影响铝挤压模具寿命的因素分析

围绕延长铝挤压模具寿命这一主题，从材料的选择、热处理工艺、模具的优化设计及科学使用四个方面作了深入浅出的分析，并有针对性的给出了改进措施。
关键词:挤压模具;提高寿命;影响因素

    为了更好地改善铝挤压模具的质量和提高其使用寿命，本文从模具材料的选择、热处理工艺、模具的优化设计与模具的科学使用4个方面作了深入浅出的剖析，并有针对性地给出了切实可行的对策。
   
1 模具材料性能的影响

    挤压模具是在高温高压环境下作业，并要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较高的热稳定性、热疲劳性、热耐磨性和足够的韧性。前些年国内常采用3Cr2 W8 V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4Cr5 MoSi VI钢(又称H13钢，化学成分见表1)取代。与3Cr2 W8 V钢相比，4Cr5 MoSi VI钢具有以下两个突出特点:一有良好的高温综合性能和较高的热疲劳抗力;夏旗织中含有较多的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。因此就延长模具使用寿命而言，选用4Cr5 MoSi VI钢加工模具还是比较合适的。统计数字表明，用4Cr5 MoSi VI钢和3Cr2 W8 V钢制造同种模具，前者的使用寿命是后者的3-5倍。



   
2　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、淬火冷却速度和回火温度等。经过分析与实践，下列热处理工艺(见图1)适合一般企业，能满足4Cr5 MoSi V1钢在高温下的机械性能要求。

    (1)预热。温度600 - 630℃，保温时间1.5-2h(视模具大小而定)，然后升温到830一850℃，保温1.5-2h，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 - 108℃，保温2-2.5h出炉油淬，待工件温度降到130℃左右从油中取出空冷。



    (3)回火。淬火后工件内部有较大的内应力，必须在1一2h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:工件加热到380~400℃保温1h，再缓慢升温到580一600℃进行一次回火，保温时间为2h，然后出炉空冷至常温后进行二次回火，回火温度为560一580'C，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4Cr5 MoSi V1钢对淬火温度很敏感，且在高温下的淬火性能优良，所以应对其实行高温淬火。
   
3　模具设计方案的影响

    模具设计的合理与否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。下面就模具设计中存在的一般问题略作分析:

    (1)对于壁厚不等的型材应采用不等长工作带的方法设计。图2所示丁字型材通常依据经验公式h,/ h2一b,/ b2确定工作带高度，公式中h,,hz表示截面处相应工作带高度，bl、b2表示截面处相应型材厚度，这种设计更能保证金属流动的均匀性。

    (2)适当调整过渡圆角的半径和工作带长度，可以避免应力集中现象。图2中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较小，金属易充满，对应的工作带长度应略大于正常值。




    (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铝合金和常用模具钢4Cr5 MoSi VI，设计时模孔的收缩率应取1.O1%-1.09%(可根据模孔尺寸适当选取)。

    (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10-500。

    (5)合理布置模孔位置。在设计时不宜将模孔布置得过于靠近模具边缘，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。

    挤压角型材时，图3所示的模孔布置就比较适宜。



4　模具使用方面的影响

    要延长模具寿命，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。以下列出了要注意的3个重要方面:

    (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，挤压速度一般应控制在25mm/s以下。

    (2)采用由低到高再到低的使用强度。模具刚进入服役期时，组织性能还处在浮动阶段，此期间应采用低强度的作业方案，以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。到模具使用的后期，其内部组织已部分恶化，热疲劳强度也较低，此时应适当降低模具的使用强度，以免在使用中出现不测。

    (3)使用前期对模具进行反复渗氮处理。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，但表面渗氮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，一般要使渗氮层厚度达到0.15-0.20mm。
   
5　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4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及时修正，对延长模具寿命也至关重要。