分析影响铝挤压模具寿命的因素

小黄豆

1、前言
    延长挤压模具的使用寿命一直是铝加工企业十分关注的问题，模具寿命的长短直接影响到企业的生产效率及产品成本，采取哪些得力措施来延长模具的使用寿命，不少企业都有自己的独到之处。为了更好地改善铝挤压模具的质量和提高其使用寿命，本文从模具的材质选择、模具的优化设计、热处理工艺的选择与模具的科学使用四个方面作了剖析，并有针对性地提出切实可行的对策。
) O; L$ Y1 e# U2 k8 z! y    2、影响因素分析
    2.1 模具材料性能的影响
9 J0 U0 m* {/ C1 A3 Z# P    挤压模具是在高温高压下作业，并承受周期载荷的作用，因此对模具钢的性能要求相当高，一般制造模具的材料应具有热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性。前些年国内常采用3Cr2W8V钢制造模具，但它的韧性低，抗疲劳强度不好，即使采用高温淬火等工艺处理措施亦不能满足要求，模具的早期失效十分严重，近年来已被优质模具钢4Cr5MoSiV1(H13钢，其化学成分见表1)所取代，与3Cr2W8V钢相比，4Cr5MoSiV1钢具有两个突出特点:一是有良好的高温综合性能和较高的热疲劳抗力；.二是组织中含有较多的Cr、Mo元素，氮化处理时能生成丰富稳定的氮化物并弥散分布。所以，就延长模具的使用寿命而言，选用H13钢加工模具还是比较合适的。统计数字表明:用H13钢和3Cr2W8V钢制造同种模具，前者的使用寿命是后者的3~5倍。

表1 4Cr5MoSiV1的化学成分

5 }+ s6 u* i9 K- U& s- J    2.2 模具设计方案的影响
    模具设计的合理得当，是延长其使用寿命的重要环节。挤压铝型材一般存在断面不对称和壁厚不相等现象，在设计模具时应给予重视，既要考虑模孔位置的排列，又要结合具体情况，通过改变模孔工作带的高度来改善金属的流动性。下面就模具设计存在的一般问题略作分析：
    (1) 对于壁厚不相等的型材，采用不等长工作带的方法设计。见图1的丁字型材，通常依据经验公式h1/h2=b1/b2来确定工作带的高度。
! ?& v2 L* J% X; D    式中 h1、h2----表示截面处的相应工作带高度；
         b1、b2----表示截面处的相应型材厚度。
, d' C1 D! m! h- B$ R3 {    因为这样设计更能保证金属流动的均匀性。

图1 壁厚不相等的丁字型材

( g7 q% }$ L6 b) x4 l2 w2 W8 C    (2) 适当调整过渡圆角的半径和工作带长度，以避免应力集中现象。见图1,A处过渡圆角流动阻力较大，金属不易充满，此处工作带的设计应稍小于正常值，而B处过渡圆角的流动阻力就较小，金属易充满，对应的工作带长度应略大于正常值。
6 ]- r) F% v- {* X* b- H    (3) 模孔尺寸的确定应综合考虑型材性质和模具材料的收缩率，对于6063铝合金与常用模具钢4Cr5MoSiV1，设计时模孔的收缩率应取1.01%-1.09%(可根据模孔尺寸的大小适当选取)。
    (4) 根据延伸系数确定模孔数目。模孔数目直接影响到延伸系数的大小，挤压比过大会使挤压力超过正常值而损坏模具，过小则会使挤压制品的机械性能下降，一般挤压系数(延伸系数)宜在10-50之间。
& l  a: p5 S. R0 c" h/ }3 ?! Q4 q    (5) 合理布置模孔位置。在设计时不宜将模孔布置得过于*近边缘，否则将会降低模具强度，导致死区金属参与流动而影响制品表面质量。挤压三角型材时，图2的模孔布置就比较适宜。

8 O# L& Q1 s; z+ Q1 F2 a图2 角型材模孔布置图

    2.3 热处理工艺的影响
    要延长模具的使用寿命，热处理工艺的恰当与否甚为重要，影响热处理质量的主要因素有加热速度、淬火温度、淬火速度和回火温度等。经过分析与实践，下列热处理工艺适合一般企业，能满足4Cr5MoSiV1钢在高温下的机械性能要求(见图3)。

5 `" g/ O" n- M& f7 F! ]图3 4Cr5MoSiV1钢的热处理工艺示意图

    (1) 预热:温度为600-630℃，保温时间为1.5-2.Oh(视模具大小而定)，然后升温到830~850℃，保温1.5-2.Oh。此工艺过程为淬火前的预处理，它能合理调整工件内部的微观缺陷，为淬火准备必要的条件。
    (2) 淬火:在预处理的基础上，把加热温度升高到1040-1080℃，保温2-2.5h出炉油淬，待工件温度降到130℃左右时从油中取出空冷。
    (3) 回火:淬火后的模具内部有较大的内应力，必须在1~2h内对工件进行回火，以消除淬火时产生的应力。为了避免工件开裂，回火前也应加热均匀，具体方法为:把工件加热到380-400℃保温1小时左右再缓慢升温到580-600℃进行一次回火，保温时间为2.Oh，然后出炉空冷至常温后进行二次回火，回火温度为560-580℃，保温时间为2h，随后出炉空冷。
    针对上述热处理工艺，需要补充说明的是:由于4Cr5MoSiVI(H13)钢对淬火温度很敏感(见图4)，且在高温下的淬火性能优良，所以应对其实行高温淬火。

图4 淬火温度与疲劳强度的关系

% \7 q# |9 @! \9 G    2.4 模具使用机制的影响
+ Y) {) J* t% |0 o, X7 R    要延长模具的寿命，科学地使用模具也是不容忽视的一个方面。由于模具的工作环境极为恶劣(高温高压)，生产中要采取一定的措施来确保它的组织性能。以下列出要注意的三个重要方面：
! ^# g0 w/ k/ D& v6 Y( v: t    (1) 采用适宜的挤压速度。在挤压过程中，当挤压速度过快时，会造成金属流动不均匀、模具温度较高等现象，如果此时金属变形产生的余热不能及时带走，模具就可能因局部过热而失效，当挤压速度较适宜时，就避免了上述不良后果的发生，挤压速度一般控制在25mm/s以下。
/ g6 w# Q0 y; O1 z+ z. s    (2) 采用低一高一低的使用强度。模具刚进入服役期时，组织性能还处在浮动阶段，此时应采用低强度的作业方案，使模具向平稳期过渡;模具使用中期，可适当提高使用强度，因为此时模具的综合性能处在最佳状态;到模具的使用后期，其内部组织已部分恶化，热疲劳强度也较低，应适当降低模具的使用强度，以免使用中出现模具变形、裂纹等缺陷。
! C  h  K: P3 y( N7 {; P    (3) 使用前期对模具进行反复氮化处理。渗氮处理能使模具在保持足够韧性的情况下大大提高其表面硬度，以减少模具使用时的热磨损，但表面氮化并不是一次性就能完成的，在模具服役期间，应对之进行3-4次反复渗氮处理，一般要使氮化层厚度达到0.15-0.20mm。
: l2 b& a  Q$ P    3、结束语
    挤压模具的使用寿命是一个综合性的技术问题，以上介绍的四个方面只是其中的部分，要全面理解模具使用寿命的含义，在模具的加工制造中选择最佳工艺和模具使用后的及时修正，对延长模具的寿命也至关重要。