42CrMo鋼的等通道轉角擠壓成型工藝

毛泱博，王建梅，吉宏斌，李趙陽，王震宇

(太原科技大學 重型機械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

42CrMo鋼是一種超高強度鋼，具有優良的力學性能，常被應用于軸承、齒輪和傳動軸等工作環境復雜的場合，在使用過程中容易受到高溫、高濕和高應力的影響，經常會出現疲勞失效的情況，對其使用壽命和工作性能造成嚴重影響。因此，提高42CrMo鋼的力學性能和疲勞性能對于重要工程領域具有重要意義[1]。

劇烈塑性變形(severe plastic deformation，SPD)技術是近幾年來發展極為迅速的金屬超細晶材料制備方法之一[2]?，F有的SPD技術有等徑角擠壓(equal channel angular pressing，ECAP)、高壓扭轉、累積疊軋焊和等徑角擠扭[3]。在各種SPD技術中，ECAP是生產超細晶和納米級材料最有效的技術[4]。研究表明，ECAP能以簡單的剪切變形模式使加工材料變形，并能以最簡單的工具獲得高強度的塑性應變，達到細化晶粒和提高性能的目的[5-6]。ECAP的另一個關鍵特征是，由于樣品橫截面不變，它具有多次通過的能力，這一點較其他SPD工藝更有優勢[7-8]。

ECAP模具是由兩個與擠壓試件橫截面積相等的通道按照一定角度相互交截組成的[9]。擠壓時將潤滑良好的試件放入垂直通道中，在頂桿壓力的作用下，試件從一個通道擠壓至另一個通道，當經過兩通道相交處時，試件產生近似理想的純剪切變形[10-11]。模具在ECAP擠壓中不僅要承受壓、彎曲、沖擊、摩擦等多種力的作用，還會受到流動金屬的強烈沖擊，其應力狀況復雜，工況惡劣。目前凹模的分模形式和預緊方式是 ECAP模具設計中的主要區別[12]。主要有如下幾種：螺栓聯接對稱分模、螺栓連接對稱分模組合模套[13]、預應力模套[14]、上下分模組合模套[15]。以上模具均不同程度存在因配合間隙不足而導致飛邊以及裝拆困難等問題。

目前文獻極少有對中碳合金鋼開展ECAP研究[16]。因此，本文以42CrMo鋼為研究對象，通過給出一種對稱分模模具及配套模架的設計方案從而有效解決試件脫模問題。通過設計模架并優化模具配合間隙，使得優化間隙后的模具在試件被擠壓時不易產生飛邊。采用數值仿真模擬不同模具間隙下中碳低合金鋼等徑彎角擠壓，研究了模具間隙對42CrMo試件表面質量的影響規律。并進行了等徑彎角擠壓試驗，通過觀察擠壓后試件的表面質量，從而驗證數值模擬結果的可靠性與準確性。

1 等徑彎角擠壓試驗

1.1 模具介紹

圖1為90°ECAP模具圖。本文使用的ECAP模具由凹模1、凹模2和凸模三部分組成，凹模和凸模材料為H13鋼，保證模具的熱強性和熱硬性，防止模具在擠壓過程中損壞，提高模具壽命。凹模1設有模腔，模腔設有等通道彎角擠壓通道和凸模導向腿桿腔，等通道彎角擠壓通道的出料口為上偏角2°的喇叭口形狀，型腔的擠壓通道角度為90°。凹模2模腔，模腔設有凸模導向腿桿腔。凹模1和凹模2采用6條高強度M20螺栓預緊力來保證較強的合模力，以保證高效安全的擠壓。凸模設在凹模1和凹模2設置的模腔中，凸模截面采用工字形截面，提高了抗屈曲能力。在ECAP過程中，凸模的前后導桿起導向作用，且隨試件同步向下運動，凸模與試件間不產生摩擦力，達到設計減摩的目的。本文使用的ECAP模具與傳統模具相比，試件與通道間的摩擦力降低超過50%，有利于試件順利脫模。

圖1 90°ECAP模具

1.2 試驗方案

等徑彎角擠壓試驗的試樣材料選擇9.5 mm×9.5 mm×100 mm表面光滑的42CrMo試件，將試件放入KSL-1700X-S加熱爐中保溫15 min，溫度設置為860～960 ℃，模具和頂桿放入KBF1400箱式爐加熱爐保溫1.5 h，溫度設置為450～500 ℃。保溫結束將凹模、凸模和試件從加熱爐中取出放到THP01-500液壓機下，裝配擠壓前要對模具進行潤滑處理，在模具通道內和凸模表面均勻涂覆石墨潤滑劑。隨后壓機下降，擠壓速度為15～20 mm/s，試件被擠出后取出并等溫淬火30 min。圖2為ECAP工藝示意圖。

圖2 ECAP工藝示意圖

準備工作完成后，壓機以擠壓速度為15 mm/s下降，試件被擠出，但試件脫模困難。隨后從壓機拆下模具，在工作臺上取出凸模和試件，分析脫模困難的原因。

2 影響試件脫模因素

2.1 凸模壓力

圖3為試件擠壓結束形貌圖，擠壓完成時，試件尾部在擠壓力作用下發生變形與凸模和凹模拐角接觸部位貼合，試件尾部厚度隨擠壓行程的不同而變化，因試件尾部仍有部分材料被凸模緊壓，導致試件難以脫模。

圖3 試件擠壓結束形貌

圖4為90°轉角擠壓試件圖。當擠壓結束時，由于凸模與凹模轉角緊密貼合，試件被凸模緊壓且試件尾部形成圓弧狀尾部，導致試件難以脫模，試件無法取出。

2.2 模具間隙

圖5為凸模與凹模配合示意圖。擠壓時試件材料被擠入凸模導向桿和模具側面的間隙是造成飛邊以及模具裝拆困難的原因。因此合理控制配合間隙值是解決試件脫模困難的關鍵。

圖5 凸模與凹模配合示意圖

圖6為擠壓后飛邊試件圖。由圖可知，部分試件材料被擠入模具和凸模配合間隙產生的飛邊是造成試件脫模困難的原因。

圖6 擠壓后飛邊試件

圖7為模具拆模情況圖。由圖可知，存在部分合金擠入模具導向通道和頂桿導向桿間隙，由于擠壓過程中合金發生塑性流動，其表征為形成厚度約0.34 mm的薄鋼片，長度大約貫穿通道轉角至模具下底面，導致試件脫模困難。

圖7 模具拆模情況

3 設計模具模架優化試件脫模

3.1 設計模架

圖8為模具模架示意圖，其特征在于：模架具有定位裝置，保證凸模和凹模在擠壓過程中的對中性；模架具有限位裝置，防止過度擠壓損傷模具。

圖8 模具模架示意圖

圖9為模架定位裝置圖，由兩套國標MMYP50-300滑動獨立導柱組件組成，包含導套墊塊、導套和導柱，其中導套和導柱底座材質為FC250，導柱材質為S45C，硬度55HRC。設計定位裝置的目的是為了保證凸模和凹模在擠壓過程中的對中性。在擠壓過程中，導柱先進入導套墊塊和導套，之后凸模的導向腿進入下模具，最后凸模肋板部位進入下模具完成擠壓過程。

圖9 模架定位裝置圖

凹模固定環的作用是將凸模固定安裝在下底板上。如圖10(a)所示凹模固定環用六個12.9級高強度M16螺栓將凹模固定環固定在下底板，為避免螺栓擰緊后突出的螺帽干擾試件取出，依據國標JIS-B1176設計沉頭孔，參考凹模尺寸在凹模固定環中心開槽，方便安裝時凹模和凹模固定環配合，設計兩個中心對稱的直徑16 mm的銷孔保證對中。凸模固定環設計理念與凹模固定環一致，如圖10(b)所示。凸模壓板直接承受和分散凸模傳遞的壓力，以降低上底板所受的單位壓力，保護上底板不被凸模端面壓陷而損壞。凹模固定環設計理念與凹模壓板一致。

圖10 模具固定環

設計限位裝置以防止過度擠壓損傷模具。圖11為模架限位圖，本模架采用四個限位塊對角放置，方便出料和取料，并配備多個2 mm墊片使用，針對不同模具采用不同的限位高度，使一套夾具可以配合多套模具使用。

圖11 模架限位圖

上底板和下底板作用是固定定位裝置和限位裝置，避免擠壓過程中凸模導向腿和下底板接觸干涉，下底板中心設計直徑70 mm通孔，試驗過程中上底板和下底板被固定在壓機上，故上底板和下底板均設計U型槽，開槽位置參照壓機工作臺位置。

3.2 優化模具配合間隙

通過合理優化模具配合間隙，增強模具結構剛度，有效地控制了ECAP過程中高溫試件在通道內墩粗、變形、流動的方向，避免擠壓過程產生的毛刺和飛邊影響試件脫模。

根據機械設計手冊，壓頭與壓室在服役條件下的運動間隙數值一般為0.05～0.08 mm，這一間隙可以保證壓頭與壓室運動副能夠正常工作。在此基礎上進行有限元仿真。

圖12為模具有限元模型。模擬試件材料為42CrMo，材料類型設置為塑性材料，試件尺寸為10 mm×10 mm×50 mm，為簡化求解過程確保仿真結果收斂，采用對稱面方式來減少網格數量，根據材料的塑性成形溫度范圍，將試件變形溫度設置為960 ℃。模具通道和工件橫截面形狀保持一致，凸模和凹模的材料類型均設置為剛性材料，擠壓速度為20 mm/s，凹模擠壓通道內角90°，外角30°。模擬溫度為室溫20 ℃，模具與試件之間的摩擦采用剪切摩擦模型，摩擦因子設定為0.2。

圖12 模具有限元模型

圖13為不同間隙模具擠壓后的試件形貌圖。配合間隙分別為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm和0.20 mm。根據仿真結果，0.05 mm和0.10 mm配合間隙模具擠壓后的試件表面質量較好，且試件表面質量類似，0.15 mm和0.20 mm配合間隙模具擠壓后的試件表面損傷較大，尤其當配合間隙為0.20 mm時，試件表面損傷最大。在一定范圍內，沖裁力隨著間隙的減小而增大，模具壽命會受到影響。適當增大間隙，模具壽命會有較大提高。故模具最佳配合間隙為0.10 mm。

圖13 不同間隙模具擠壓后的試件形貌

3.3 試驗驗證

設計四組不同間隙的模具進行試驗，配合間隙分別為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm和0.20 mm，通過ECAP試驗確定最佳配合間隙，圖14為ECAP模具裝配圖。

圖14 ECAP模具裝配圖

ECAP試驗如圖15所示。擠壓過程中設置最大載荷100 t，模具空行程試車順暢無卡頓，對中度良好 。模具出料口設計喇叭孔，減少了試件與出料口的摩擦接觸面，降低了試件因熱膨脹與出料口產生的摩擦力，擠壓完成后凸模完全拔出，試樣擠出后處于松動狀態，試件順利脫模，試件被擠出后取出并等溫淬火30 min。圖16為不同配合間隙模具脫模試件宏觀形貌。配合間隙分別為0.05 mm、0.10 mm、0.15 mm和0.20 mm。由圖16可知，0.05 mm和0.10 mm配合間隙模具脫模試件表面質量較好，0.15 mm和0.20 mm配合間隙模具脫模試件均有飛邊，且配合間隙為0.20 mm試件飛邊更大。在一定范圍內，適當增大間隙，沖裁力隨著間隙的增大而減小，模具壽命會有較大提高。故模具最佳配合間隙為0.10 mm。通過設計四組不同間隙模具進行試驗，分析結果確定最佳配合間隙約為0.1 mm。

圖15 等徑彎角擠壓試驗

圖16 不同配合間隙模具脫模試件宏觀形貌

3.4 金相分析

圖17為42CrMo鋼未擠壓和經過90°擠壓金相對比圖。由圖17(a)、圖17(d)可以看出，經ECAP后原等軸狀奧氏體晶粒因劇烈剪切變形沿剪切變形方向拉長、破碎，形成帶狀組織。擠壓后的原奧氏體晶粒與擠壓方向約成60°，晶界扭曲變形，在剪切帶密集區域出現動態再結晶形成的細小晶粒。在后續等溫淬火過程中，受擠壓變形細化奧氏體的影響，相變在細小的奧氏體晶粒中發生，因此試件晶粒細化效果顯著，具有更細小的組織。

圖17 42CrMo鋼未擠壓試件

4 結論

本文基于ECAP試驗遇到脫模問題，通過分析提出新的模具設計方案，解決傳統模具在擠壓過程中可能存在的飛邊以及裝拆困難的問題，并利用數值模擬和試驗分析得到如下結論：

(1)模架可以解決試件尾部形成的圓弧狀尾部，有利于試件脫模。

(2)合理配合間隙能有效防止飛邊產生，通過仿真和試驗驗證確定最佳配合間隙約為0.1 mm。

(3)金相顯微組織觀察表明，擠壓后的42CrMo鋼晶粒細化效果顯著。