提高熱擠壓模具壽命的措施探討

徐勝利

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710089）

0 引言

熱擠壓是將毛坯加熱到金屬再結(jié)晶溫度以上某個(gè)溫度范圍，利用金屬加熱后變形抗力顯著降低的特性，使用模具對(duì)加熱的金屬壓力加工獲得特定的形狀、尺寸的一種工藝方法。熱擠壓零件具有組織致密、金屬流線性好、形狀復(fù)雜、材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)。熱擠壓模具作為擠壓設(shè)備中的關(guān)鍵部件，工作時(shí)承受長(zhǎng)時(shí)間的高溫、高壓、循環(huán)熱應(yīng)力、劇烈摩擦及局部應(yīng)力集中等作用，極易發(fā)生斷裂、塌陷、熱疲勞、失穩(wěn)、磨損、局部變形等形式的失效。如何提高模具使用壽命對(duì)企業(yè)生產(chǎn)成本控制尤為重要。本文針對(duì)熱擠壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、強(qiáng)化處理、制造過(guò)程中影響模具壽命各因素分析探討，實(shí)例驗(yàn)證說(shuō)明。

1 模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 熱擠壓凸模

擠壓過(guò)程中凸模多承受反擠壓且長(zhǎng)徑比大于4～5倍。失效形式為彎曲變形、頭部鐓粗變形、疲勞裂紋、磨損、脆斷、龜裂等。生產(chǎn)實(shí)踐調(diào)查表明：失效集中表現(xiàn)在凸模彎曲變形和脆斷與裂紋。凸模彎曲變形失效原因：①熱擠壓過(guò)程中，凸模表面與高溫坯料接觸，溫度急劇升高，模具材料熱強(qiáng)度劇烈下降；②模具設(shè)計(jì)不合理或坯料溫度低，變形抗力增加，凸模產(chǎn)生失穩(wěn)而彎曲；③紅熱狀態(tài)的凸模沒(méi)有及時(shí)冷卻導(dǎo)致擠壓過(guò)程出現(xiàn)剛性不足而變形；④擠壓速度慢導(dǎo)致凸模與坯料接觸時(shí)間長(zhǎng)，凸模表面軟化產(chǎn)生變形。

防止凸模彎曲變形的措施：①設(shè)計(jì)時(shí)長(zhǎng)徑比力求合理；②深孔件擠壓可采用多次反擠壓；③提高擠壓速度，減少凸模與熱毛坯料接觸時(shí)間；④凸模表面強(qiáng)韌化處理，選擇合理的冷卻潤(rùn)滑方式；⑤根據(jù)擠壓件內(nèi)孔形狀，設(shè)計(jì)凸模時(shí)采用減少劈料阻力的方法以減小凸模軸向力。如采用圖1a、b兩種結(jié)構(gòu)，其單位擠壓力較圖1c所示平端凸?？山档?0%。圖1d所示凸模由于設(shè)有工作韌帶，摩擦力大，拔模困難，設(shè)計(jì)時(shí)盡量少采用。

圖1 凸模結(jié)構(gòu)形式

擠壓過(guò)程中凸模脆斷與裂紋產(chǎn)生部位如圖2所示，其原因有：①模具材料冶金質(zhì)量，主要表現(xiàn)在非金屬夾雜物和碳化物超標(biāo)造成鋼材自身強(qiáng)度和韌性下降，易于形成裂紋源，引起斷裂；②毛坯鍛造工藝不合理，存在碳化物偏析，鋼材內(nèi)部氣孔沒(méi)有焊合及組織流線分布不合理。

預(yù)防凸模脆斷和消除裂紋的方法有：①嚴(yán)格控制鋼中非金屬夾雜物含量，控制碳化物數(shù)量及形狀、尺寸和分布方式，采用超聲波探傷、低倍組織檢查、力學(xué)性能試驗(yàn)等方法，以提高模具鋼的強(qiáng)度、韌性和變形抗力；②制定合理的鍛造工藝，使鋼中大塊碳化物破碎、均勻分布，改變鍛造方向，形成合理的流線分布和致密組織。鍛后及時(shí)回火處理，以細(xì)化晶粒，提高沖擊韌性，消除內(nèi)應(yīng)力。

圖2 凸模失效示意圖

1.2 熱擠壓凹模

根據(jù)多年生產(chǎn)實(shí)踐，熱擠壓凹模失效形式為軟化變形、磨損、龜裂、縱向和橫向開(kāi)裂等，其中軟化變形和磨損失效率較高。凹模軟化變形及龜裂老化屬模具正常失效形式，模具使用到一定壽命均會(huì)出現(xiàn)此現(xiàn)象。只要對(duì)模具進(jìn)行及時(shí)冷卻，適當(dāng)潤(rùn)滑和使用前預(yù)熱，可顯著提高模具壽命。

要正確進(jìn)行模具預(yù)熱和冷卻：①熱擠壓前對(duì)模具預(yù)熱使其溫度上升到200～320℃，減少模具內(nèi)部與表面溫差，降低熱應(yīng)力，防止開(kāi)裂；②冷卻方式可采用截面為矩形的螺旋式過(guò)水槽預(yù)應(yīng)力模套（圖3）通過(guò)循環(huán)水流把熱量帶走，給模具降溫。

圖3 循環(huán)水降溫

2 材料選用與強(qiáng)化處理

熱擠壓過(guò)程中，模具要保持在500～600℃溫度范圍工作，金屬變形在型腔內(nèi)產(chǎn)生很大壓應(yīng)力，型腔表面受到高溫金屬作用產(chǎn)生強(qiáng)烈摩擦，模具與高溫坯料、潤(rùn)滑劑激冷激熱，冷熱交變作用，產(chǎn)生循環(huán)熱應(yīng)力。因此，模具材料必須有足夠的紅硬性、耐磨性、抗疲勞性、抗咬合性等。選擇模具材料時(shí)應(yīng)注意材料成分的純凈度，鋼中雜質(zhì)和氣體含量最低。熱擠壓模具凸模宜選用 5CrNiMo、5CrMnMo、4Cr5MoSiV1（H13）、4Cr2MoVNi鋼。凹模宜選用合金含量較高的3Cr2W8V、4Cr5W2SiV、3Cr3Mo3W2V（HM）、45Cr3W3MoVSi鋼。熱擠壓模具工作過(guò)程中要有足夠的韌性、耐磨性及表面紅硬性，熱處理工藝為淬火后中溫回火。為防止產(chǎn)生裂紋，采用等溫淬火或雙液淬火，回火一般要經(jīng)過(guò)2～3次高溫回火。為防止熱擠壓過(guò)程中模具工作溫度過(guò)高而發(fā)生自回火現(xiàn)象，回火溫度可選擇在模具工作溫度以上50℃，回火硬度范圍46～50HRC。為進(jìn)一步提高模具表面硬度，可采用滲碳、滲氮、滲硼、離子氮化、碳-氮-硼共滲等表面強(qiáng)化處理方法，大大提高模具表面耐磨性及抗疲勞能力。

示例1：熱擠壓鋁型材。凸模選用4Cr5MoSiV1材料，氣體氮化處理，采用常規(guī)工藝如圖4所示，測(cè)試結(jié)果滲層深度0.4mm～0.45mm，1160～1200HV，模具壽命較低。改進(jìn)后采用如圖5所示工藝，測(cè)試結(jié)果滲層深度0.14mm～0.17mm，960～1160HV。分析可知，常規(guī)工藝雖增加滲層深度和硬度，但鋁型材熱擠壓過(guò)程中，模具經(jīng)受冷熱交變循環(huán)應(yīng)力作用，滲層容易剝落，造成模具早期報(bào)廢。改進(jìn)工藝方法后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，效果明顯，模具壽命提高2～3倍。

示例2：熱擠壓連桿螺柱。凹模選用3Cr3Mo3W2V鋼，采用鍛熱固溶調(diào)質(zhì)預(yù)處理+滲硼處理，如圖6所示。因常規(guī)熱處理工藝無(wú)法消除存在于鋼中的鏈狀碳化物，導(dǎo)致服役時(shí)疲勞脆斷，型腔塌陷和熱磨損，出現(xiàn)早、中期失效。改用復(fù)合強(qiáng)化工藝如圖7所示，有效消除了鋼中鏈狀碳化物，且滲硼強(qiáng)化使凹模具有高硬度、高紅硬性、高耐磨性和抗疲勞、抗咬合、抗腐蝕等性能，模具使用壽命提高4～5倍。

圖4 常規(guī)處理工藝

3 模具制造裝配質(zhì)量

模具制造質(zhì)量體現(xiàn)在毛坯選擇→車削→銑削→鉗工→熱處理→磨削→線切割（電火花）→鉗工裝配→試模等工序全過(guò)程。制造工藝首先要解決加工后變形和殘余應(yīng)力不能太大。表面加工時(shí)留下的刀痕、磨痕都是應(yīng)力集中部位，也是早期裂紋和疲勞源。因此，模具加工時(shí)要刃磨好刀具，不能出現(xiàn)尖點(diǎn)。粗加工時(shí)走刀量要小，粗糙度Ra≤3.2μm；磨削加工采用切削力強(qiáng)的粗砂輪或粘接性差的砂輪，減少工件進(jìn)給量，選用合適的冷卻液，磨削加工后進(jìn)行250～350℃回火，這樣可避免磨削裂紋和磨削燒傷，提高模具疲勞強(qiáng)度和斷裂韌性。

模具裝配精度對(duì)模具壽命影響很大，裝配精度高，平行度好，凸模與凹模垂直度高，可獲得相當(dāng)高的壽命，工作表面光滑（Ra≤0.2～0.4μm），不但摩擦阻力小，而且抗咬合和抗疲勞能力強(qiáng)。

4 模具潤(rùn)滑

熱擠壓模具工作過(guò)程處于高溫下，模具正常失效形式為磨損。工作時(shí)模具表面與熱坯料在高壓下激烈摩擦，金屬氧化皮拉傷磨損模具表面。因此，正確選擇潤(rùn)滑方式至關(guān)重要。工作循環(huán)開(kāi)始前，模具工作表面涂覆水劑膠體石墨或礦物油+氯化石蠟潤(rùn)滑劑，保持模具工作表面良好的潤(rùn)滑狀態(tài)。工作循環(huán)結(jié)束后，要及時(shí)用冷卻液沖刷清理模具表面附著的細(xì)小顆粒和金屬殘?jiān)３帜＞吖ぷ鞅砻媲鍧崱?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

熱擠壓工藝中，模具質(zhì)量是保證擠壓件質(zhì)量的關(guān)鍵因素。而影響模具壽命的因素是多方面的。預(yù)防模具早期失效，提高模具壽命，必須從模具設(shè)計(jì)與制造、材料選擇、強(qiáng)化處理、潤(rùn)滑等方面綜合考慮，才能達(dá)到預(yù)期效果。

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