引用：鋁型材熱擠壓模具的斷裂問題進行了失效原因分析及工藝分析 .利用回歸正交設計法安排了 8組工藝實驗 ,測試了鋼材的斷裂韌性 (KIC) ,沖擊韌性及其硬度 ,并建立了上述指標與主要熱處理工藝參數間的數學表達式 .在此基礎上 ,對現行的生產工藝進行了改進 ,消除了熱擠壓模具的早期斷裂 ,并使其使用壽命顯著提高 .
鋁材擠壓模具鋼材的化學成分及其作用
⒈擠壓模具的碳(C)：鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結構鋼，含碳量一般不超過0.20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易銹蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。
⒉常存雜質元素
模具鋼材除含碳以外，還含有少量錳(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氫(H)等元素。這些元素并非為改善模具鋼材質量有意加入的，而是由礦石及冶煉過程中帶入的，故稱為雜質元素。這些雜質對鋼性能是有一定影響，為了保證模具鋼材的質量，在國家標準中對各類鋼的化學成分都作了嚴格的規定。
圖為：鋁型材擠壓模具用鋼材
⑴硫（S）：硫來源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素，使鋼產生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性；硫以硫化鐵(FeS)的形態存在于鋼中，FeS和Fe形成低熔點(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150～1200℃以上，所以當鋼材在鍛造和軋制等熱加工時，由于FeS化合物的過早熔化而導致工件開裂，這種現象稱為“熱脆”。含硫量愈高，熱脆現象愈嚴重。硫對焊接性能也不利，降低耐腐蝕性。故必須對鋼中含硫量進行控制。高級優質鋼：S＜0.02%～0.03%；優質鋼：S＜0.03%～0.045%；普通鋼：S＜0.055%～0.7%以下。在鋼中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。
⑵磷（P）：磷是由礦石帶入鋼中的，一般說磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時，它使鋼材顯著變脆，這種現象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞；含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對含磷量控制較嚴。高級優質鋼：P＜0.025%；優質鋼： P＜0.04%；普通鋼： P＜0.085%。
⑶擠壓模具的錳（Mn）：錳是煉鋼時作為脫氧劑加入鋼中的。由于錳可以與硫形成高熔點(1600℃)的MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。錳具有很好的脫氧能力，能夠與鋼中的FeO成為MnO進入爐渣，從而改善鋼的品質，特別是降低鋼的脆性，提高鋼的強度和硬度。因此，錳在鋼中是一種有益元素。一般認為，鋼中含錳量在0.5%～0.8%以下時，把錳看成是常存雜質。技術條件中規定，優質碳素結構鋼中，正常含錳量是0.5%～0.8%；而較高含錳量的結構鋼中，其量可達0.7%～1.2%。
⑷硅（Si）：硅也是煉鋼時作為脫氧劑而加入鋼中的元素。硅與鋼水中的FeO能結成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去，因此硅是一種有益的元素。硅在鋼中溶于鐵素體內使鋼的強度、硬度增加，塑性、韌性降低。鎮靜鋼中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸騰鋼中只含有0.03%～0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過0.5%，對鋼性能影響不大。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調質結構鋼中加入1.0－1.2%的硅，強度可提高15－20%。硅和鉬、鎢、鉻等結合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅1－4%的低碳鋼，具有極高的導磁率，用于電器工業做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。
⑸擠壓模具的氧（O）：氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧，但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式，使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。
⑹氮（N）：氮能提高鋼的強度，低溫韌性和焊接性，增加時效敏感性。鐵素體溶解氮的能力很低。當鋼中溶有過飽和的氮，在放置較長一段時間后或隨后在200～300℃加熱就會發生氮以氮化物形式的析出，并使鋼的硬度、強度提高，塑性下降，發生時效。鋼液中加入Al、Ti或V進行固氮處理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除時效傾向。
7）擠壓模具的氫（H）：鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷。白點常在軋制的厚板、大鍛件中發現，在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的白色斑點；在橫斷面上則是細長的發絲狀裂紋。鍛件中有了白點，使用時會發生突然斷裂，造成不測事故。因此，化工容器用鋼，不允許有白點存在。氫產生白點冷裂的主要原因是因為高溫奧氏體冷至較低溫時，氫在鋼中的溶解度急劇降低。當冷卻較快時，氫原子來不及擴散到鋼的表面而逸出，就在鋼中的一些缺陷處由原子狀態的氫變成分子狀態的氫。氫分子在不能擴散的條件下在局部地區產生很大壓力，這壓力超過了鋼的強度極限而在該處形成裂紋，即白點。
⒊為了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅(Si)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、硼(B)、銅(Cu)、鋁(Al)、稀土(Xt)等。現分別說明它們在鋼中的作用。
⑴擠壓模具的硅（Si）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，所以鎮靜鋼含有0.15－0.30%的硅。如果鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，故廣泛用于作彈簧鋼。在調質結構鋼中加入1.0－1.2%的硅，強度可提高15－20%。硅和鉬、鎢、鉻等結合，有提高抗腐蝕性和抗氧化的作用，可制造耐熱鋼。含硅1－4%的低碳鋼，具有極高的導磁率，用于電器工業做矽鋼片。硅量增加，會降低鋼的焊接性能。硅在鋼中的作用：
①提高鋼中固溶體的強度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低；
②硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比；
③耐腐蝕性。硅的質量分數為15％一20％的高硅鑄鐵，是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面也將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。缺點：使鋼的焊接性能惡化。
⑵擠壓模具的錳（Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.30－0.50%。在碳素鋼中加入0.70%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，如16Mn鋼比A3屈服點高40%。含錳11－14%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機鏟斗，球磨機襯板等。錳量增高，減弱鋼的抗腐蝕能力，降低焊接性能。錳在鋼中的作用：
①錳能提高鋼的淬透性；
②錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用；
③錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。
缺點：
①含錳較高時，有較明顯的回火脆性現象；
②錳有促進晶粒長大的作用，因此錳鋼對過熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點可用加入細化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服；
③當錳的質量分數超過1％時，會使鋼的焊接性能變壞；
④錳會使鋼的耐銹蝕性能降低。
⑶擠壓模具的鉻（Cr）：在結構鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。鉻又能提高鋼的抗氧化性和耐腐蝕性，因而是不銹鋼，耐熱鋼的重要合金元素。鉻在鋼中的作用：
①鉻可提高鋼的強度和硬度；
②鉻可提高鋼的高溫機械性能；
③使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性；
④阻止石墨化；⑤提高淬透性。
缺點：
①鉻是顯著提高鋼的脆性轉變溫度；
②鉻能促進鋼的回火脆性。
⑷鎳（Ni）：鎳能提高鋼的強度，而又保持良好的塑性和韌性。鎳對酸堿有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。但由于鎳是較稀缺的資源，故應盡量采用其他合金元素代用鎳鉻鋼。鎳在鋼中的作用：
①可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性；
②鎳可降低鋼的脆性轉變溫度，即可提高鋼的低溫韌性；
③改善鋼的加工性和可焊性；
④鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。
⑸擠壓模具的鉬（Mo）：鉬能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，在高溫時保持足夠的強度和抗蠕變能力(長期在高溫下受到應力，發生變形，稱蠕變)。結構鋼中加入鉬，能提高機械性能。還可以抑制合金鋼由于火而引起的脆性。在工具鋼中可提高紅硬性。鉬在鋼中的作用：
①鉬對鐵素體有固溶強化作用；
②提高鋼熱強性；
③抗氫侵蝕的作用；
④提高鋼的淬透性。
缺點：鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發生石墨化的傾向。
⑹鎢（W）：鎢熔點高，比重大，是貴重的合金元素。鎢與碳形成碳化鎢有很高的硬度和耐磨性。在工具鋼加鎢，可顯著提高紅硬性和熱強性，作切削工具及鍛模具用。鎢在鋼中的作用：
①提高強度；
②提高鋼的高溫強度；
③提高鋼的抗氫性能；
④是使鋼具有熱硬性。因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。
⑺釩（V）：釩是鋼的優良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。釩在鋼中的作用：
①熱強性；
②釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。
⑻鈦（Ti）：鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內部組織致密，細化晶粒力；降低時效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在鉻18鎳9奧氏體不銹鋼中加入適當的鈦，可避免晶間腐蝕。鈦在鋼中的作用：
①鈦能改善鋼的熱強性，提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強度；
②并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩定性。使鋼在高壓下對氫的穩定性高達600℃以上，在珠光體低合金鋼中，鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現象。因此，鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強鋼中的重要合金元素之一。
⑼擠壓模具的鈮（Nb）：鈮能細化晶粒和降低鋼的過熱敏感性及回火脆性，提高強度，但塑性和韌性有所下降。在普通低合金鋼中加鈮，可提高抗大氣腐蝕及高溫下抗氫、氮、氨腐蝕能力。鈮可改善焊接性能。在奧氏體不銹鋼中加鈮，可防止晶間腐蝕現象。鈮在鋼中的作用：
①鈮和碳、氮、氧都有極強的結合力，并與之形成相應的極為穩定的化合物，因而能細化晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性；
②有極好的抗氫性能；
③鈮能提高鋼的熱強性
⑽硼（B）：鋼中加入微量的硼就可改善鋼的致密性和熱軋性能，提高強度。硼在鋼中的作用：
①提高鋼的淬透性；
②提高鋼的高溫強度。強化晶界的作用。
⑾銅（Cu）：銅能提高強度和韌性，特別是大氣腐蝕性能。缺點是在熱加工時容易產生熱脆，銅含量超過0.5%塑性顯著降低。當銅含量小于0.50%對焊接性無影響。武鋼用大冶礦石所煉的鋼，往往含有銅。
⑿鋁（Al）：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，如作深沖薄板的08Al鋼。鋁還具有抗氧化性和抗腐蝕性能，鋁與鉻、硅合用，可顯著提高鋼的高溫不起皮性能和耐高溫腐蝕的能力。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。鋁在鋼中的作用：
①用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細化晶粒，抑制低碳鋼的時效，改善鋼在低溫時的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉變溫度；
②提高鋼的抗氧化性能。曾對鐵鋁合金的抗氧化性進行了較多的研究；4％AI即可改變氧化皮的結構，加入6％A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當鋁和鉻配合并用時，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含鐵50％一55％、鉻30％一35％、鋁10％一15％的合金，在1400C高溫時，仍具有相當好的抗氧化性。由于鋁的這一作用，近年來，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中；
③此外，鋁還能提高對硫化氫和V2O5的抗腐蝕性。
缺點：
①脫氧時如用鋁量過多，將促進鋼的石墨化傾向；
②當含鋁較高時．其高溫強度和韌性較低。
⒀擠壓模具的鈷（Co）：鈷是稀有的貴重金屬，多用于特殊鋼和合金中，如熱強鋼和磁性材料。
⒁擠壓模具的稀土（Xt）：稀土元素是指元素周期表中原子序數為57-71的15個鑭系元素。這些元素都是金屬，但他們的氧化物很象“土”，所以習慣上稱稀土。鋼中加入稀土，可以改變鋼中夾雜物的組成、形態、分布和性質，從而改善了鋼的各種性能，如韌性、焊接性，冷加工性能。在犁鏵鋼中加入稀土，可提高耐磨性。
總之鋁材擠壓模具鋼材的化學成份的搭配非常重要也很關鍵。因此在鋁型材擠壓模具的設計時注意選材
模具鋼化學成分的檢測
1、碳硫元素的檢測：LC-CS3系列高速碳硫分析儀，LC-CS5系列高速碳硫分析儀，LC-CS6系列高速碳硫分析儀，LC-8A型電腦高速碳硫分析儀
2、非碳硫元素的檢測：LC-BS系列智能多元素分析儀，LC-8B型電腦多元素分析儀
3、模具鋼全元素檢測：LC-8型電腦多元素聯測分析儀
做全分析或是指定元素的分析，如C、S、Si、Mn、P、Cr、Mo、V、Ti、Ni、W等中的全部或幾項
