一种硬质合金铝型材挤压模

蔡浩钦，邓汝荣

（广州科技职业技术大学，广州510550）

0 前言

当前我国已成为世界的铝材生产大国，每年用于生产铝材挤压模的消耗量十分巨大。相关数据表明，在实际生产中挤压模报废失效的主要原因是模具的磨损，因此，提高模具的耐磨性，对于提高模具的寿命具有重要意义，将带来显著的经济效益[1]。目前生产铝材用挤压模的材料是具有良好的力学性能的优质热作模具钢H13，它解决了过去热作模具在工作中容易发生断裂失效的问题。但由于钢材达到的红硬性不高、耐磨能力不强，模具的磨损导致大多数模具在材料没有发生疲劳破坏的前提下就发生失效而报废，这对价格相对昂贵的模具钢材是一种巨大浪费，也增加了企业生产的成本。而硬质合金材料由于具有硬度高、耐磨性能好和导热性能好等特性[2]，在模具行业也得到了越来越多、越来越广的应用。但是，因为其硬而脆、韧性差、抗冲击韧性能力低以及对应力集中敏感，所以迄今为止硬质合金材料还没有较成熟地应用到热挤压模上，这也是因为人们迄今还没有完全掌握模具钢材基体与硬质合金在高温下的配合以及服役受力时所表现出来的效应机理。本文将硬质合金引入到圆管挤压模中，将优质的热作模具钢和硬质合金这两种材料各自的优良特性有机结合起来，通过对工艺上的创新，使硬质合金能在挤压工艺要求的温度和压力条件下牢靠地镶嵌在模具中，并能稳定服役，从而大大提高模具的寿命。

1 硬质合金的选择

在挤压模中镶嵌硬质合金，一方面必须合理选择合金的类型和牌号，这是因为挤压模是在高温、高压条件下服役的，而且还要承受交变载荷、冲击载荷的作用；另一方面还应考虑获得硬质合金材料的市场便利程度及成本。目前常用的硬质合金有钨钴类（YG）、钨钛钴类（YT）、钨钽钴类和钨钛钽钴类[3]。典型的硬质合金与模具基体钢材H13的物理机械性能如表1所示。

表1 典型硬质合金与模具钢H13的主要物理机械性能

由表1可知，与工具钢热膨胀系数12.8×10-6相比，硬质合金的热膨胀系数要小得多[4]，这一点在模具设计和制造时是应当考虑的。另外硬质合金的弹性变形量与塑性变形量也很小[5]。这点对模具来说，既是有利的一方面，也有不利的一方面，即硬质合金在模具中对应力集中很敏感，容易引起模具损坏。因此，对于品种繁多、形状多样的铝型材用模具来说，并不是全部适合采用硬质合金，但对于形状简单的圆管及具有较大圆角的品种，由于应力集中小，所以采用硬质合金镶嵌件是合适的。

众所周知，目前铝型材挤压模选用的基体钢材是H13钢，为了提高模具耐磨性选择硬质合金作为镶嵌材料是基于硬质合金材料的硬度高、耐磨性能好和导热性能好等原因。而不选择硬质合金作为基体材料的原因是因其硬而脆、韧性差、抗冲击韧性能力低以及对应力集中敏感。

通过分析可知，在所有的硬质合金材料中，以含钴的硬质合金较为合适，这是因为硬质合金的机械性能主要由含钴量和碳化钨的粒度所决定的，含钴量越高其抗压强度越高。相对而言，含钴量低的合金的耐磨性更好或更为显著，而含钴量高的合金则冲击性能较好或较显著[6]。

要提高铝型材挤压模具的寿命，首要解决的是模具工作表面的磨损问题，强调的是模具的耐磨性，所以选择含钴量低的YG8硬质合金。这与冷冲压模具中选择冲击性能好的YG15完全不同。此外，相关实验表明，硬质合金的热线膨胀系数随着钴含量的增加而增加[7]。考虑到挤压模的工作温度在520~540℃，为了避免合金在高温下热膨胀过大而引起型材壁厚的变化，应选择含钴量低的硬质合金；另外从表1也可以看出，YG8在高温下的热膨胀量对于基体钢材而言是可以忽略不计的。

2 硬质合金的镶嵌方法

以图1所示的铝型材圆管挤压模为例。由于硬质合金是镶嵌在挤压模中的，所以首先要用传统的工艺方法将一套完整的模具制作出来，然后对上模和下模的工作部位，即上模的模芯和下模的模孔进行再加工，加工出硬质合金镶嵌放置的部位，最后分别把合金牢靠地镶嵌上去。

2.1 硬质合金在下模的镶嵌

根据要求，所镶嵌合金与模具基体的结合在工作时必须是牢固可靠的。模具的工作温度为520～540℃，而硬质合金与模具基体材料H13在此温度下的热胀系数是不相同的，因此，采用加热压装的方式将硬质合金镶嵌在下模模孔中。压装要求是保证在高温520～540℃下合金与下模镶嵌孔的单面间隙小于0.02 mm。这就要求在常温下二者是过盈配合的，这样才能保证常温下硬质合金不掉落。

具体操作如下：

（1）硬质合金的加工。硬质合金选用YG8，合金厚度为8 mm，其加工方法是慢走丝线切割：先割模孔斜度，然后将模孔与外形一次性割出，这样可以保证型孔与外形的同心度。另一方面，也可保证割出模孔的工作带尺寸为3 mm。

（2）下模基体的加工。下模与上模均按未镶合金时的正常加工进行，装配完毕后，拆分上、下模。根据镶嵌合金尺寸配合精车下模型孔，两者的尺寸关系如图2所示。

图2 下模镶嵌孔与硬质合金的尺寸示意图

尺寸关系如下：

（3）加热压装。将加工好的下模与合金一起放入箱式炉里，缓慢加热至（520±5）℃并保温2 h，然后出炉快速压装。为了保证压装顺利，可以让合金提前约1 min出炉。由于镶嵌孔深度要高出合金0.5 mm，所以压装平整后，用铜锤轻轻敲打下模镶嵌孔四周，这样可使边缘下陷而压住合金。装配后的下模如图3所示。

图3 镶嵌硬质合金后的下模

2.2 硬质合金在上模的镶嵌

上模的合金镶嵌主要是用硬质合金对模芯进行镶嵌。上模基体按常规设计与加工，镶嵌是在模具热处理后进行的精加工，合金与模具均不需进行预热，是在常温下进行的。

其方法主要包括下列几点：

（1）将YG8硬质合金镶块磨削到厚度与上模模芯设计的工作带高度尺寸一致，外圆留0.2 mm的余量。

（2）上模的止口外圆精车留0.5 mm余量，合金螺丝位留0.2 mm余量；止口台阶、止口平面、模芯颈位、合金位在热处理前可精车到位。

（3）YG8硬质合金镶块的内孔磨削尺寸小于上模的配合镶嵌部位尺寸0.01 mm，即上模与镶嵌合金的配合采用基孔制的过盈配合，过盈量小于0.01 mm，或采用配合代号为H7/n6的过盈配合。

（4）热处理后以上模模芯的颈位为基准把紧固合金的螺丝位精车到位，并车M16（或M12）的外螺纹。在设计外螺纹时，螺纹外径与合金的外径之差应单边大于3 mm。

（5）把YG8硬质合金镶块涂油滑配到模芯的合金位中，用垫片和M16的螺母拧紧，固定住硬质合金。

（6）以上模的模芯颈位为基准把螺丝头部车成锥形，以保护模具工作带。

（7）将上模安装在四爪单动卡盘，以YG8硬质合金镶块为基准，将YG8硬质合金镶块外圆尺寸磨削到位，然后把上模止口外圆精车到位。

上模合金镶嵌如图4所示。

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）23.4 mm、壁厚为0.8 mm的圆管品种，在能力为6 MN的挤压机上分别采用传统的模具和镶嵌硬质合金的模具对这二种结构进行挤压生产跟踪，所得结果如表2所示。

表2 模具结构与挤压结果对比

由此可见，下模模孔镶嵌硬质合金后，模具的耐磨性明显提高，模具寿命大大提高，而且所得型材的表面质量明显改善。

4 结束语

本研究以简单的圆管挤压模为例，对在挤压模上镶嵌硬质合金进行了试验，最终取得了良好的效果。但热装方式操作麻烦且具有一定的危险性。另外在对下模采用冷装方式时，即如何将常温下的间隙配合转变成高温下的过盈配合还有待进一步的研究。由于硬质合金对冲击及应力的敏感这一特性使得其适用的型材品种目前仅限于简单并有一定圆角的一些品种。

但对于可以适用的型材，在模具中镶嵌硬质合金的关键是要考虑因模具材料与硬质合金的线膨胀系数差异大而确定两者合理的尺寸，同时考虑压装的方法，只有这样才能充分发挥硬质合金的潜能和作用。结果也表明，利用好硬质合金可以大大提高模具的耐磨性和使用寿命。