新型硬质合金铝型材挤压模：提高耐磨性与使用寿命的关键

【概括】

介绍了硬质合金在铝合金挤压模具中的重要性，提出了一种新型硬质合金挤压模具。此类模具在挤压模具的工作部分局部镶嵌硬质合金材料，以提高模具的耐磨性。以圆管挤压模具为例，阐述了硬质合金的选择方法，重点介绍了硬质合金尺寸的确定及其镶嵌方法；并根据挤压结果，对普通挤压模具和硬质合金挤压模具进行了比较。

结果表明，使用硬质合金可以大大提高模具的耐磨性和使用寿命。

关键词：铝型材；圆管；碳化物;镶嵌

一种硬质合金铝型材挤压模具

0 前言

目前，我国已成为世界上最大的铝生产国，铝挤压模具的年消耗量非常巨大。有关资料表明，实际生产中挤压模具报废和失效的主要原因是模具的磨损。因此，提高模具的耐磨性对于延长模具的使用寿命具有重要意义，并将带来显着的经济效益[1]。目前用于生产铝材挤压模具的材料是优质热作模具钢H13，具有良好的机械性能。解决了以往热作模具在工作中容易断裂、失效的问题。但由于钢的红硬性低、耐磨性弱，模具的磨损导致大多数模具在材料没有疲劳损坏的情况下失效而报废。这对于相对昂贵的模具钢来说是一个巨大的问题。浪费还增加了企业的生产成本。由于硬质合金材料硬度高、耐磨性好、导热性好，在模具行业中得到越来越多的应用。但由于其硬而脆、韧性差、冲击韧性低、对应力集中敏感，硬质合金材料至今尚未成熟地应用于热挤压模具。这也是因为人们还没有完全了解模具钢基体与硬质合金在高温下的配合以及在使用和受力过程中所表现出的作用机制。本文将硬质合金引入圆管挤压模具中，将优质热作模具钢和硬质合金两种材料的优良性能有机结合起来。通过技术创新，硬质合金可以在挤压工艺所需的温度和压力条件下牢固地嵌入模具中，并且可以稳定地服役，从而大大延长了模具的使用寿命。

铝挤压模具报废的原因大致分为三类：

一是模具因长期使用、磨损、模具修理等原因导致公差超标而报废，所占比例较大，约为80%；

二是危险型材铝型材模具因倒塌、断裂、悬臂挤压等原因造成的报废约占10%；

三是型材断面设计改进或取消而造成的模具报废，约占5%。这些容易出现塌陷、断裂、悬臂挤压等危险型材铝型材加工挤压模具称为危险型材模具。

1：硬质合金的选择

在挤压模具中镶嵌硬质合金时，一方面必须合理选择合金的种类和牌号。这是因为挤压模具在高温、高压条件下工作，同时还要承受交变载荷和冲击载荷；另一方面，还应考虑获得硬质合金材料的市场便利性和成本。目前常用的硬质合金有钨钴（YG）、钨钛钴（YT）、钨钽钴和钨钛钽钴等[3]。典型硬质合金和模架钢H13的物理机械性能如表1所示。

表1 典型硬质合金和模具钢H13的主要物理机械性能

由表1可知，工具钢的热膨胀系数为12.8×10-6

相比之下，硬质合金的热膨胀系数要小得多，在设计和制造模具时应考虑这一点。另外，硬质合金的弹性变形和塑性变形也很小。这对于模具来说既是优点也是缺点，即硬质合金对模具内的应力集中非常敏感，很容易造成模具的损坏。因此，对于各种类型和形状的铝型材模具，并非全部都适合使用硬质合金。但对于形状简单、圆角较大的类型的圆管，由于应力集中小，则采用硬质合金。镶嵌是合适的。众所周知，目前铝型材挤压模具使用的基体钢材是H13钢。为了提高模具的耐磨性，选择硬质合金作为镶嵌材料，因为硬质合金材料硬度高、耐磨性好、导热性好。不选择硬质合金作为基材的原因是它硬而脆，韧性差，冲击韧性低，对应力集中敏感。通过分析可以看出，在所有硬质合金材料中，含钴硬质合金更为合适。这是因为硬质合金的机械性能主要由钴含量和碳化钨颗粒尺寸决定。钴含量越高，钴含量就越大。抗压强度越高，则越高。相对而言，钴含量低的合金具有更好或更显着的耐磨性，而钴含量高的合金则具有更好或更显着的冲击性能。

要提高铝型材挤压模具的使用寿命，首先要解决的是模具工作表面的磨损问题。重点是模具的耐磨性，因此选用低钴含量的YG8硬质合金。这与在冷冲压模具中选择冲击性能良好的YG15是完全不同的。另外，相关实验表明，硬质合金的热膨胀系数随着钴含量的增加而增大[7]。考虑到挤压模具的工作温度为520~540℃，为避免高温下合金过度热膨胀而引起型材壁厚变化，应选用钴含量低的硬质合金；另外，从表1可以看出，YG8在高温下的热膨胀对于母材来说可以忽略不计。

2：硬质合金的镶嵌方法

以图1所示的铝型材圆管挤压模具为例。由于硬质合金是嵌入挤压模具中的，所以首先必须采用传统工艺制作成套模具，然后再制作上模和下模的工作部件，即上模的型芯和下模。对模孔进行再加工，对要镶嵌硬质合金的部位进行加工，最后将合金镶嵌牢固。

图1 圆管剖面示意图

2.1 下模镶硬质合金

根据要求，运行时嵌入合金与模架的结合必须牢固可靠。模具的工作温度为520～540℃，在此温度下硬质合金与模具基材H13的热膨胀系数不同。因此，通过加热和加压将硬质合金嵌入下模孔中。 。压装要求是保证在520～540℃高温下合金与下模镶孔之间的单面间隙小于0.02毫米。这就需要两者在常温下过盈配合，以保证硬质合金在常温下不脱落。

具体操作如下：

(1)硬质合金的加工。硬质合金为YG8，合金厚度为8毫米。加工方法为慢走丝线切割：先切出模孔的斜度，然后一次切出模孔和形状，以保证孔和形状的同心度。另一方面也能保证切割模孔的工作带尺寸为3毫米。

(2)下模架的加工。下模和上模未镶嵌合金时按正常加工进行加工。组装完成后，将上下模具拆卸。根据镶嵌合金的尺寸和精加工模型的孔的尺寸，两者的尺寸关系如图2所示。

尺寸关系如下：

D1=1.01×D0（毫米）。

D2=D1+40（毫米）。

D3=0.996×D2

图2 下模镶孔及硬质合金尺寸示意图

(3)加热加压。将加工好的下模及合金放入箱式炉中，缓慢升温至（520±5）℃并保温2小时，然后出炉快速压制。为保证压机安装顺利，可提前1分钟左右将合金出炉。由于镶嵌孔的深度应比合金高0.5毫米，压装顺利后，用铜锤轻轻敲击下模镶嵌孔周围。这将导致边缘下沉并压住合金。组装好的下模如图3所示。

图3 镶嵌硬质合金后的下模

图1 圆管剖面示意图

2.2 上模镶硬质合金

上模的合金镶嵌主要采用硬质合金镶嵌模芯。上模架按常规方法设计、加工。模具热处理后镶嵌完成。合金和模具均无需预热，在常温下进行。该方法主要包括以下几点：

(1)磨削YG8硬质合金刀片，直至厚度与上模芯设计的工作带高度尺寸一致，外圆留0.2毫米余量。

(2)上模止动外圆留0.5毫米余量，合金螺钉位置留0.2毫米余量；止挡台阶、止挡平面、芯颈位置、合金位置可在热处理前就位完成。

(3)YG8硬质合金刀片内孔磨削尺寸比上模配套镶嵌部分尺寸小0.01毫米。即上模与镶嵌合金的配合采用基孔过盈配合，过盈量小于0.01毫米。或者使用配合代码 H7/n6 的过盈配合。

(4)热处理后，以上模芯的颈部位置为基准，将紧固合金的螺纹位置精确旋入到位，车出M16（或M12）外螺纹。设计外螺纹时，螺纹外径与合金外径的差值一侧应大于3毫米。

(5) 将YG8硬质合金镶块涂上润滑脂，并将其滑入模芯的合金位置。用垫片和M16螺母拧紧，固定硬质合金。

(6)根据上模芯颈位置，将螺杆头转成锥形，以保护模具工作带。

(7)将上模安装在四爪单动卡盘上，并以YG8硬质合金刀片为基准。

图4 上模合金镶嵌示意图

3：挤压结果对比

根据图1所示的圆管型材，取外径（D0）为23.4mm、壁厚为0.8mm的圆管品种，在挤压机上使用传统模具和镶硬质合金模具，容量为 6 MN。对这两种结构的挤压生产进行了跟踪，结果如表 2 所示。

表2 模具结构与挤压结果比较

可以看出，下模模孔镶嵌硬质合金后，模具的耐磨性显着提高，模具寿命大大提高，所得型材的表面质量显着提高。

4 结论

本研究以简易圆管挤压模具为例，对挤压模具上镶嵌硬质合金进行了试验，最终取得了良好的效果。然而，热加载方法既麻烦又危险。另外，下模采用冷装配方法时，如何将常温下的间隙配合转变为高温下的过盈配合，还有待进一步研究。由于硬质合金对冲击和应力的敏感性，目前其适用的型材类型仅限于具有一定圆角的简单类型。但对于适用的型材，在模具中镶嵌硬质合金的关键是考虑模具材料与硬质合金线膨胀系数差异较大，确定合理的尺寸，同时考虑压装方法。只有这样才能充分发挥硬质合金的潜力和作用。研究结果还表明，利用好硬质合金可以大大提高模具的耐磨性和使用寿命。

硬质合金铝型材挤压模具的几个案例

一种硬质合金铝型材挤压模具

一种硬质合金铝型材挤压模具2

一种硬质合金铝型材挤压模具3

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