一種硬質合金鋁型材擠壓模

蔡浩欽，鄧汝榮

（廣州科技職業技術大學，廣州510550）

0 前言

當前我國已成為世界的鋁材生產大國，每年用于生產鋁材擠壓模的消耗量十分巨大。相關數據表明，在實際生產中擠壓模報廢失效的主要原因是模具的磨損，因此，提高模具的耐磨性，對于提高模具的壽命具有重要意義，將帶來顯著的經濟效益[1]。目前生產鋁材用擠壓模的材料是具有良好的力學性能的優質熱作模具鋼H13，它解決了過去熱作模具在工作中容易發生斷裂失效的問題。但由于鋼材達到的紅硬性不高、耐磨能力不強，模具的磨損導致大多數模具在材料沒有發生疲勞破壞的前提下就發生失效而報廢，這對價格相對昂貴的模具鋼材是一種巨大浪費，也增加了企業生產的成本。而硬質合金材料由于具有硬度高、耐磨性能好和導熱性能好等特性[2]，在模具行業也得到了越來越多、越來越廣的應用。但是，因為其硬而脆、韌性差、抗沖擊韌性能力低以及對應力集中敏感，所以迄今為止硬質合金材料還沒有較成熟地應用到熱擠壓模上，這也是因為人們迄今還沒有完全掌握模具鋼材基體與硬質合金在高溫下的配合以及服役受力時所表現出來的效應機理。本文將硬質合金引入到圓管擠壓模中，將優質的熱作模具鋼和硬質合金這兩種材料各自的優良特性有機結合起來，通過對工藝上的創新，使硬質合金能在擠壓工藝要求的溫度和壓力條件下牢靠地鑲嵌在模具中，并能穩定服役，從而大大提高模具的壽命。

1 硬質合金的選擇

在擠壓模中鑲嵌硬質合金，一方面必須合理選擇合金的類型和牌號，這是因為擠壓模是在高溫、高壓條件下服役的，而且還要承受交變載荷、沖擊載荷的作用；另一方面還應考慮獲得硬質合金材料的市場便利程度及成本。目前常用的硬質合金有鎢鈷類（YG）、鎢鈦鈷類（YT）、鎢鉭鈷類和鎢鈦鉭鈷類[3]。典型的硬質合金與模具基體鋼材H13的物理機械性能如表1所示。

表1 典型硬質合金與模具鋼H13的主要物理機械性能

由表1可知，與工具鋼熱膨脹系數12.8×10-6相比，硬質合金的熱膨脹系數要小得多[4]，這一點在模具設計和制造時是應當考慮的。另外硬質合金的彈性變形量與塑性變形量也很小[5]。這點對模具來說，既是有利的一方面，也有不利的一方面，即硬質合金在模具中對應力集中很敏感，容易引起模具損壞。因此，對于品種繁多、形狀多樣的鋁型材用模具來說，并不是全部適合采用硬質合金，但對于形狀簡單的圓管及具有較大圓角的品種，由于應力集中小，所以采用硬質合金鑲嵌件是合適的。

眾所周知，目前鋁型材擠壓模選用的基體鋼材是H13鋼，為了提高模具耐磨性選擇硬質合金作為鑲嵌材料是基于硬質合金材料的硬度高、耐磨性能好和導熱性能好等原因。而不選擇硬質合金作為基體材料的原因是因其硬而脆、韌性差、抗沖擊韌性能力低以及對應力集中敏感。

通過分析可知，在所有的硬質合金材料中，以含鈷的硬質合金較為合適，這是因為硬質合金的機械性能主要由含鈷量和碳化鎢的粒度所決定的，含鈷量越高其抗壓強度越高。相對而言，含鈷量低的合金的耐磨性更好或更為顯著，而含鈷量高的合金則沖擊性能較好或較顯著[6]。

要提高鋁型材擠壓模具的壽命，首要解決的是模具工作表面的磨損問題，強調的是模具的耐磨性，所以選擇含鈷量低的YG8硬質合金。這與冷沖壓模具中選擇沖擊性能好的YG15完全不同。此外，相關實驗表明，硬質合金的熱線膨脹系數隨著鈷含量的增加而增加[7]。考慮到擠壓模的工作溫度在520~540℃，為了避免合金在高溫下熱膨脹過大而引起型材壁厚的變化，應選擇含鈷量低的硬質合金；另外從表1也可以看出，YG8在高溫下的熱膨脹量對于基體鋼材而言是可以忽略不計的。

2 硬質合金的鑲嵌方法

以圖1所示的鋁型材圓管擠壓模為例。由于硬質合金是鑲嵌在擠壓模中的，所以首先要用傳統的工藝方法將一套完整的模具制作出來，然后對上模和下模的工作部位，即上模的模芯和下模的模孔進行再加工，加工出硬質合金鑲嵌放置的部位，最后分別把合金牢靠地鑲嵌上去。

2.1 硬質合金在下模的鑲嵌

根據要求，所鑲嵌合金與模具基體的結合在工作時必須是牢固可靠的。模具的工作溫度為520～540℃，而硬質合金與模具基體材料H13在此溫度下的熱脹系數是不相同的，因此，采用加熱壓裝的方式將硬質合金鑲嵌在下模模孔中。壓裝要求是保證在高溫520～540℃下合金與下模鑲嵌孔的單面間隙小于0.02 mm。這就要求在常溫下二者是過盈配合的，這樣才能保證常溫下硬質合金不掉落。

具體操作如下：

（1）硬質合金的加工。硬質合金選用YG8，合金厚度為8 mm，其加工方法是慢走絲線切割：先割模孔斜度，然后將模孔與外形一次性割出，這樣可以保證型孔與外形的同心度。另一方面，也可保證割出模孔的工作帶尺寸為3 mm。

（2）下模基體的加工。下模與上模均按未鑲合金時的正常加工進行，裝配完畢后，拆分上、下模。根據鑲嵌合金尺寸配合精車下模型孔，兩者的尺寸關系如圖2所示。

圖2 下模鑲嵌孔與硬質合金的尺寸示意圖

尺寸關系如下：

（3）加熱壓裝。將加工好的下模與合金一起放入箱式爐里，緩慢加熱至（520±5）℃并保溫2 h，然后出爐快速壓裝。為了保證壓裝順利，可以讓合金提前約1 min出爐。由于鑲嵌孔深度要高出合金0.5 mm，所以壓裝平整后，用銅錘輕輕敲打下模鑲嵌孔四周，這樣可使邊緣下陷而壓住合金。裝配后的下模如圖3所示。

圖3 鑲嵌硬質合金后的下模

2.2 硬質合金在上模的鑲嵌

上模的合金鑲嵌主要是用硬質合金對模芯進行鑲嵌。上模基體按常規設計與加工，鑲嵌是在模具熱處理后進行的精加工，合金與模具均不需進行預熱，是在常溫下進行的。

其方法主要包括下列幾點：

（1）將YG8硬質合金鑲塊磨削到厚度與上模模芯設計的工作帶高度尺寸一致，外圓留0.2 mm的余量。

（2）上模的止口外圓精車留0.5 mm余量，合金螺絲位留0.2 mm余量；止口臺階、止口平面、模芯頸位、合金位在熱處理前可精車到位。

（3）YG8硬質合金鑲塊的內孔磨削尺寸小于上模的配合鑲嵌部位尺寸0.01 mm，即上模與鑲嵌合金的配合采用基孔制的過盈配合，過盈量小于0.01 mm，或采用配合代號為H7/n6的過盈配合。

（4）熱處理后以上模模芯的頸位為基準把緊固合金的螺絲位精車到位，并車M16（或M12）的外螺紋。在設計外螺紋時，螺紋外徑與合金的外徑之差應單邊大于3 mm。

（5）把YG8硬質合金鑲塊涂油滑配到模芯的合金位中，用墊片和M16的螺母擰緊，固定住硬質合金。

（6）以上模的模芯頸位為基準把螺絲頭部車成錐形，以保護模具工作帶。

（7）將上模安裝在四爪單動卡盤，以YG8硬質合金鑲塊為基準，將YG8硬質合金鑲塊外圓尺寸磨削到位，然后把上模止口外圓精車到位。

上模合金鑲嵌如圖4所示。

圖4 上模合金鑲嵌示意圖

3 擠壓結果對比

根據圖1所示的圓管型材，取外徑（D0）23.4 mm、壁厚為0.8 mm的圓管品種，在能力為6 MN的擠壓機上分別采用傳統的模具和鑲嵌硬質合金的模具對這二種結構進行擠壓生產跟蹤，所得結果如表2所示。

表2 模具結構與擠壓結果對比

由此可見，下模模孔鑲嵌硬質合金后，模具的耐磨性明顯提高，模具壽命大大提高，而且所得型材的表面質量明顯改善。

4 結束語

本研究以簡單的圓管擠壓模為例，對在擠壓模上鑲嵌硬質合金進行了試驗，最終取得了良好的效果。但熱裝方式操作麻煩且具有一定的危險性。另外在對下模采用冷裝方式時，即如何將常溫下的間隙配合轉變成高溫下的過盈配合還有待進一步的研究。由于硬質合金對沖擊及應力的敏感這一特性使得其適用的型材品種目前僅限于簡單并有一定圓角的一些品種。

但對于可以適用的型材，在模具中鑲嵌硬質合金的關鍵是要考慮因模具材料與硬質合金的線膨脹系數差異大而確定兩者合理的尺寸，同時考慮壓裝的方法，只有這樣才能充分發揮硬質合金的潛能和作用。結果也表明，利用好硬質合金可以大大提高模具的耐磨性和使用壽命。