進行了修正，并且假設(shè)該模型理論仍適用于熱擠壓成形工藝，但此時的磨損系數(shù)和模具硬度不是常量，修正后的磨損模型為：

(2)

式中K(T)和H(T)為溫度的函數(shù)，而Lee等[10]通過高溫環(huán)-盤磨損試驗及高溫硬度試驗分別確定了二者與溫度的關(guān)系，歸納實驗數(shù)據(jù)表達式為：

H(T)=9216.4T-0.505

K(T)=[29.29ln(T)-168.73]×10-6

(3)

式中T為絕對溫度。

在熱擠壓成形工藝中，壓力、溫度以及速率會隨擠壓行程的變化而不斷變化，如圖1所示為擠壓過程中的模具表面磨損機理，因此，式(2)可修正如下：

圖1　模具磨損機理Fig.1　Mechanism of die wearing

(4)

式中：ΔWij為i位置處第j增量步的磨損量，Lij和Pij分別為此時的滑動長度及模具表面正壓力，Kij和Hij分別為此時的磨損系數(shù)及模具硬度。

在單次擠壓行程中i位置處的總磨損量可表示為：

(5)

式中n為單次擠壓行程中模擬步數(shù)。

通過有限元分析獲取擠壓過程中任一模擬步中各個節(jié)點的溫度、速率及壓力分布，將結(jié)果代入式(3)，(4)即可求得擠壓模具各個節(jié)點任一模擬步的磨損量，最后將其結(jié)果代入式(5)求得基于修正磨損模型的單次擠壓行程模具各個節(jié)點的總磨損量。

2　模具仿真模擬分析

2.1仿真參數(shù)設(shè)置

通過DEROEM-3D有限元軟件對杯形件進行反擠壓熱力耦合模擬，獲取研究模具磨損問題所需的坯料與模具在各個成形階段的溫度、速率以及壓力分布狀況。表1所示為實際模擬過程中坯料與模具的材料參數(shù)。

表1　坯料與模具的材料參數(shù)Table 1　Parameters of billets and die

2.2模具磨損分布

圖2　杯形件反擠壓模型示意圖Fig.2　Schematic plan of backward extrusion

圖3　測量點編號示意圖Fig.3　Schematic plan of measure points

圖4　不同凸模圓角半徑下模具磨損分布Fig.4　Wear distribution on the die under different punch radius

反擠壓凸模作為擠壓成形過程的關(guān)鍵部件，對型材質(zhì)量的影響最為顯著，其在成形過程中承受較大的軸向、徑向壓力[13]，同時與金屬間相對滑動速率較大，因此相較于其他模具最易因磨損而失效。故本工作只針對擠壓凸模進行研究，采用錐形平底凸模進行成形模擬，圖2所示為反擠壓1/4模型示意圖。采用圖3所示的方法對模具工作區(qū)取27個測量點，以此來分析擠壓過程中凸模表面磨損規(guī)律及不同凸模圓角半徑對模具磨損的影響。結(jié)果表明：模具最大磨損深度隨凸模圓角半徑的增大而減小。模具按凸模測量點編號可將模具磨損狀況分為A，B和C三個區(qū)域，如圖4所示。區(qū)域A對應(yīng)于凸模工作帶，此處模具表面正應(yīng)力幾乎為零，所以模具表面磨損量較小。區(qū)域B為凸模圓角處，模具表面磨損量最大，該區(qū)域金屬變形劇烈，模具溫度高，一方面由于模具材料因發(fā)生回火軟化致使其硬度下降，耐磨性減弱；另一方面由于模具表面的氧化膜作用效果減弱，金屬流動速率快，因此模具磨損嚴(yán)重。而區(qū)域C處之所以隨著測量點編號減小，模具表面磨損量降低，主要是因為此區(qū)域內(nèi)模具與坯料間的相對滑動速率由內(nèi)向外逐漸增大，同時模具溫度升高導(dǎo)致模具硬度降低，由359HV下降到269HV，下降率達25.07%，而磨損系數(shù)增大最為明顯，由1.96×10-5增大到3.63×10-5，增大率達85.20%，如圖5所示，導(dǎo)致磨損嚴(yán)重。

2.3擠壓工藝參數(shù)對模具磨損的影響

2.3.1坯料預(yù)熱溫度對模具磨損的影響

在熱擠壓成形過程中，為保證坯料具有較好的塑性，較低的變形抗力，同時能在成形后具有優(yōu)良的組織性能，所以一般都要對坯料進行預(yù)熱處理。為探討坯料預(yù)熱溫度對模具磨損的影響，保持模具預(yù)熱溫度350 ℃，摩擦系數(shù)0.05，變形速率50mm/s條件不變，分別取坯料預(yù)熱溫度960 ℃，980 ℃，1000 ℃及1020 ℃進行模擬仿真。

圖5　模具硬度與磨損系數(shù)分布規(guī)律Fig.5　Hardness and wear coefficient distribution on the die surface

由模擬結(jié)果分析知，隨著坯料預(yù)熱溫度由960 ℃上升到1020 ℃，金屬的流動性能得到很大提高，塑性得到有效改善，變形抗力也顯著降低，此時擠壓行程載荷由1.03×106N降低至8.76×105N,降幅達15.8%，所以映射到模具上就是其所承受的正應(yīng)力顯著降低，雖然模具溫度也會增加，見圖6a)，但并不明顯，對模具硬度及磨損系數(shù)的影響不大，此時模具表面正應(yīng)力占主導(dǎo)地位，所以模具磨損的綜合效果總體呈下降趨勢,如圖6b)所示。因此在實際生產(chǎn)中為保證經(jīng)濟性，延長模具使用壽命，可以在確保型材最終質(zhì)量的前提下提高坯料預(yù)熱溫度，降低模具磨損量。

2.3.2摩擦系數(shù)對模具磨損的影響

在熱擠壓成形過程中，模具潤滑狀態(tài)的好壞不僅關(guān)系到擠壓過程中的應(yīng)力、溫度及擠壓載荷大小分布，同時關(guān)系到擠壓模具的表面質(zhì)量及使用壽命。

圖6　坯料預(yù)熱溫度對模具溫度(a)和最大磨損深度(b)的影響Fig.6　Effect of billet temperature on the maximum tempurature(a) and wear depth(b) of the die

因此為研究摩擦系數(shù)對模具磨損的影響，本實驗保持模具預(yù)熱溫度350 ℃，坯料預(yù)熱溫度1020 ℃，變形速率50mm/s條件不變，分別取摩擦系數(shù)0.05，0.1，0.15，0.2及0.35進行模擬仿真。

從模擬結(jié)果可以看出，隨著摩擦系數(shù)由0.05增加到0.35，模具表面最高溫度變化顯著，由814.7 ℃增加到987.5 ℃，如圖7a)所示，最大磨損量由9.98×10-3mm增加到12.8×10-3mm，如圖7b)所示。這是因為摩擦系數(shù)增大，加劇了成形過程中模具與坯料之間的摩擦產(chǎn)熱，模具表面溫度升高顯著，同時摩擦系數(shù)的增大也加劇了金屬的流動阻力，這雖然減小了坯料與模具之間的相對滑動速率，但另一方面擠壓載荷變化顯著，最大載荷分別為8.76×105N，9.13×105N，9.83×106N，9.97×105N和1.18×106N，映射到模具上表現(xiàn)為模具受力急劇增加，當(dāng)摩擦系數(shù)m>0.2時最為明顯，模具磨損程度也越大。

圖7　摩擦系數(shù)對模具溫度(a)和最大磨損深度(b)的影響Fig.7　Effect of friction fractor on the maximum temperature(a) and wear depth(b) of the die

2.3.3變形速率對模具磨損的影響

GH4169合金可變形溫度范圍很窄，所以合適的變形速率的選取至關(guān)重要。為研究變形速率對模具磨損的影響，本實驗保持模具預(yù)熱溫度350 ℃，坯料預(yù)熱溫度1020 ℃，摩擦系數(shù)0.05條件不變，同時參考不銹鋼、鎳基合金等材料的擠壓速率選取經(jīng)驗[14-15]，分別取擠壓速率20 mm/s，50 mm/s，100 mm/s，150 mm/s，200 mm/s進行模擬仿真。

模擬結(jié)果表明：隨著變形速率由20 mm/s逐漸增加到200 mm/s，模具表面最高溫度降低，但降低趨勢隨變形速率的增大而逐漸平緩。這是因為雖然擠壓速率增加會加劇坯料與模具之間的摩擦生熱，促進模具升溫，但由于擠壓速率增加所造成的擠壓變形時間縮短，使得模具與坯料間的熱傳遞作用減弱效果更加明顯，所以模具溫升呈現(xiàn)為下降趨勢，如圖8(a)所示。然而隨著擠壓速率的增大模具最大磨損量變化卻表現(xiàn)出相反的趨勢，當(dāng)變形速率由20 mm/s增加到100 mm/s時，模具最大磨損量降低，但隨著變形速率的繼續(xù)增大，模具最大磨損量先增加后降低，在150 mm/s時達到最大值，此時磨損量為9.62×10-3mm。這是因為整個擠壓行程中模具溫升降低，模具耐磨性增強，而擠壓速率除在100 mm/s增加到150 mm/s時產(chǎn)生模具表面正壓力顯著上升，其余階段均無顯著影響，所以模具最大磨損量總體變化趨勢如圖8(b)所示。本研究中，由于GH4169合金初熔點為1210 ℃，當(dāng)變形速率為200 mm/s時，坯料最高溫度已達1200 ℃，而合金成分變化會影響合金初熔點，所以若GH4169合金在冶煉過程中出現(xiàn)成分波動，則其初熔點可能會降低至1200 ℃或者以下，造成擠壓過程中坯料部分區(qū)域熔化。因此，為保證擠壓型材綜合性能，提高模具使用壽命，對GH4169合金杯形件反擠壓速率選取100 mm/s。

圖8　變形速率對模具溫度(a)和最大磨損深度(b)的影響Fig.8　Effect of extrusion speed on the maximum temperature(a) and wear depth(b) of the die

2.3.4模具預(yù)熱溫度對模具磨損的影響

對于熱擠壓成形工藝來說，由于坯料所處溫度較高，所以必須對模具進行合適的預(yù)熱處理，以免模具因預(yù)熱溫度過低產(chǎn)生激冷激熱而損壞，或因預(yù)熱溫度過高使其抗磨損性能下降而影響壽命。因此為研究模具預(yù)熱溫度對模具磨損的影響，本實驗保持坯料預(yù)熱溫度1020 ℃，變形速率50mm/s，摩擦系數(shù)0.05條件不變，分別取模具預(yù)熱溫度250 ℃，300 ℃，350 ℃，400 ℃，450 ℃進行模擬仿真。

模擬結(jié)果如圖9(a)，(b)所示，當(dāng)模具預(yù)熱溫度從250 ℃增加到300 ℃時，模具最大磨損量減小。這是因為此階段的模具溫度低，易于產(chǎn)生脆性斷裂失效，而隨著模具表面溫度的升高，模具表層會形成一層氧化膜以減小金屬表面的接觸面積，降低模具表面磨損深度[16]；當(dāng)模具預(yù)熱溫度大于300 ℃時，一方面由于坯料與模具間的粘結(jié)性增強，金屬流動阻力增大，另一方面擠壓結(jié)束后模具表面溫度過高，模具材料因回火軟化導(dǎo)致硬度下降，綜合作用促使模具磨損加劇。因此，本研究中可取的模具最佳預(yù)熱溫度為300 ℃。

圖9　不同模具預(yù)熱溫度對模具溫度(a)和最大磨損深度(b)的影響Fig.9　Effection of die temperature on the maximum temperature(a) and wear depth(b) of the die

3　結(jié)論

(1)GH4169合金杯形件反擠壓成形過程中，擠壓凸模易發(fā)生磨損失效，模具最大磨損深度主要集中于凸模圓角部位且隨其圓角半徑的增大而增大，受模具與坯料間的溫度、速率及模具表面正應(yīng)力分布共同影響。

(2)整個擠壓行程中，除變形速率外各工藝參數(shù)的降低均會促使模具溫升降低，提高模具表面耐磨性；模具最大磨損深度隨坯料預(yù)熱溫度的增大而降低，隨摩擦系數(shù)的增大而增大；當(dāng)擠壓速率小于100 mm/s時，模具最大磨損深度隨擠壓速率的增大而減小，當(dāng)擠壓速率大于100 mm/s時，模具最大磨損深度隨擠壓速率的增大先增大后減??；當(dāng)模具預(yù)熱溫度由250 ℃增加到300 ℃時，模具最大磨損深度呈下降趨勢，隨著模具預(yù)熱溫度的繼續(xù)增大，模具最大磨損深度增大。

(3)GH4169合金杯形件反擠壓成形模擬中最佳工藝參數(shù)為坯料預(yù)熱溫度1020 ℃，摩擦系數(shù)0.05，變形速率100 mm/s，模具預(yù)熱溫度300 ℃，模具磨損深度為9.28×10-3mm。

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Die Wear during Backward Extrusion of GH4169 Profiles

LI Weiwei,YU Xinhong

(School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Abstract： Based on the modified Archard wear model, the effects of process parameters on the die wear during backward extrusion of GH4169 superalloy were systematically analyzed by numerical simulation.The results show that within the experimental data, the most prone wear area of the punch is rounded corner, the maximum wear depth of the die is decreased with the increase of the radius of rounded corner and billet temperature, but increased with the increase of friction factor. Also the maximum wear depth of the die is decreased with the increase of speed when the forming speed is less than 100mm/s, but when the forming speed is more than 100mm/s, the maximum wear depth of the die is increased first and then decreased with the increase of forming speed. When the optimal parameters are the billet temperature of 1020 ℃, the friction factor of 0.05, the extrusion speed of 100mm/s and the die temperature of 300 ℃, the wear depth of the die is the smallest, about 9.28×10-3mm.

high-temperature alloys; backward extrusion; die wear; numerical simulation

2015-07-24；

2015-08-20

余心宏(1965—)，男，教授，主要從事先進塑性成形技術(shù)研究，(E-mail)xhyu@nwpu.edu.cn。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.1.003

TG375+.41；TG132.3+2

A

1005-5053(2016)01-0012-06