铝型材挤压用热作模具钢为4Cr5MoSiV1，JIS（日本标准）称SKD61，AISI（美国标准）称H13。该钢种具有良好的热强性、红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能。在热挤压过程中其温度可达600℃，工作条件恶劣，主要的失效形式为热磨损和热疲劳。挤型厂的生产效率、成本控制与模具性能密切相关。在整个模具综合管理系统中，每一个环节都会影响模具性能。
1、 模具钢材质量
Quality of die steel
模具钢材质量是挤压模具性能的基本保障。因为，无论后续的处理和操作再好，都无法从根本上改变模挤压模具的综合性能。区分优质和劣质钢材的重要依据是显微组织的均匀性，它决定了钢的冶金质量。显微组织不均匀、晶粒粗大（如碳化物和硫化物偏析等），常常会造成模具过早失效。
图1所示为某些模具钢材检测结果。与优质钢材相比，劣质钢材退火态组织中碳化物分布不均、呈带状（图1a），并含有比较大化合物。这些化合物经热处理后仍不能完全被消除（图1c、1d箭头所示）。若这些硬脆化合物存在于模具表面，将使氮化处理后的表面氮化层不连续（图1e），成为微裂纹的起源，最终导致氮化层剥落。
2、 模具热处理
Heat treatment of dies
热处理的目的是使模具的耐磨损性和韧性达到最佳配合，而耐磨损性要求硬度高，韧性则要求硬度低。因此，必须采取措施，确保这些相互矛盾的性能不会明显提高，以免损害另一个性能。影响热处理质量的主要因素有加热速度、淬火温度、冷却速度和回火温度等。在热处理期间，温度控制不当和保护气氛缺失，模具会过热，形成粗晶，表面发生不同程度的脱碳。正确的热处理除了要确保温度测量、控制准确以外，还需要采用保护气氛来保持表面的完整性。此外，热处理不当可能引起具有残余应力的表面脱碳。如果不采用机械完全去掉，在随后的氮化中，脱碳层将促使裂纹在表面任何可能的缺陷处萌生。
图2所示为模具热处理后表面组织。从中可知，钢材表面无明显脱碳和氧化（图2a）。基体为针状马氏体+少量残余奥氏体+剩余碳化物，说明热处理并不彻底。这些剩余碳化物将有可能使表面的氮化质量恶化。此外，另一项关于热处理残留表层对模具氮化性能影响的实验中，也得出这样的结论。
3、 模具加工
Die manufacture
在模具制造过程中，模具的一些表面（如工作带表面等）会进行线切割、电火花（EDM）成型加工。若操作不当（如速率过大），将产生一层有缺陷的重铸金属。这一层组织由粗糙的、不规则的未回火马氏体（图3b）构成，厚度大约为30μm。这层组织的点阵严重畸变，具有明显的拉应力。以致氮化处理后得到的氮化层疏松、脉状组织明显（图3c）。
4、 模具氮化
Die nitridation
在氮化处理中，模具表面吸收氮原子形成硬且耐磨损的化合物层，通常称为白亮层。它是由Fe2-3N（ε相）和Fe4N（γ`相）铁氮化合物中的一种或结合组成。而Cr、Mo和V等合金化元素与氮反应形成所谓的扩散层。扩散层位于化合物层下方（图4），是基体母相中合金化元素氮化物析出的结果。
朗读
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氮化的目的是在工件表面形成一定深度、具有强韧性、耐热性和耐磨损性能的强化层，其与基体具有高的结合强度和相近的膨胀系数。
图5、图6、图7所示为3种氮化工艺处理的钢材试样组织。可以看出，盐浴氮化试样白层和氮化层总厚度值大，最表层（白亮层）疏松易剥落，而且角部效应和脉状组织都很严重。而气体硬氮化处理后的氮化层无脉状组织，白层的厚度也在0~3μm。渗硫氮化试样渗层不明显。
随后对采用以上不同氮化工艺处理的模具进行生产跟踪。由图8可以看到，盐浴氮化模具在挤压12个铝棒后，进料端面发生明显的脱皮。而气体硬氮化和渗硫氮化模具表面无明显的脱皮。
在对另一款报废模具的芯头检测分析发现，工作带上局部有少量白层（图9a），角部已不存在白层（图9b），即模具工作带表面的氮化层发生了不均匀的磨损。这可能是由于白层的不均匀剥落导致。
在对盐浴氮化试样进行能谱分析发现，氮化层的最表层含氧量特别高，为氧化层（图10a）；而线切割层氮化后，在白层所在的深度就已经产生剥离现象（图10b）。由此可知，白层疏松易磨损的原因是最表层的氧化和表面原始组织改变。
综上可知，氮化工艺对氮化层的组织和性能起决定性作用。同时，我们也可以发现一些失效（氮化层剥落、易磨损等）是先前工作疏忽或工艺控制不当引起的（如线切割表面未清除），尽管他们可能在氮化过程中发生，但并不都是由氮化造成，并且这种失效不能通过氮化修复。
目前，国内外普遍认为单一相构成的氮化组织具有优良的耐磨性、抗蚀性和耐剥落性。而常用氮化工艺形成的白亮层一般都是双相结构。硬氮化之所以受到青睐，正是因为该工艺可有效抑制白亮层的形成，并能通过不断强化扩散层来达到增强耐磨性的目的；而软氮化必须依靠白亮层增加耐磨性，并由于无法控制白亮层的组织结构，在应用上受到一定的限制。（上述的渗硫氮化工艺的优点是渗硫后表面具有自润滑作用，减少了金属的摩擦和粘结）。
5、 模具加温
5. Die warm up
模具在上机挤压前都必须加温，而加温温度和时间必须严格控制。挤压模具采用的加热温度为500℃，但由于各种加热炉控温保温效果的不同，模具实际温度可能超过或低于该值。另外，在加热炉中的保温时间应限制在2~6h。加热温度太低或保温时间太短，模具温度未达到；温度太高或保温时间太长，模具的硬度会降低，工作带表面会产生点腐蚀或氧化脱碳（图11a）。图11b所示为氮化后的H13钢加温后的组织。可以看出，在白层的上方形成了一层很厚的氧化层。这层氧化层将在挤压过程中剥落（图11c），流入产品，造成异物不良。
6. Mechanical and chemical removal of residual aluminium
首先是挤压流程结束时压余的剪切——机械清除残铝。一般卧式挤压机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过程中不可避免地存在一些问题（如剪刀变钝），就会撕扯剪不到的残铝，此时原本就结合不牢、硬脆的模具表面也被撕掉；而锋利的剪刀则不会出现这种问题。另一个不可忽视的要点是剪刀必须与模具端面平行。若它们之间呈一定的角度，同样也会出现撕扯现象，甚至将剪到模具端面。图12所示为剪刀在操作过程中导致的问题，在模具的下方可以看到与剪切撕扯痕迹（图12a）完全对应的脱皮现象（图12b）。
接下来就是残铝的化学清除——泡模。从挤压机上卸下的模具温度较高，若马上放入泡模槽碱洗，将因剧烈的热冲击，模具局部收缩过快出现开裂，使模具报废。通常情况下，烧碱泡模不会对具有完整氮化层的模具表面造成影响。但是，一旦表面白层发生氧化腐蚀破坏（在空气中加热8h或更长）或扩散层暴露时（图13），长时间的浸泡可能形成凹坑。因此，在烧碱溶液中浸泡的时间过长可能造成模具表面性能退化，而在随后的再氮化过程中也不能得到修复。
6、 改善模具质量的对策
7. The improvement of die quality
经过以上分析后，针对提到的各种不利因素，提出了以下相应对策：
1） 改善氮化工艺： Improve nitridation
• 使用气体硬氮化； Using gas hard nitridation
• 制定合理的气体氮化工艺，获得理想的氮化组织。 Making suitable nitridation process
2） 管理模具生产制造过程： Manage die manufacturing
• 选择显微组织均匀、性能符合标准的钢材； Choosing good quality steel
• 去掉线切割或电火花成型后的表面，预留后续加工或抛光余量，一般30μm以上； Keep the polishing allowance
• 严格控制热处理条件，防止表面氧化脱碳，并获得所需的组织与性能； Control the heat treatment condition
• 根据模具尺寸，粗加工后预留一定热处理精加工余量，磨削掉表面脱碳组织。Keep allowance for precision machining
3） 管理模具使用过程： manage die using process
• 严格控制预热条件（时间和温度），按模具厚度计算加热时间，以1.2~1.5min/mm计算，厚度160mm的模具加热时间大约为3.2~4h； Control die heating temperature and time
• 按正确的规程清除压余和残铝，防止模具机械性损伤； Using correct cleaning process
• 规范泡模工序，严禁高温泡模，限制泡模浸泡时间； Control the liquid residual removal time
• 限制新模试模次数，一般为3次；试模合格后模具生产量控制在10个铝棒以内即进行氮化，或者待模具氮化后再投入生产； Limit the chemical removal time
• 适时再氮化，限制模具每一次氮化后的产量；Control the frequency of nitridation
• 合理修复模具，尽量避免烧焊，禁止冷焊； avoiding cold welding
• 封胶喷油存库，避免锈蚀 vacuum storage
