板式換熱器常用模具材料及提高模具壽命的研究

文/姚煒瑩，齊興，單林杰，郝開開，劉一凡·上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司

模具是制造板式傳熱元件的主要裝備，模具材料不僅直接影響板式傳熱元件的成形質(zhì)量，而且制約模具的使用壽命。本文通過對(duì)板式傳熱元件模具材料及提高模具使用壽命技術(shù)的研究，掌握選擇板式傳熱元件模具材料的方法及提高模具壽命的核心技術(shù)。

面對(duì)能源消耗日益增加，世界各國(guó)都面對(duì)著節(jié)約能源、減少能耗的壓力。熱交換器具有節(jié)省能源，減少能耗和保護(hù)環(huán)境的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并且在各種行業(yè)中得到了很好的支持。板式換熱器是一種高能效間壁式換熱設(shè)備，具有傳熱效率高、耐腐蝕、不易結(jié)垢、便于清理、使用壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn),在“雙碳”目標(biāo)下具有長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

板式換熱器的核心部件是波紋板片，由模具冷沖壓而成(圖1)，波紋板片的形狀多樣，包括人字形波紋、水平平直波紋和斜波紋等，見圖2。隨著板式換熱器應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，波紋板的材料由最初的不銹鋼、銅逐步擴(kuò)展為超級(jí)不銹鋼、雙相鋼、鈦材等。由于板材自身的屈強(qiáng)比等金屬特性造成板材成形愈加困難，為保證成形可靠性及穩(wěn)定性，模具選材及壽命在其中起到關(guān)鍵性的作用。

圖1 板片壓制用模具結(jié)構(gòu)

圖2 板式換熱器波紋形式

板式傳熱元件模具材料選擇原則

目前市場(chǎng)上常見模具材料可以分為熱作模具鋼、塑料模具鋼、冷作模具鋼和玻璃模具鋼等。由于這些材料性能各不相同，如果設(shè)計(jì)模具時(shí)選材不當(dāng)，不但會(huì)造成波紋板成形質(zhì)量差，也會(huì)造成模具過早失效、使用壽命短等問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因模具材料選擇不當(dāng)導(dǎo)致波紋板壓制失效約占總失效數(shù)的35%，導(dǎo)致模具過早失效占失效模具數(shù)的45%。因此，合理地選擇模具材料至關(guān)重要。

滿足板片成形后性能需求

光板經(jīng)過沖壓成為波紋板后，不僅要求板片減薄量小于板片實(shí)際厚度的20%，且表面不允許有微裂紋，同時(shí)整張板片也不能出現(xiàn)扭曲、翹曲等。模具材料若是選擇不當(dāng)，會(huì)引起上述現(xiàn)象的產(chǎn)生，造成板束組裝困難，因此在選擇模具材料時(shí)應(yīng)考慮板片成形后性能需求。

滿足模具的使用性能和加工性能要求

在模具的使用過程中會(huì)受到各種因素的影響，包括工件的塑性變形、模具之間的摩擦力，周期性的沖擊力和彎曲應(yīng)力。這些因素都會(huì)對(duì)模具的性能產(chǎn)生重要影響。模具材料加工工藝性能主要體現(xiàn)在切削、磨削、拋光、冷拔、淬硬和淬透以及熱處理變形等方面。在模具的制造過程中，加工、熱處理和裝配等費(fèi)用通常占據(jù)了總成本的大部分。

滿足經(jīng)濟(jì)性要求

在制造模具時(shí)，除了考慮多種加工方法外，還應(yīng)注重模具的經(jīng)濟(jì)性，即盡可能減少所需費(fèi)用，主要包括加工費(fèi)、原材料費(fèi)、設(shè)計(jì)費(fèi)和專用工具費(fèi)。因此在選擇材料時(shí)，設(shè)計(jì)者應(yīng)該全面了解整個(gè)制造過程，并從多個(gè)來源選擇經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的材料。

板式傳熱元件模具選材的具體考慮因素

模具的工作條件

板式傳熱元件采用一次冷沖壓成形，板幅較大，因此模具在工作過程中會(huì)受較大的沖擊載荷作用以及型腔表面與坯料之間的劇烈摩擦，為了保證模具的良好耐磨性、可加工性，適宜的剛度、強(qiáng)度和韌性，通常會(huì)選用冷作模具鋼；當(dāng)材料冷沖壓成形較為困難時(shí)，也會(huì)采用熱沖壓成形，因模具在工作過程中主要受到溫度交變載荷的作用，需具有良好的熱疲勞性、熱穩(wěn)定性、回火穩(wěn)定性，此時(shí)通常選擇熱作模具鋼。

模具的結(jié)構(gòu)因素

⑴模具的尺寸。由于板式傳熱元件尺寸大小隨著應(yīng)用場(chǎng)合不同而發(fā)生變化，板寬受壓機(jī)開檔尺寸限制通常在2m以下，板長(zhǎng)受壓機(jī)噸位限制一般在3m以下，因此模具尺寸也各不相同，其中大型模具在進(jìn)行熱處理加工時(shí)其受熱和冷卻速度不均勻，較難淬透，整個(gè)截面上的組織和性能不易均勻。⑵模具的精度。由于波紋板的成形質(zhì)量受模具精度的影響較大，所以我們通常選擇能夠減小數(shù)控加工對(duì)其影響甚微甚至無(wú)影響的模具鋼材料。

模具的應(yīng)用壽命

一般情況下，開發(fā)波紋板沖壓模具，若此板型應(yīng)用前景廣泛，則模具材料選擇高性能的材料，若是個(gè)別項(xiàng)目而言，則采用經(jīng)濟(jì)的材料。

模具的制造因素

應(yīng)根據(jù)模具制造時(shí)所采用的加工方法和加工工藝的不同，在滿足加工工藝性能要求的前提下，還應(yīng)考慮到加工裝備和加工技術(shù)水平。

影響板式換熱器模具使用壽命的因素

材料性能

板式換熱器模具的壽命主要取決于模具材料的性能，而模具材料的選擇對(duì)于模具的使用壽命也有著重要的影響。在制造模具時(shí)，如果使用Cr12MoV 鋼，易出現(xiàn)咬合、拉毛的現(xiàn)象以及無(wú)法熱處理等問題，將導(dǎo)致傳熱元件波深不符合要求、板片不平整、翹曲、模具壽命短等情況。如果采用42CrMo 型鋼等硬質(zhì)合金材料就能減少上述缺陷的發(fā)生，從而提高板式傳熱元件成形精度，延長(zhǎng)模具壽命。

模具材料的硬度

模具材料的硬度通常是指抗壓強(qiáng)度、耐磨性以及抗咬合能力，若硬度過高，不僅會(huì)導(dǎo)致材料韌性減弱，而且也會(huì)導(dǎo)致冷熱疲勞抗力和磨削性能減低，進(jìn)而導(dǎo)致模具斷裂、變形和磨損等問題。若模具硬度過低，則會(huì)導(dǎo)致板片波紋深度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)值、板片成形質(zhì)量與理論狀態(tài)相差甚大，甚至板片無(wú)法成形，因此模具硬度必須進(jìn)行適當(dāng)控制。在板式傳熱元件模具中，常見的故障類型包括模具斷裂、變形和磨損，這些故障通常是由硬度過高引起的。

模具材料的冶金質(zhì)量

模具材料的冶金質(zhì)量對(duì)模具性能影響巨大，特別是對(duì)于含碳和合金元素含量較高的材料制成的大型模具，這些因素會(huì)導(dǎo)致非金屬同化化學(xué)成分不均勻、碳化物偏析、非金屬夾雜物等問題，從而容易導(dǎo)致高碳高合金鋼模具淬裂而造成微裂紋，經(jīng)過熱處理后形成較大的裂紋。因此選擇合適的模具材料和設(shè)計(jì)方案對(duì)于保證模具的高質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。

模具的熱處理工藝

模具熱處理方式主要包括軟化退火、消除應(yīng)力退火、淬火和回火、析出硬化、滲氮處理等。上述熱處理方法對(duì)模具性能和使用壽命都有重要影響，熱處理不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致淬火變形、開裂和早期斷裂。截至目前，板式傳熱元件模具的熱處理往往在精加工完成后進(jìn)行，之后進(jìn)行拋光修模，確保模具的性能和使用壽命。

模具加工工藝

板式傳熱元件模具的制造通常需要使用切削和磨削兩種技術(shù)來完成。加工工藝是制造板式傳熱元件模具的關(guān)鍵因素，它會(huì)影響模具的耐磨性、斷裂抗力和強(qiáng)度，如果加工方法和工藝不當(dāng)，模具的質(zhì)量可能會(huì)受到影響。因此，在生產(chǎn)過程中，我們必須確保加工工藝的正確性和質(zhì)量。

⑴切削加工的影響。若模具的切削加工處理不當(dāng)會(huì)造成模具表面粗糙，影響產(chǎn)品成形質(zhì)量。⑵磨削加工的影響。如果磨削加工處理不當(dāng)，或許會(huì)造成磨削裂紋以及磨削燒傷，這將降低模具的疲勞強(qiáng)度和抗斷裂性能。

提高模具使用壽命的關(guān)鍵因素

影響板式傳熱元件模具壽命的因素繁多，因此進(jìn)行板式換熱器模具設(shè)計(jì)時(shí)需全方位考慮，爭(zhēng)取設(shè)計(jì)出性價(jià)比最高的模具以確保其經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

正確選擇模具材料

由于板式換熱器傳熱元件是通過上下模的相互擠壓而成的，且上模的工作載荷比下模更苛刻，上模比下模材料的材質(zhì)要求更高。因此選擇模具材料應(yīng)以上模的要求來確定。

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)踐及生產(chǎn)過程中，模具的使用壽命與合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)息息相關(guān)。模具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注重精確導(dǎo)向，并且充分考慮上下模間距，如果設(shè)計(jì)間距不合理，將導(dǎo)致上下模具局部咬合過度，加劇磨損，降低使用壽命。

嚴(yán)格的模具制造及裝配工藝

模具的使用壽命與模具制造及裝配工藝之間緊密相連，通常來說，模具制造精度越高，其使用壽命也就越長(zhǎng)。在裝配模具時(shí)，我們必須嚴(yán)格控制上下模之間的間隙，以減少磨損。這樣可以確保模具的質(zhì)量和精度。

正確的沖壓模具使用

經(jīng)過大量的分析及實(shí)踐表明，選用高精度液壓機(jī)和合適的壓制力都可以有效增加模具的使用時(shí)間。

良好的潤(rùn)滑條件

潤(rùn)滑是沖壓過程工藝中不可或缺的環(huán)節(jié)，它不僅能夠保證成形質(zhì)量，提高表面精度，還能減緩模具磨損，減少摩擦熱和緩沖壓力，延長(zhǎng)模具的使用壽命。沖壓過程中的潤(rùn)滑通常采用沖壓件表面覆膜、模具表面加工涂層等方式。

正確的維護(hù)

板式換熱器模具使用完后，首先應(yīng)對(duì)模具全面進(jìn)行檢查，明確上下模的磨損程度、波紋形狀是否完好無(wú)損以及是否因沖壓而造成模具變形，若模具有上述缺陷，采用油石、砂紙、補(bǔ)焊等適當(dāng)?shù)霓k法進(jìn)行修補(bǔ)或者重新加工修模。若無(wú)上述缺陷，則可采用給整套模具涂抹潤(rùn)滑油、薄膜包覆等方式防止模具生銹，延長(zhǎng)模具使用壽命。

其次，模具必須嚴(yán)格按照放置要求進(jìn)行存放，以下2 點(diǎn)需要注意：⑴上下模之間保留足夠的間隙，間隙大小以模具材質(zhì)及模具使用要求為準(zhǔn)，這樣做可以最大程度保護(hù)模具刃口，以避免其損壞；⑵若模具長(zhǎng)期不使用，必須密封保存，妥善保護(hù)。

板式傳熱元件模具材料的選擇

綜合上述的模具材料選擇原則、具體考慮因素以及市場(chǎng)上現(xiàn)有的模具材料，若板片形狀復(fù)雜、截面尺寸較大則選用高碳高鉻模具鋼，如Cr12、Cr6WV、Cr4W2Mo 等鋼。若模具使用頻率低，產(chǎn)品質(zhì)量要求不高時(shí)也可選用12CrMo、15CrMo 及低碳鋼材料等；如果模具形狀簡(jiǎn)單且尺寸在300mm×300mm以內(nèi)，可選擇使用Cr12MoV 等模具鋼，但是，如果模具外觀質(zhì)量要求較高，并且板片原材料硬度較高，成形較為困難、平整度差，可選用具有高鏡面拋光性能的進(jìn)口鋼材，例如P20+Ni 和NAK80 等，不需要后續(xù)熱處理。若波紋板為雙相鋼、超級(jí)不銹鋼等材料，成形困難、平整度差，也可采用熱作模具鋼進(jìn)行熱沖壓成形，常用模具材料如3Cr3Mo2MnV、5Cr4Mo2W2VSi、5Cr4WMo2V 等。

結(jié)束語(yǔ)

總之，選擇合適板式傳熱元件模具材料能有效的保證成形可靠性、穩(wěn)定性以及成形精度，還能有效的延長(zhǎng)模具壽命，降低制造成本，為板式換熱器的生產(chǎn)制造奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。