新型工模具在铜合金管挤压生产的应用分析*

付成文，苗临轩，李文兵，苗承鹏，陈江涛

(1.金川集团精密铜材有限公司,甘肃 金昌　737100; 2.东北大学 机械工程与自动化学院,沈阳 辽宁　110000)

0　引　言

铜合金管材挤压关键是挤压工模具质量，模具材料常规采用H13模具钢，但是在挤压过程中由于受到大的热强挤压力作用，挤压工模具发生变形严重，寿命大大缩短，挤压过程温度超过H13等工模具的软化温度，导致工模具软化变形，出现凸起、凹坑等，导致管材尺寸变化、内外表面拉伤等缺陷。如何选择更优质的工模具材料，满足铜合金管材挤压的需要，是提高铜合金挤压生产质量的关键。

1　挤压主要工模具及损坏情况

1.1　挤压铜合金主要工模具

挤压铜合金主要工模具有挤压筒、挤压模、穿孔针、针支撑、挤压垫、清理垫、挤压轴、模套等。挤压筒是被挤压金属发生塑性变形的大型容器，它在高压、高温条件下工作，挤压筒采用三层结构。挤压模是确定产品形状和尺寸的工具，挤压一般采用平模、平锥模。穿孔针是用于锭坯穿孔和确定制品内孔尺寸和形状的工具，穿孔针常用圆柱式穿孔针，带1%左右锥度。挤压垫在挤压筒内将挤压轴与锭坯隔开并传递挤压力的挤压工具。

铜合金挤压使用主要的工模具材料为H13模具钢(国内牌号是4Cr5MoSiV1)，在铜合金挤压、铝合金挤压以及合金钢挤压方面广泛应用。

1.2　挤压时模具的损坏情况

1.2.1挤压模寿命短

根据H13特点以及设计要求，每个挤压模在挤制铜合金产品达到180根以上，但是在实际生产时铜合金挤压寿命很难达到设计要求。

主要是挤压过程入口锥角变形、向定径带区域滑动，定径带侧发生变形、塌陷、滑动等缺陷，导致模具尺寸变化，不进行修复继续使用将很快导致模具报废，如图1所示。

图1　挤压过程变形的挤压模

1.2.2挤压垫变形严重、开裂

H13挤压垫由于受到较大的压力作用，在实际使用中发生比较严重的挤压垫断面金属流动，呈现塌陷、滑动，同时由于受到高压作用，挤压垫凸台部分粘铜严重，导致挤压垫工作段不光滑、平整，严重影响脱皮挤压和挤制品表面质量，如图2所示。

图2　挤压过程变形、开裂的挤压垫

1.2.3穿孔针、针支撑断裂

挤压穿孔针采取中空结构，通入循环水进行穿孔针内冷却，在挤压过程中多次发生严重的穿孔针断裂事故，主要断裂部位处于穿孔针前端、螺纹连接处，如图3所示。

图3　挤压过程变形断裂穿孔针、针支撑

1.2.4穿孔针表面划伤、变形

穿孔针硬度一般为HRC46-50，虽然硬度较高，但是在实际使用挤压铜合金产品时，仍发生较严重的穿孔针拉伤事故，表面产生划槽、凸起，以及穿孔针被拉细、弯曲等，主要原因是高温下摩擦大，无论是在穿孔阶段、挤压阶段、退针阶段都存在很大的摩擦作用，导致高温下摩擦力作用产生损坏。

2　H13工模具材料优化的应用

2.1　H13改进的主要方向

目前，国内外改进型H13钢的合金化思路包括：提高Mn含量；降低Si含量、提高Mo含量；高C高Si、低Cr、高Mo；加入微合金元素Nb、Ti等。其中低Si高Mo的合金化途径与加Nb合金化的方法是当前H13钢成分优化的两种趋势。

2.2　挤制铜合金试验试用H13新型模具

2.2.1HD材料的试用

HD的成分构成为4Cr3Mo2VNiNb,是高韧性热作模具钢，空冷硬化钢，HD就是为适应700 ℃左右温度工作而研制的新型热作模具钢。HD模具钢是在UHBQR080钢的基础上我国自行研制的钢种，HD模具钢不含Co，增加了1%的Ni和微量Nb、B，其高温强韧性、高温硬度、热稳定性、抗热疲劳性等均较好。该类模具的表层受热温度可达710 ℃，如表1。

表1　HD模具钢化学成分构成

在挤压铜合金管材时HD合金模具试用φ100 mm模具，挤制φ105×15 mm铜合金管，根据约定HD使用寿命应高于H13的1/3，实际使用过程中HD模具连续挤制根数约为50根，经过修整后能够重复使用3～4次，总的挤压根数能够达到100～200根的要求，相比较H13稍有优势。通过初步试验结果，反映出HD模具钢高温性能优良，相比较H13合金模具变形较小，性价比的优势一般。

2.2.2H13A模具钢的试用

针对在挤压铜合金管材时工模具损耗大，耐高温性能、热强性不高的情况，积极引进H13的新发展材料H13A，如表2所列。

表2　H13A模具钢成分

新型热作模具钢H13A的开发主要性能均优于3Cr2W8V，淬火硬度高于3Cr2W8V、回火组织也更稳定，高温下的高温屈服强度也高于3Cr2W8V。

试用H13A制作φ248 mm挤压模具，挤压铜合金φ248×9 mm合金管材，通过使用反映出模具的强度达不到H13水平，软化趋势比较快，没有体现出比H13硬度高、高温性能好的特点，使用寿命较低。综合分析试用情况，认为主要的原因在于H13A主要通过钒的碳化物作用硬化，在控制良好热处理过程情况下，可以达到较好的性能，但是相对于H13热处理技术要求更高，控制难度较大。

3　金属陶瓷工装模具的应用

3.1　金属陶瓷热挤压模基本情况

金属陶瓷挤压模作为一种新型的耐压、耐温、高强材料，在挤压特种合金、高精度挤压产品方面发挥积极作用。金属陶瓷抗弯强度达2 500 MPa，最高使用温度1 100 ℃，硬度90～91HRA。在高温、高压和磨蚀极为严重的环境中工作，模芯基本不变形，用该模具生产的产品尽寸均匀、稳定，使用寿命比H13模长8～10倍。 金属陶瓷模由于制造工艺及本身的结构强度，影响使用寿命的重要因素主要有：模具的尺寸、镶嵌套的材料性能、镶嵌技术、使用的余热技术、修复技术等。

3.2　使用情况和存在的问题

目前主要使用φ104 mm、φ88 mm两种规格，分别挤压φ104×12 mm、φ88×9 mm管材，在挤压铜合金时寿命较好，挤压管材表面尺寸精度高、光洁无缺陷，由于在挤压过程中不需要频繁更换模具，生产效率大大提高，如图4。

图4　挤压过程开裂的金属陶瓷模

金属陶瓷模使用中反映最大的问题是陶瓷环开裂，及入口区和定径带发生开裂，导致产生较严重的管材表面划伤，分析原因主要是金属陶瓷本身硬度较高，而几乎没有韧性，在高压作用下产生开裂，同时也与外部镶嵌的模套膨胀系数不一致、装配过盈量不匹配相关。

3.3　扩展使用试验工作

在成功应用于小规格铜合金管材挤压的情况下，开展大型金属陶瓷模开发研究，主要瞄准目前产量最大的φ248×9 mm管材挤压模具，在挤压试制第一根时发生严重的开裂，挤压约1 m长度后金属陶瓷模就开裂，管材严重划伤。

此次试用反映出金属陶瓷模在使用中还难以突破大规格的强度和韧性匹配性问题，大规格时金属的膨胀、模套的膨胀、高的挤压力等综合作用，不能承受压力导致开裂。在此基础上进行了φ140 mm挤压金属陶瓷模的开发试用，结果情况稍有改善，但是裂纹仍是主要的影响问题，良好挤压根数不超过15根，难以实现持续生产。

3.4　金属陶瓷挤压模材料技术发展

(1) 通过添加稀土金属铈，改善金属陶瓷成形过程组织的细化和均匀性，提高综合韧性，在抗冲压方面得到改善。

(2) 增大钴金属含量，通过增加金属钴的含量，进一步提高硬度和强度，以及耐高温性能，在用于高温挤压生产中，热稳定性和强度更好。

(3) 提高镶嵌材料强度的选择，由H13、3Cr2W8V等模具钢，到采用性能更优高温合金作为外套材料。

(4) 更大尺寸模具技术的发展，金属陶瓷挤压模目前使用较好的最大规格为φ100 mm，能否开发更大规格的金属陶瓷模，是积极开发的方向。

4　高温合金工装模具应用

高温合金具有非常良好的高温强度和高温抗蠕变性能，将高温合金应用于挤压工模具在实际受成本制约，一般制造成本是H13价格的10倍，研究高温合金应用提高挤压生产质量、降低成本非常必要。

4.1　高温合金挤压模开发

挤制铜合金φ88×9 mm、φ104×12 mm管材，选择GH4169高温合金作为模具材料。经过挤压生产，挤压模不经过更换能够连续挤压60根，通过反复修复后能达到400根左右的效果。但是在使用中也出现了模具开裂问题，并且扩展比较快，分析主要是对高温合金的余热、降温等措施掌握不够，高温合金本身制造过程中的热处理工艺相关。

4.2　高温合金在金属陶瓷模外套的应用

通过金属陶瓷模具厂家定制挤压模坯，在其他单位定制高温合金外套，自行采取不同过盈量装配，统计使用情况反映使用寿命延长、陶瓷模开裂大大降低，只有细微的小裂纹不影响挤压表面。并且高温合金模套可以通过更换金属陶瓷模芯重复使用。

使用高温合金外套存在的问题：首先成本增加，同样是外套采用高温合金GH4169成本是H13的几倍，越是小的模具高温合金占比越大，其次是高温合金本身膨胀系数低，装配时需要采用较小的过盈量，但是为了保证装配较高的把持强度，过盈量还不能太小，导致装配困难，并且一旦模芯损坏时拆卸困难。

5　工装模具优化设计实践

5.1　带润滑槽的穿孔针的优化设计实践

在借鉴国内同行应用情况下，对于用于铜合金管材挤压的穿孔针，设计开发带润滑槽的竹节状穿孔针，通过残留在润滑槽中的润滑剂持续作用，减小穿孔针摩擦，减弱穿孔针划伤，改善管材内表面质量。

但是在实际使用时作用发挥不显著，改善润滑效果不明显，还因为竹节穿孔针直径较小部分容易造成金属倒流，穿孔针和挤压垫之间嵌入金属，造成穿孔针被划伤。

5.2　分段式穿孔针的优化设计实践

为了减少因为穿孔针断裂造成较大损失，研究采取将穿孔针分段设计，中间增加一段穿孔针连接器，两端装配形式。通过使用验证，确实对于改善穿孔针使用方面起到了作用，降低了成本，但是因新增加螺纹连接一道，使整个连接的稳定性改变，螺纹卡死情况明显增多，拆卸故障增加。

5.3　组合模套开发使用实践

为了降低工模具成本、并能够提高模套的使用寿命，减少更换模套次数，将原来的模套一体式结构，改进采用组合形式。通过优化设计在紫铜产品挤压时使用良好，达到了设计效果，但是在挤压铜合金产品时，出现了模具与模套之间装配精度不够、拆卸困难、难以承受高挤压力等情况，相反成为制约，主要在于组合形式精度不高、单个抗压能力降低等问题，同时装配形式也降低了对中，增大挤压偏心。

6　结　语

(1) H13挤压工模具仍是当前性价比较好的材料，但是在高强铜合金方面，综合性能不能满足要求，直接影响挤压产品品质。

(2) 高温合金、金属陶瓷挤压工模具因具有优良的高温热强度、高温变形小等特点，应用将得到推广，尤其是在白铜、青铜等铜合金生产中，逐渐替代H13传统工模具材料。

(3) 挤压工模具的寿命提升、性能优化等要与工艺润滑提高、工模具结构改进等紧密结合。