序言
鋁型材擠壓用熱作模具鋼為4Cr5MoSiV1，JIS（日本標準）稱SKD61，AISI（美國標準）稱H13。該鋼種具有良好的熱強性、紅硬性、較高的韌性和抗熱疲勞性能。在熱擠壓過程中其溫度可達600℃，工作條件惡劣，主要的失效形式為熱磨損和熱疲勞。擠型廠的生產效率、成本控制與模具性能密切相關。在整個模具綜合管理系統中，每一個環節都會影響模具性能。
1、 模具鋼材質量
Quality of die steel
模具鋼材質量是擠壓模具性能的基本保障。因為，無論后續的處理和操作再好，都無法從根本上改變模擠壓模具的綜合性能。區分優質和劣質鋼材的重要依據是顯微組織的均勻性，它決定了鋼的冶金質量。顯微組織不均勻、晶粒粗大（如碳化物和硫化物偏析等），常常會造成模具過早失效。
圖1所示為某些模具鋼材檢測結果。與優質鋼材相比，劣質鋼材退火態組織中碳化物分布不均、呈帶狀（圖1a），并含有比較大化合物。這些化合物經熱處理后仍不能完全被消除（圖1c、1d箭頭所示）。若這些硬脆化合物存在于模具表面，將使氮化處理后的表面氮化層不連續（圖1e），成為微裂紋的起源，最終導致氮化層剝落。
2、 模具熱處理
Heat treatment of dies
熱處理的目的是使模具的耐磨損性和韌性達到最佳配合，而耐磨損性要求硬度高，韌性則要求硬度低。因此，必須采取措施，確保這些相互矛盾的性能不會明顯提高，以免損害另一個性能。影響熱處理質量的主要因素有加熱速度、淬火溫度、冷卻速度和回火溫度等。在熱處理期間，溫度控制不當和保護氣氛缺失，模具會過熱，形成粗晶，表面發生不同程度的脫碳。正確的熱處理除了要確保溫度測量、控制準確以外，還需要采用保護氣氛來保持表面的完整性。此外，熱處理不當可能引起具有殘余應力的表面脫碳。如果不采用機械完全去掉，在隨后的氮化中，脫碳層將促使裂紋在表面任何可能的缺陷處萌生。
圖2所示為模具熱處理后表面組織。從中可知，鋼材表面無明顯脫碳和氧化（圖2a）。基體為針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+剩余碳化物，說明熱處理并不徹底。這些剩余碳化物將有可能使表面的氮化質量惡化。此外，另一項關于熱處理殘留表層對模具氮化性能影響的實驗中，也得出這樣的結論。
3、 模具加工
Die manufacture
在模具制造過程中，模具的一些表面（如工作帶表面等）會進行線切割、電火花（EDM）成型加工。若操作不當（如速率過大），將產生一層有缺陷的重鑄金屬。這一層組織由粗糙的、不規則的未回火馬氏體（圖3b）構成，厚度大約為30μm。這層組織的點陣嚴重畸變，具有明顯的拉應力。以致氮化處理后得到的氮化層疏松、脈狀組織明顯（圖3c）。
4、 模具氮化
Die nitridation
在氮化處理中，模具表面吸收氮原子形成硬且耐磨損的化合物層，通常稱為白亮層。它是由Fe2-3N（ε相）和Fe4N（γ`相）鐵氮化合物中的一種或結合組成。而Cr、Mo和V等合金化元素與氮反應形成所謂的擴散層。擴散層位于化合物層下方（圖4），是基體母相中合金化元素氮化物析出的結果。
朗讀
顯示對應的拉丁字符的拼音
氮化的目的是在工件表面形成一定深度、具有強韌性、耐熱性和耐磨損性能的強化層，其與基體具有高的結合強度和相近的膨脹系數。
圖5、圖6、圖7所示為3種氮化工藝處理的鋼材試樣組織。可以看出，鹽浴氮化試樣白層和氮化層總厚度值大，最表層（白亮層）疏松易剝落，而且角部效應和脈狀組織都很嚴重。而氣體硬氮化處理后的氮化層無脈狀組織，白層的厚度也在0~3μm。滲硫氮化試樣滲層不明顯。
隨后對采用以上不同氮化工藝處理的模具進行生產跟蹤。由圖8可以看到，鹽浴氮化模具在擠壓12個鋁棒后，進料端面發生明顯的脫皮。而氣體硬氮化和滲硫氮化模具表面無明顯的脫皮。
在對另一款報廢模具的芯頭檢測分析發現，工作帶上局部有少量白層（圖9a），角部已不存在白層（圖9b），即模具工作帶表面的氮化層發生了不均勻的磨損。這可能是由于白層的不均勻剝落導致。
在對鹽浴氮化試樣進行能譜分析發現，氮化層的最表層含氧量特別高，為氧化層（圖10a）；而線切割層氮化后，在白層所在的深度就已經產生剝離現象（圖10b）。由此可知，白層疏松易磨損的原因是最表層的氧化和表面原始組織改變。
綜上可知，氮化工藝對氮化層的組織和性能起決定性作用。同時，我們也可以發現一些失效（氮化層剝落、易磨損等）是先前工作疏忽或工藝控制不當引起的（如線切割表面未清除），盡管他們可能在氮化過程中發生，但并不都是由氮化造成，并且這種失效不能通過氮化修復。
目前，國內外普遍認為單一相構成的氮化組織具有優良的耐磨性、抗蝕性和耐剝落性。而常用氮化工藝形成的白亮層一般都是雙相結構。硬氮化之所以受到青睞，正是因為該工藝可有效抑制白亮層的形成，并能通過不斷強化擴散層來達到增強耐磨性的目的；而軟氮化必須依靠白亮層增加耐磨性，并由于無法控制白亮層的組織結構，在應用上受到一定的限制。（上述的滲硫氮化工藝的優點是滲硫后表面具有自潤滑作用，減少了金屬的摩擦和粘結）。
5、 模具加溫
5. Die warm up
模具在上機擠壓前都必須加溫，而加溫溫度和時間必須嚴格控制。擠壓模具采用的加熱溫度為500℃，但由于各種加熱爐控溫保溫效果的不同，模具實際溫度可能超過或低于該值。另外，在加熱爐中的保溫時間應限制在2~6h。加熱溫度太低或保溫時間太短，模具溫度未達到；溫度太高或保溫時間太長，模具的硬度會降低，工作帶表面會產生點腐蝕或氧化脫碳（圖11a）。圖11b所示為氮化后的H13鋼加溫后的組織。可以看出，在白層的上方形成了一層很厚的氧化層。這層氧化層將在擠壓過程中剝落（圖11c），流入產品，造成異物不良。
6. Mechanical and chemical removal of residual aluminium
首先是擠壓流程結束時壓余的剪切——機械清除殘鋁。一般臥式擠壓機都采用平行于模具端面的剪刀剪切。但是由于在剪刀的使用過程中不可避免地存在一些問題（如剪刀變鈍），就會撕扯剪不到的殘鋁，此時原本就結合不牢、硬脆的模具表面也被撕掉；而鋒利的剪刀則不會出現這種問題。另一個不可忽視的要點是剪刀必須與模具端面平行。若它們之間呈一定的角度，同樣也會出現撕扯現象，甚至將剪到模具端面。圖12所示為剪刀在操作過程中導致的問題，在模具的下方可以看到與剪切撕扯痕跡（圖12a）完全對應的脫皮現象（圖12b）。
接下來就是殘鋁的化學清除——泡模。從擠壓機上卸下的模具溫度較高，若馬上放入泡模槽堿洗，將因劇烈的熱沖擊，模具局部收縮過快出現開裂，使模具報廢。通常情況下，燒堿泡模不會對具有完整氮化層的模具表面造成影響。但是，一旦表面白層發生氧化腐蝕破壞（在空氣中加熱8h或更長）或擴散層暴露時（圖13），長時間的浸泡可能形成凹坑。因此，在燒堿溶液中浸泡的時間過長可能造成模具表面性能退化，而在隨后的再氮化過程中也不能得到修復。
6、 改善模具質量的對策
7. The improvement of die quality
經過以上分析后，針對提到的各種不利因素，提出了以下相應對策：
1） 改善氮化工藝： Improve nitridation
• 使用氣體硬氮化； Using gas hard nitridation
• 制定合理的氣體氮化工藝，獲得理想的氮化組織。 Making suitable nitridation process
2） 管理模具生產制造過程： Manage die manufacturing
• 選擇顯微組織均勻、性能符合標準的鋼材； Choosing good quality steel
• 去掉線切割或電火花成型后的表面，預留后續加工或拋光余量，一般30μm以上； Keep the polishing allowance
• 嚴格控制熱處理條件，防止表面氧化脫碳，并獲得所需的組織與性能； Control the heat treatment condition
• 根據模具尺寸，粗加工后預留一定熱處理精加工余量，磨削掉表面脫碳組織。Keep allowance for precision machining
3） 管理模具使用過程： manage die using process
• 嚴格控制預熱條件（時間和溫度），按模具厚度計算加熱時間，以1.2~1.5min/mm計算，厚度160mm的模具加熱時間大約為3.2~4h； Control die heating temperature and time
• 按正確的規程清除壓余和殘鋁，防止模具機械性損傷； Using correct cleaning process
• 規范泡模工序，嚴禁高溫泡模，限制泡模浸泡時間； Control the liquid residual removal time
• 限制新模試模次數，一般為3次；試模合格后模具生產量控制在10個鋁棒以內即進行氮化，或者待模具氮化后再投入生產； Limit the chemical removal time
• 適時再氮化，限制模具每一次氮化后的產量；Control the frequency of nitridation
• 合理修復模具，盡量避免燒焊，禁止冷焊； avoiding cold welding
• 封膠噴油存庫，避免銹蝕 vacuum storage
鋁型材擠壓用熱作模具鋼為4Cr5MoSiV1，JIS（日本標準）稱SKD61，AISI（美國標準）稱H13。該鋼種具有良好的熱強性、紅硬性、較高的韌性和抗熱疲勞性能。在熱擠壓過程中其溫度可達600℃，工作條件惡劣，主要的失效形式為熱磨損和熱疲勞。擠型廠的生產效率、成本控制與模具性能密切相關。在整個模具綜合管理系統中，每一個環節都會影響模具性能。
1、 模具鋼材質量
Quality of die steel
模具鋼材質量是擠壓模具性能的基本保障。因為，無論后續的處理和操作再好，都無法從根本上改變模擠壓模具的綜合性能。區分優質和劣質鋼材的重要依據是顯微組織的均勻性，它決定了鋼的冶金質量。顯微組織不均勻、晶粒粗大（如碳化物和硫化物偏析等），常常會造成模具過早失效。
圖1所示為某些模具鋼材檢測結果。與優質鋼材相比，劣質鋼材退火態組織中碳化物分布不均、呈帶狀（圖1a），并含有比較大化合物。這些化合物經熱處理后仍不能完全被消除（圖1c、1d箭頭所示）。若這些硬脆化合物存在于模具表面，將使氮化處理后的表面氮化層不連續（圖1e），成為微裂紋的起源，最終導致氮化層剝落。
2、 模具熱處理
Heat treatment of dies
熱處理的目的是使模具的耐磨損性和韌性達到最佳配合，而耐磨損性要求硬度高，韌性則要求硬度低。因此，必須采取措施，確保這些相互矛盾的性能不會明顯提高，以免損害另一個性能。影響熱處理質量的主要因素有加熱速度、淬火溫度、冷卻速度和回火溫度等。在熱處理期間，溫度控制不當和保護氣氛缺失，模具會過熱，形成粗晶，表面發生不同程度的脫碳。正確的熱處理除了要確保溫度測量、控制準確以外，還需要采用保護氣氛來保持表面的完整性。此外，熱處理不當可能引起具有殘余應力的表面脫碳。如果不采用機械完全去掉，在隨后的氮化中，脫碳層將促使裂紋在表面任何可能的缺陷處萌生。
圖2所示為模具熱處理后表面組織。從中可知，鋼材表面無明顯脫碳和氧化（圖2a）。基體為針狀馬氏體+少量殘余奧氏體+剩余碳化物，說明熱處理并不徹底。這些剩余碳化物將有可能使表面的氮化質量惡化。此外，另一項關于熱處理殘留表層對模具氮化性能影響的實驗中，也得出這樣的結論。
3、 模具加工
Die manufacture
在模具制造過程中，模具的一些表面（如工作帶表面等）會進行線切割、電火花（EDM）成型加工。若操作不當（如速率過大），將產生一層有缺陷的重鑄金屬。這一層組織由粗糙的、不規則的未回火馬氏體（圖3b）構成，厚度大約為30μm。這層組織的點陣嚴重畸變，具有明顯的拉應力。以致氮化處理后得到的氮化層疏松、脈狀組織明顯（圖3c）。
4、 模具氮化
Die nitridation
在氮化處理中，模具表面吸收氮原子形成硬且耐磨損的化合物層，通常稱為白亮層。它是由Fe2-3N（ε相）和Fe4N（γ`相）鐵氮化合物中的一種或結合組成。而Cr、Mo和V等合金化元素與氮反應形成所謂的擴散層。擴散層位于化合物層下方（圖4），是基體母相中合金化元素氮化物析出的結果。
朗讀
顯示對應的拉丁字符的拼音
氮化的目的是在工件表面形成一定深度、具有強韌性、耐熱性和耐磨損性能的強化層，其與基體具有高的結合強度和相近的膨脹系數。
圖5、圖6、圖7所示為3種氮化工藝處理的鋼材試樣組織。可以看出，鹽浴氮化試樣白層和氮化層總厚度值大，最表層（白亮層）疏松易剝落，而且角部效應和脈狀組織都很嚴重。而氣體硬氮化處理后的氮化層無脈狀組織，白層的厚度也在0~3μm。滲硫氮化試樣滲層不明顯。
隨后對采用以上不同氮化工藝處理的模具進行生產跟蹤。由圖8可以看到，鹽浴氮化模具在擠壓12個鋁棒后，進料端面發生明顯的脫皮。而氣體硬氮化和滲硫氮化模具表面無明顯的脫皮。
在對另一款報廢模具的芯頭檢測分析發現，工作帶上局部有少量白層（圖9a），角部已不存在白層（圖9b），即模具工作帶表面的氮化層發生了不均勻的磨損。這可能是由于白層的不均勻剝落導致。
在對鹽浴氮化試樣進行能譜分析發現，氮化層的最表層含氧量特別高，為氧化層（圖10a）；而線切割層氮化后，在白層所在的深度就已經產生剝離現象（圖10b）。由此可知，白層疏松易磨損的原因是最表層的氧化和表面原始組織改變。
綜上可知，氮化工藝對氮化層的組織和性能起決定性作用。同時，我們也可以發現一些失效（氮化層剝落、易磨損等）是先前工作疏忽或工藝控制不當引起的（如線切割表面未清除），盡管他們可能在氮化過程中發生，但并不都是由氮化造成，并且這種失效不能通過氮化修復。
目前，國內外普遍認為單一相構成的氮化組織具有優良的耐磨性、抗蝕性和耐剝落性。而常用氮化工藝形成的白亮層一般都是雙相結構。硬氮化之所以受到青睞，正是因為該工藝可有效抑制白亮層的形成，并能通過不斷強化擴散層來達到增強耐磨性的目的；而軟氮化必須依靠白亮層增加耐磨性，并由于無法控制白亮層的組織結構，在應用上受到一定的限制。（上述的滲硫氮化工藝的優點是滲硫后表面具有自潤滑作用，減少了金屬的摩擦和粘結）。
5、 模具加溫
5. Die warm up
模具在上機擠壓前都必須加溫，而加溫溫度和時間必須嚴格控制。擠壓模具采用的加熱溫度為500℃，但由于各種加熱爐控溫保溫效果的不同，模具實際溫度可能超過或低于該值。另外，在加熱爐中的保溫時間應限制在2~6h。加熱溫度太低或保溫時間太短，模具溫度未達到；溫度太高或保溫時間太長，模具的硬度會降低，工作帶表面會產生點腐蝕或氧化脫碳（圖11a）。圖11b所示為氮化后的H13鋼加溫后的組織。可以看出，在白層的上方形成了一層很厚的氧化層。這層氧化層將在擠壓過程中剝落（圖11c），流入產品，造成異物不良。
6. Mechanical and chemical removal of residual aluminium
首先是擠壓流程結束時壓余的剪切——機械清除殘鋁。一般臥式擠壓機都采用平行于模具端面的剪刀剪切。但是由于在剪刀的使用過程中不可避免地存在一些問題（如剪刀變鈍），就會撕扯剪不到的殘鋁，此時原本就結合不牢、硬脆的模具表面也被撕掉；而鋒利的剪刀則不會出現這種問題。另一個不可忽視的要點是剪刀必須與模具端面平行。若它們之間呈一定的角度，同樣也會出現撕扯現象，甚至將剪到模具端面。圖12所示為剪刀在操作過程中導致的問題，在模具的下方可以看到與剪切撕扯痕跡（圖12a）完全對應的脫皮現象（圖12b）。
接下來就是殘鋁的化學清除——泡模。從擠壓機上卸下的模具溫度較高，若馬上放入泡模槽堿洗，將因劇烈的熱沖擊，模具局部收縮過快出現開裂，使模具報廢。通常情況下，燒堿泡模不會對具有完整氮化層的模具表面造成影響。但是，一旦表面白層發生氧化腐蝕破壞（在空氣中加熱8h或更長）或擴散層暴露時（圖13），長時間的浸泡可能形成凹坑。因此，在燒堿溶液中浸泡的時間過長可能造成模具表面性能退化，而在隨后的再氮化過程中也不能得到修復。
6、 改善模具質量的對策
7. The improvement of die quality
經過以上分析后，針對提到的各種不利因素，提出了以下相應對策：
1） 改善氮化工藝： Improve nitridation
• 使用氣體硬氮化； Using gas hard nitridation
• 制定合理的氣體氮化工藝，獲得理想的氮化組織。 Making suitable nitridation process
2） 管理模具生產制造過程： Manage die manufacturing
• 選擇顯微組織均勻、性能符合標準的鋼材； Choosing good quality steel
• 去掉線切割或電火花成型后的表面，預留后續加工或拋光余量，一般30μm以上； Keep the polishing allowance
• 嚴格控制熱處理條件，防止表面氧化脫碳，并獲得所需的組織與性能； Control the heat treatment condition
• 根據模具尺寸，粗加工后預留一定熱處理精加工余量，磨削掉表面脫碳組織。Keep allowance for precision machining
3） 管理模具使用過程： manage die using process
• 嚴格控制預熱條件（時間和溫度），按模具厚度計算加熱時間，以1.2~1.5min/mm計算，厚度160mm的模具加熱時間大約為3.2~4h； Control die heating temperature and time
• 按正確的規程清除壓余和殘鋁，防止模具機械性損傷； Using correct cleaning process
• 規范泡模工序，嚴禁高溫泡模，限制泡模浸泡時間； Control the liquid residual removal time
• 限制新模試模次數，一般為3次；試模合格后模具生產量控制在10個鋁棒以內即進行氮化，或者待模具氮化后再投入生產； Limit the chemical removal time
• 適時再氮化，限制模具每一次氮化后的產量；Control the frequency of nitridation
• 合理修復模具，盡量避免燒焊，禁止冷焊； avoiding cold welding
• 封膠噴油存庫，避免銹蝕 vacuum storage
