一、擠壓工模具的使用壽命
擠壓模具因磨損或其他失效形式，終致不可修復(fù)而報(bào)廢之前所能承受的擠壓的總次數(shù)或通過(guò)擠壓鑄錠的總個(gè)數(shù)(也可用通過(guò)產(chǎn)品的總長(zhǎng)度或總品量表示)，稱之為擠壓工模具的使用壽命。
工模具在報(bào)廢之前，可能出現(xiàn)早期失效。但在絕大多數(shù)情況下，通過(guò)合理的修正后還能繼續(xù)使用。工模具在第一次修復(fù)之前，或兩次修復(fù)之間所通過(guò)的擠壓鑄錠數(shù)(產(chǎn)品的質(zhì)量或長(zhǎng)度)稱為中間壽命。
擠壓工模具允許修復(fù)的次數(shù)是有限的，在生產(chǎn)實(shí)踐中，擠壓工具一般可修復(fù)2～3次(重復(fù)熱處理一般只允許一次)；平面模和穿孔針可修復(fù)3～5次，甚至高達(dá)l0次以上；組合模最多可修復(fù)3～4次。工模具的中間壽命越高，允許修復(fù)的次數(shù)越多，則使用壽命就越長(zhǎng)。
由于擠壓工模具的形狀復(fù)雜，結(jié)構(gòu)各異，而且工作條件和用途各不相同，允許偏差標(biāo)準(zhǔn)(尺寸精度、表面狀態(tài)等)也不一樣。因此，要準(zhǔn)確地、定量地定義出工模具的壽命是困難的。所謂工模具的使用壽命，實(shí)際上只是一個(gè)大致的總體的概念。
提高工模具壽命，實(shí)質(zhì)上意味著與失效作斗爭(zhēng)。按工模具失效發(fā)生時(shí)間的早晚，大致可分為早期失效和正常失效。一般來(lái)說(shuō)，工模具的沖擊破裂、塑性變形、粘附及過(guò)早的磨損和熱裂、細(xì)頸或拉斷、壓彎等均屬早期失效，而在工模具達(dá)到正常平均壽命水平之后的磨損和熱裂，則屬正常失效。表4—5—1為某廠輕合金擠壓車間按磨損和裂紋計(jì)算模具使用壽命的實(shí)際情況。從表可看出，熱擠壓模具報(bào)廢件中，磨損約占90%，裂紋占10%左右，空心型材模具的裂紋所占比例比實(shí)心產(chǎn)品模具的大，如以擠出總長(zhǎng)度來(lái)表示模具的使用壽命，則空心件模具大約是實(shí)心件模具的一半。
二、影響擠壓工模具使用壽命的主要因素
影響擠壓工模具使用壽命的因素很多，概括起來(lái)可分為兩大類。一類是外因，即工具工作時(shí)的外界的環(huán)境和外部條件。另一類是內(nèi)因，即工模具本身的結(jié)構(gòu)和使用性能。內(nèi)因取決于工模具的設(shè)計(jì)、材料選擇和整個(gè)加工工藝，包括冶金、鍛造、熱處理、機(jī)加工和電加工等過(guò)程。材料和所有的加工工藝因素，最終反映到工模具的加工精度、表面粗糙度、晶粒度大小、碳化物偏析、夾雜物含量及分布，以及硬度、強(qiáng)度、韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和耐熱疲勞性等指標(biāo)上。這些指標(biāo)決定了工模具的使用性能。
綜合大量的資料和根據(jù)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，可將影響擠壓工模具使用壽命的因素歸納為下列幾個(gè)方面：
(1)工模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度校核；
(2)工模具材料；
(3)冷、熱加工與電加工工藝；
(4)熱處理與表面處理工藝；
(5)擠壓工藝與使用條件；
(6)維護(hù)與修理；
(7)擠壓產(chǎn)品材料特性和形狀、規(guī)格；
(8)科學(xué)管理。
其中(1)～(4)屬于內(nèi)在因素，(5)～(8)為外在因素。一般來(lái)說(shuō)，只要上述幾個(gè)方面基本處理得當(dāng)，工模具的使用壽命就可達(dá)到正常水平。反之，如果有一個(gè)方面或幾個(gè)方面處理不當(dāng)，例如工模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、選材不當(dāng)或材質(zhì)不佳、加工方法或加工工藝不合理、熱處理或表面處理方法不當(dāng)、模具的安裝或設(shè)備精度差、使用維護(hù)不當(dāng)、加工精度不夠、表面狀態(tài)不良、組合裝配不合理等，則可能發(fā)生早期失效。同樣，如果在上述所列各因素中，在某一方面或某幾個(gè)方面通過(guò)采用新材料、新工藝、新技術(shù)，取得某種有意義的突破，則有可能使工模具的壽命大幅度提高，達(dá)到先進(jìn)水平。
影響工模具的壽命的諸因素是互相影響，彼此制約又互為補(bǔ)充、互為促進(jìn)的，一種影響因素又會(huì)涉及到其他方面的因素。因此，應(yīng)把影響工模具壽命的諸因素作為一個(gè)有機(jī)的整體來(lái)看待，當(dāng)作一個(gè)系統(tǒng)工程問(wèn)題來(lái)進(jìn)行討論。
三、提高工模具使用壽命的主要途徑
擠壓工模具的使用壽命往往是決定某一工藝方法或某一產(chǎn)品是否經(jīng)濟(jì)可行的要素。因此，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者都致力于提高擠壓工模具壽命的研究。但是，如上所述，工模具壽命的影響因素很多，是一個(gè)復(fù)雜的多因素的綜合性問(wèn)題，所以，只有從理論上和實(shí)踐上系統(tǒng)地深入地研究工模具的工作條件、失效特征和原因，掌握工模具材料的成分、組織、性能三者之間的關(guān)系，分析工模具設(shè)計(jì)、加工和使用的全過(guò)程，才能真正找到提高某種具體工模具壽命的措施。一般來(lái)說(shuō)，為了提高工模具的使用壽命應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手開(kāi)展工作。
1．合理設(shè)計(jì)工模具
只有工模具設(shè)計(jì)合理，才能充分發(fā)揮材料應(yīng)有的效能，這是防止工模具早期失效的基礎(chǔ)。如果工模具設(shè)計(jì)本身不能保證足夠的強(qiáng)度和韌性，那么，必然會(huì)使工模具因過(guò)載而早期失效。正確設(shè)計(jì)的工模具結(jié)構(gòu)，應(yīng)保證在正常使用條件下，沒(méi)有產(chǎn)生沖擊破裂和應(yīng)力集中的可能。工模具的強(qiáng)度和使用壽命首先是由足夠的尺寸來(lái)保證的，但工模具的尺寸主要由產(chǎn)品尺寸所決定，受設(shè)備安裝空間的限制和其他因素的影響。
在設(shè)計(jì)工模具時(shí)，應(yīng)盡量使各部分受力均勻，注意避免尖角、內(nèi)凹角、壁厚差懸殊、扁寬薄壁截面等，以免產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力集中，引起熱處理變形、開(kāi)裂和使用過(guò)程中脆性破裂或早期熱裂。此外，還應(yīng)考慮工模具的剛性。為了便于互換、保管和維修、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)也是十分重要的。
擠壓模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)是獲得經(jīng)濟(jì)而合理模具的重要手段。近年來(lái)，世界各國(guó)投入大量人力、物力和財(cái)力致力于擠壓模具優(yōu)化問(wèn)題的研究。由于大型計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，CAD/CAM技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元分析理論和實(shí)用技術(shù)的不斷完善以及各種數(shù)值模擬和物理模擬方法的進(jìn)一步實(shí)用化，為擠壓模具優(yōu)化設(shè)計(jì)的理論和技術(shù)的開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了道路。目前許多大型的、復(fù)雜的、重要的擠壓工模具(如大型高比壓圓擠壓筒、優(yōu)質(zhì)多層組裝式扁擠壓筒、固定擠壓墊片、多孔舌型模、大型空心壁板用平面組合模、異形空心型材的穿孔系統(tǒng)、流線模角等)等優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題已獲得了滿意結(jié)果。擠壓模具優(yōu)化理論研究與實(shí)用技術(shù)獲得了重大突破，取得了一大批成果，有的已規(guī)范化和系統(tǒng)化。
總之，合理設(shè)計(jì)工模具結(jié)構(gòu)和進(jìn)行可靠的強(qiáng)度校核，不斷革新工模具設(shè)計(jì)理論和方法，采用電子計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等是改進(jìn)擠壓工模具設(shè)計(jì)和提高使用壽命的主要途徑。
2．合理選擇工模具材料和研發(fā)新型模具材料
根據(jù)工模具的工作條件和性能要求，正確選擇其材料也是提高使用壽命和降低生產(chǎn)成本的有效措施。前人已做過(guò)大量工作，從化學(xué)成分、冶金過(guò)程、鍛造與熱處理工藝以及提高原材料本身的品質(zhì)等方面進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了很大的進(jìn)展。但是，工模具材料的選擇是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題，涉及面很廣，所以至今尚未獲得重大的突破。研究與實(shí)踐證明，把研制新材料、提高材料本身的品質(zhì)與研究新型的熱處理工藝和表面強(qiáng)化處理工藝有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，是解決這一課題的有效途徑。
隨著熱擠壓條件越來(lái)越嚴(yán)峻，對(duì)工模具的性能要求越來(lái)越高。為了滿足這種越來(lái)越高的要求，世界各國(guó)近年來(lái)開(kāi)發(fā)研制了不少有價(jià)值的新型擠壓工模具鋼，見(jiàn)表4—5—3。由表可見(jiàn)，由J·Rhollway等開(kāi)發(fā)的A種鋼，將含碳量降到0.25%～0.30%以下，用Ni提高基體的延性、韌性的同時(shí)，添加Mo、Co來(lái)促進(jìn)微細(xì)碳化物析出。由于含Mo或Co 3%以上的鋼的強(qiáng)度、耐磨損性有顯著提高，但延展性卻下降不大，所以添加3%Mo或Co的鋼是最合適的。此外，由于Co的成本高，所以近來(lái)又開(kāi)發(fā)了不含Co但具有高綜合性能的B種鋼和C種鋼。在析出硬化型馬氏體鋼方面，開(kāi)發(fā)了ASM標(biāo)準(zhǔn)的6F4鋼，它含有(0.15～0.2)%C，為了提高淬透性，添加了3%的Ni和3.4%Mo。由于含量低，所以在淬火狀態(tài)下硬度也較低，而延展性和韌性較高。在一般的預(yù)硬化狀態(tài)(在400℃低溫回火狀態(tài)，40～44HRC條件下)下使用時(shí)，由于制品表面的溫升而引起析出強(qiáng)化。此種鋼適于制造大型擠壓工具，但也可用作模具材料。最近開(kāi)發(fā)的馬氏體時(shí)效處理鋼的特點(diǎn)是：以極低的C和高Ni作為基本成分，并添加劑了 Co、Mo、Ti、Al。以極低碳的馬氏體作基體，和以前使用的熱作工具鋼的冶金特征完全不同，它是通過(guò)時(shí)效而均勻彌散地析出Ni3Mo、Fe2MoNi3Ti相達(dá)到強(qiáng)化，從而得到超硬高強(qiáng)度(≥2000 MPa)。由于這種鋼具有非常高的強(qiáng)度和良好的韌性，所以適用于制造承載的擠壓工具和模具。表4—5—3中示出的奧氏體鋼A286具有良好的耐熱性，如果在720℃時(shí)效，能產(chǎn)生γi(Ni13Ti)析出強(qiáng)化，則在高溫下的強(qiáng)度比馬氏體高。此外，最近又開(kāi)發(fā)了利用由V碳化物的共格析出而引起強(qiáng)化的(0.5～1.0)C－13Mn－8Ni－10Cr－(2～4)V－0.1Ti－0.0005B鋼，其強(qiáng)度高于Hl9和A286，很有希望用于制作熱擠壓鋁合金型材模具。
1)4Cr3M02V鋼
4Cr3M02V鋼是在消化吸收瑞典的ASSABQR080M熱擠壓模具鋼的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的，其性能優(yōu)于4Cr5MoSiVl鋼，可取代4Cr5MoSiVl鋼用于制作熱擠壓模，有廣闊的推廣應(yīng)用前景。4Cr3M02V鋼的化學(xué)成分為(0.35～0.42)%C；(0.22～0.42)％Si；(0.5～1.0)%Mn：(2.2～2.8)%Cr；(1.8～2.2)%Mo；(1.0～1.4)%V。當(dāng)淬火溫度為1100℃時(shí)，在600℃時(shí)的高溫硬度HV為470～480 MPa。在1080℃淬火+600℃回火兩次(各1 h)條件下，其高溫硬度為HV525～535 MPa。生產(chǎn)試驗(yàn)證明，當(dāng)4Cr3M02V擠壓模具的硬度為470～480 HV，擠壓筒溫度為400～450℃，模具溫度為400～440%，鑄錠溫度為450～500℃，擠壓速度60 m/min的條件下，擠壓鋁合金型材的使用壽命為7～10 t/每模。
2)AE31高質(zhì)模具鋼
AE31是日本高周波鋼業(yè)株式會(huì)社和神戶制鋼中央研究所在對(duì)0.4C－2Ni－3Cr－2Mo－0.3V的成分加以改良后研制成功的，是一種理想的鋁合金型材模具材料，其常溫性能、高溫性能、回火穩(wěn)定性，特別是氮化特性都優(yōu)于SKD62鋼。例如，1025℃淬火+575℃回火后，其 σb可達(dá)l800 MPa，σ0.2 ≥1500 MPa，HRC可達(dá)52以上，深沖率可達(dá)50％左右，δ≥10％，沖擊功Ak大于39 J，在高溫下仍具良好的KIC值。
3)ASSAB8407“組織優(yōu)化”高溫?zé)嶙髂＞咪?/span>
該鋼種由瑞典一勝百鋼材有限公司研制，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為AISIHl3MICRODIzED，主要化學(xué)成分：0.37％C、1.0%Si、0.4%Mn、5.3%Cr、1.4%M0、1.0%V。熱處理后的室溫強(qiáng)度為 HRC≥52、σb≥1820 MPa, σ0.2≥1152 MPa、ψ﹥45％、δ≥10%。其主要優(yōu)點(diǎn)是：組織細(xì)密均勻，韌性高；含碳量低，不會(huì)發(fā)生熱裂；抗高溫?zé)釕?yīng)力疲勞強(qiáng)度高等。
3．研發(fā)新型熱處理工藝
1)預(yù)處理工藝研究
4CrSMoSiVl鋼是合金元素含量較高的過(guò)共析鋼，在冶煉、鑄造時(shí)可能出現(xiàn)碳化物偏析，鍛軋后形成粗大的碳化物帶。碳化物的數(shù)量、大小及分布狀態(tài)直接影響鋼材的組織與性能。如殘余碳化物數(shù)量多、粒度大、分布狀態(tài)不佳(如呈明顯帶狀或沿晶界分布)，則鋼材的韌性和疲勞抗力將大大下降。為了改善模具最終熱處理后的組織和性能，對(duì)4Cr5MoSiVl鋼進(jìn)行了系統(tǒng)的預(yù)期處理工藝試驗(yàn)。采用自動(dòng)相分析技術(shù)對(duì)碳化物面積分?jǐn)?shù)(A%)、平均粒徑(d)和單位面積碳化物個(gè)數(shù)(Nc)定量測(cè)定，用拉伸法測(cè)定了常規(guī)力學(xué)性能。優(yōu)化設(shè)計(jì)出了該鋼種的預(yù)處理工藝制度，并與常規(guī)球化退火工藝的組織性能進(jìn)行了對(duì)比。分析大量的試驗(yàn)結(jié)果，獲得以下有價(jià)值的成果：
(1)預(yù)處理明顯地改善了4Cr5MoSiVl鋼的組織，全部消除了帶狀碳化物，大大減少了粗大碳化物的數(shù)量，可獲得分布均勻、尺寸細(xì)小的碳化物組織。
(2)預(yù)處理方法與常規(guī)球化退火(860℃下退火)方法相比，具有節(jié)約能源，生產(chǎn)周期短等優(yōu)點(diǎn)，在強(qiáng)度、晶粒度基本上相當(dāng)?shù)那疤嵯?，可提高鋼材的塑性和韌性。
(3)推薦的預(yù)處理工藝為：ll00℃固溶，770℃或860℃高溫回火，回火硬度為207～235HB。
2)熱處理工藝研究
(1)普通熱處理工藝制度的優(yōu)化
為充分發(fā)揮4CrSMoSiVl鋼的潛力，對(duì)其最終熱處理制度進(jìn)行了研究，通過(guò)大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐，推薦4Cr5MoSiVl鋼擠壓模使用如下熱處理制度：淬火前進(jìn)行800～850℃預(yù)熱，以防止加熱速度過(guò)快、熱應(yīng)力增大引起模具開(kāi)裂。淬火溫度范圍為1020～1070℃，加熱后進(jìn)行油冷淬火，淬火后必須立即進(jìn)爐回火(時(shí)間間隙最長(zhǎng)不超過(guò)6 h)以防因淬火后應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致開(kāi)裂。回火溫度范圍為580～620℃，回火2～3次，每次l.5～2 h，回火的硬度為42～48HRC。經(jīng)過(guò)大量的生產(chǎn)使用，證明優(yōu)化工藝穩(wěn)定可靠，可大大提高模具使用壽命和經(jīng)濟(jì)效益。
(2)真空熱處理工藝研究
在研究了4Cr5MoSiVl鋼和等溫球化處理、預(yù)處理和雙重處理的基礎(chǔ)上，應(yīng)用正交優(yōu)化方法研究了其最佳的真空熱處理工藝制度。根據(jù)理化檢測(cè)的結(jié)果，分析了不同真空熱處理制度與該材料的室溫硬度、常規(guī)力學(xué)性能、高溫硬度、高溫力學(xué)性能以及特種性能(熱疲勞與熱磨損抗力)之間的關(guān)系。用透射電鏡、掃描電鏡、光學(xué)顯微鏡和體視顯微鏡分析了材料經(jīng)不同真空熱處理后的顯微組織的熱磨損、熱疲勞裂紋的表面形貌。通過(guò)大量的研究工作和工業(yè)性試驗(yàn)，獲得了以下成果：
?、?/span>4Cr5MoSiVl鋼鋁型材擠壓模具經(jīng)1100℃/0.5 min·mm-1油冷+770℃或860℃/2.6 min·mm-1空冷預(yù)處理后，組織均勻，碳化物分布彌散且細(xì)小，為最終熱處理作了良好的組織準(zhǔn)備。
②4Cr5MoSiVl鋼鋁型材擠壓模真空熱處理最佳工藝優(yōu)化結(jié)果是：l040～1080℃真空淬火，600℃ + 580℃×3h兩次真空回火，真空度為10-3～l0-1Pa。
?、?/span>4Cr5MoSiVl鋼真空熱處理后，其組織為回火馬氏體(M)+下貝氏體(B)，且真空熱處理后的馬氏體(M)板條比非真空熱處理的細(xì)小，碳化物形貌為圓球狀。
?、芙?jīng)真空熱處理的模具，具有良好的綜合力學(xué)性能、抗回火能力，其高溫性能也優(yōu)手普通熱處理的模具。
?、?/span>4Cr5MoSiVl鋼經(jīng)真空熱處理后，模具變形小，僅為常規(guī)處理的l/3～1/10，一般在0.05 mm左右，模具的熱疲勞抗力和熱磨損抗力比非真空處理的高，且在1080℃油淬，600～580℃回火時(shí)出現(xiàn)最佳值。
?、奚a(chǎn)性試驗(yàn)結(jié)果表明，用上述真空熱處理工藝處理的模具，耐磨性好、粘鋁少、型材表面光潔度高、模具使用壽命比經(jīng)普通熱處理的模具提高2～3倍以上。
3)強(qiáng)韌化處理工藝研究
近十年來(lái)，3Cr2W8V鋼的強(qiáng)韌化處理工藝又有了新的發(fā)展，主要的成果有：
(1)高溫淬火+高溫回火工藝。此工藝將3Cr2W8V鋼的淬火溫度提高到1150～1170℃，目的在于使碳化物更均勻。高溫回火是將3Cr2W8V鋼的回火溫度提高到670℃左右。此工藝提高了材料的熱疲勞性能和斷裂韌度，對(duì)于因熱疲勞龜裂導(dǎo)致的早期破斷現(xiàn)象是十分有利的。但由于采用高溫回火，材料的強(qiáng)度和硬度損失大，故對(duì)強(qiáng)度和耐磨性要求較高的鋁擠壓模尚待改進(jìn)。
(2)組織預(yù)處理工藝，也稱作雙重處理工藝，即在最終熱處理之前，以高溫固溶(1150～1250℃)加高溫回火(730～780℃)代替鍛后退火工藝。其目的是通過(guò)高溫固溶消除粗大碳化物和碳化物偏析，然后采用高溫回火使碳化物均勻細(xì)小地析出，同時(shí)消除遺傳性，從而提高材料的強(qiáng)度，尤其是韌性。最終熱處理仍按常規(guī)工藝進(jìn)行。據(jù)報(bào)道，用此法可使材料沖擊韌度提高20%～30%。
(3)超高溫淬火+中溫回火工藝研究。采用1250℃以上超高溫奧氏體，使合金元素充分溶入奧氏體，可以使3Cr2W8V鋼的高溫強(qiáng)度和抗回火軟化能力顯著提高，因而提高擠壓?？垢邷剀浰湍p性能。繼高溫淬火之后，若采用560℃左右回火，則沖擊韌度會(huì)出現(xiàn)低谷，同時(shí)σb會(huì)大幅降低；若采用300～500℃中間回火，既避開(kāi)了560℃回火所導(dǎo)致的KIC低谷，又防止了650℃回火所出現(xiàn)的沖擊功低谷，可以使模具獲得強(qiáng)韌性的配合。鋁擠壓模具的工作溫度一般為400～500℃，模具表面最高溫升一般在520℃左右，因此，即使是長(zhǎng)時(shí)間使用后，原中溫回火的組織仍是穩(wěn)定的，不致產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象，這樣可以避免特殊碳化物物析出和殘余奧氏體的分解。因而模具在工作時(shí)可保持韌性不變。同時(shí)，模具在使用過(guò)程中回火軟化傾向少，若采用500℃以下中溫回火，不會(huì)引起模具熱強(qiáng)性和耐磨性在使用過(guò)程中降低?？梢?jiàn)，超高溫奧氏體淬火+中溫回火是鋁型材擠壓模具的一種可行的強(qiáng)韌化處理工藝。
4．表面強(qiáng)化處理新工藝研究
(1)離子硫、碳、氮三元共滲工藝研究
研究了不同預(yù)先處理、共滲氣氛、溫度時(shí)間和氣壓對(duì)共滲層的影響。結(jié)果表明，經(jīng)淬火+ 回火處理的模具共滲層的硬度最高，氮?dú)馀c二硫化碳之比以20～30:1為佳。用正交試驗(yàn)研究，確定了4Cr5MoSiVl模具鋼的最佳三元共滲工藝為：在540～560℃滲氮2 h，三元共滲1 h。采用光學(xué)顯微鏡、顯微硬度計(jì)、X射線衍射儀及改進(jìn)的Tlttagia法和Uddehlom法研究了三元共滲后的金相組織、表層硬度、滲層深度、相結(jié)構(gòu)、熱疲勞和熱磨損性能以及它們的表面形貌。結(jié)果表明，通過(guò)共滲氣氛的工藝參數(shù)的合理控制可獲得組織良好、層深適度、表面硬度高、熱疲勞和熱磨損性能好、自潤(rùn)滑性能良好的共滲層。大批量生產(chǎn)實(shí)踐證明，經(jīng)三元共滲的鋁擠壓模具，其使用壽命平均可達(dá)l5～20t/每模，最高可達(dá)51.4 t/每模，而且擠壓出來(lái)的鋁材平整、表面光潔、品質(zhì)優(yōu)良，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)離子復(fù)合處理工藝研究
利用離子沖擊裝置對(duì)4Cr5MoSiVl和3Cr2W8V鋼制鋁型材擠壓模具的離子復(fù)合處理工藝進(jìn)行了全面的研究，經(jīng)優(yōu)選試驗(yàn)和檢測(cè)定量分析，深入研究了離子復(fù)合處理的溫度、時(shí)間、氣壓、氣氛和離子場(chǎng)分布狀態(tài)等因素與所得滲層相結(jié)構(gòu)組成、滲入元素分布、顯微組織、滲層深度、表面硬度以及耐磨性能之間的關(guān)系。確定了可使模具獲得良好綜合性能的最佳工藝參數(shù)：處理溫度為520～560℃，時(shí)間4～6 h，工作氣壓1067～1333 Pa，工作氣氛為N2、H2、Ar加含硫、含碳、含氧的混合氣體。
系統(tǒng)地研究了窄縫窄槽模具的離子復(fù)合處理工藝，已使具有0.7 mm以上窄縫的薄壁型材模具達(dá)到了良好的處理效果。
經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，研究成功了適合于離子處理工藝的表面涂覆屏蔽技術(shù)。該技術(shù)具有離子處理過(guò)程穩(wěn)定、防滲性能好、涂覆層極易清除等特點(diǎn)，而且對(duì)防止局部過(guò)熱和促使模具的均溫化具有良好的效果。經(jīng)大批生產(chǎn)證實(shí)，對(duì)3Cr2W8V擠壓型材模，經(jīng)離子復(fù)合處理后，其使用壽命由未經(jīng)處理的平均3t/每模提高到l2 t/每模以上，型材產(chǎn)品的表面質(zhì)量明顯改善，獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。
(3)離子氮化工藝研究
在輝光離子氮化爐上做了大量的氧化處理工藝研究，以壁厚為1.5 mm以上的擠壓模孔進(jìn)行試驗(yàn)取得了滿意的結(jié)果，生產(chǎn)證明，提高了模具的耐磨性和型材表面品質(zhì)。
(4)氣體軟氮化工藝研究
對(duì)氣體軟氮化工藝進(jìn)行了大量的研究工作，結(jié)果表面，氣體軟氮化是一種低溫碳、氮共滲方法，可使模具的抗咬合性、抗磨損性能提高。其最大特點(diǎn)是不受模具型孔寬度和復(fù)雜性的影響，而且氮化效果良好。
(5)脈沖等離子滲氮工藝研究
脈沖等離子技術(shù)是一種可準(zhǔn)確控制的可多參數(shù)變化的滲氮法?？勺兓膮?shù)有：時(shí)間、工件溫度、外界熱源溫度、工件外界熱源的溫度梯度、電壓、電流、氣體混合物成分、氣流速度、室內(nèi)壓力、脈沖重復(fù)次數(shù)、脈沖持續(xù)時(shí)間、控制方式等，由于可變參數(shù)多，應(yīng)采用可編程微機(jī)控制。
用脈沖等離子滲氮技術(shù)的氣～固界面反應(yīng)為：
?、佼a(chǎn)生被電離物氮原子和中性氮原子，N2=N++N；
?、跒R射凈化工件表面，滲到工件表面的N+=從鋼表面濺射的鐵和濺射的污物；
?、鄣F的形成，濺射的鐵+氮=氮化鐵(Fe2N)；
?、芟鄳?yīng)的滲氮過(guò)程
FeN-→Fe2N+N
Fe2N-→Fe3N+N
Fe3N-→Fe4N+N
Fe4N-→Fe+N
脈沖離子滲氮技術(shù)的主要特點(diǎn)是：
①降低過(guò)程的溫度，特別適用于溫度敏感性鋼和幾何敏感性模具的滲氮處理；
②溫度梯度可編程控制；
③過(guò)程的氮耗、氣體能耗、離子能耗都低；
?、芸捎蔑w濺法凈化模子；
?、莪h(huán)境好，無(wú)污染，無(wú)輻射；
?、薏僮魅藛T少，操作維護(hù)費(fèi)用低；
?、邼B氮層均勻細(xì)密，冶金質(zhì)量易于控制；
?、嚯妳?shù)、溫度參數(shù)、力學(xué)參數(shù)均由微機(jī)控制，易于實(shí)現(xiàn)過(guò)程自動(dòng)化。
脈沖等離子技術(shù)處理的模子冶金品質(zhì)均勻，模具品質(zhì)高，減少了修模時(shí)間，提高了效率，降低了成本，可獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
(6)低溫滲硼法的研究
對(duì)鋁擠壓模具的滲硼技術(shù)進(jìn)行了大量的熱力學(xué)計(jì)算和分析，采用了新活化劑和添加劑，研制成一種價(jià)格低廉、熔點(diǎn)適中的高硼酸鹽，突破了常規(guī)的低溫(700℃)滲硼溫度界限，使液體滲硼溫度降到600℃以下，同時(shí)還對(duì)4Cr5MoSiVl和3Cr2W8V鋼模具進(jìn)行了不同的滲硼正交實(shí)驗(yàn)，得出了低溫電滲硼的最佳工藝，并在國(guó)內(nèi)外首次用低溫滲硼法處理形狀復(fù)雜的型材模取得了滿意的結(jié)果。由于滲硼層硬度高達(dá)1500HV以上，具有極高的耐磨、耐蝕、耐高溫和抗粘鋁的能力，使得模具壽命大幅度提高，擠壓型材表面品質(zhì)遠(yuǎn)優(yōu)于其他表面處理，處理的模具窄縫可達(dá)0.68 mm。用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡、X光衍射儀和各種物理－化學(xué)分析測(cè)定法研究了滲硼層組織組成和形態(tài)，經(jīng)生產(chǎn)考核，模具使用壽命可提高3～4倍，型材表面粗糙率可達(dá)Ra 0.4цm以上，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
(7)PVD－TiN涂層工藝研究
近年來(lái)，新研制的物理氣相沉積氮化鈦(PVD—TiN)涂層技術(shù)首次用于鋁材擠壓工模具超硬耐磨涂層。在PVD過(guò)程參數(shù)、涂層結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系方面進(jìn)行了大量工作。特別是對(duì)涂層/基底界面結(jié)構(gòu)和涂層極點(diǎn)密度與性能之間進(jìn)行了較深入的研究，提出PVD涂層模具鋼耐磨損性三要素觀點(diǎn)，用涂層表面顯微硬度HV、實(shí)際膜基結(jié)合力Lch和臨界飽和結(jié)合力Lch等參數(shù)改進(jìn)了Holm定律表達(dá)式。大幅度提高3Cr2W8V和4Cr5MoSiVl鋼PVD涂層后的使用性能。
多組正交性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，各沉積參數(shù)對(duì)HV、Lc、W和沉積速率的影響權(quán)重從大到小順序?yàn)?/span>P∑、β、t、Vb、I、Ts……。轟擊條件和某些特殊技術(shù)對(duì)結(jié)合力和薄膜生長(zhǎng)也有明顯影響，在分析的基礎(chǔ)上給出了優(yōu)化工藝條件。
系統(tǒng)地研究了3Cr2W8V和4Cr5MoSiV鋼的氮化處理和它們經(jīng)PVD涂層后的室溫與高溫力學(xué)性能，包括抗彎強(qiáng)度盯αW、αb、α0.2、δ%、ψ%和E，并且對(duì)斷口形貌及斷裂特征進(jìn)行了觀察對(duì)比。結(jié)果表明，PVD涂層不僅使表面硬度提高5～6倍，且使力學(xué)性能保持原型基底材料的高水平，較氮化處理的強(qiáng)度高20％，塑性高70%～80%，即使在面縮率達(dá)50％以上情況下杯錐口附近涂層仍不剝落。用研制成的裝置和工藝制備的擠壓穿孔針進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如下： HV為3500；Lc為50N；αb為1600MPa；δ為10%；ψ為45%；E為201GPa及耐磨性提高l50倍以上。
研制成鋁管材擠壓穿孔針批量處理系統(tǒng)，涂層均勻度高，方便可靠，重復(fù)性好，無(wú)公害且易于控制，經(jīng)大批生產(chǎn)驗(yàn)證，可顯著減少管材內(nèi)壁劃傷廢品，成品率可提高2.6%以上，可節(jié)能降耗，減少砂磨等工序，改善環(huán)境，減輕勞動(dòng)量，得到了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
5．制模與修模新工藝新方法的研究
1)制模新方法新工藝的研究
(1)Hobson制模法
該法是1984年英國(guó)Hobson公司設(shè)想出的一種制造鋁擠壓模的新方法。其工藝設(shè)想是：根據(jù)金屬塑性流動(dòng)原理，當(dāng)金屬質(zhì)點(diǎn)均勻流動(dòng)時(shí)，通過(guò)擠壓?？讜r(shí)的阻力與流量成反比。假設(shè)某塑性介質(zhì)擠入模孔時(shí)，擠入量(擠入模孔內(nèi)的深淺)與?？讓?duì)金屬擠人量的阻力有關(guān)，由此，若按塑性介質(zhì)擠入?？變?nèi)的深淺作為模具工作寬度，就正好能使金屬均勻流動(dòng)。若能選擇一種既與擠壓金屬塑性流動(dòng)特性相同，又能耐腐蝕的工作介質(zhì)，用擠壓方式壓入?？變?nèi)，不經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算就能確定該原工作帶寬度，然后，采用化學(xué)腐蝕的方法加工出模子的空刀部分。該法能完全模擬鋁合金的流動(dòng)特征，因此能獲得使金屬流動(dòng)均勻的最優(yōu)化的模子設(shè)計(jì)，加工工藝簡(jiǎn)化，設(shè)備簡(jiǎn)單，是一種多快好省的制模新方法。據(jù)報(bào)導(dǎo)，英國(guó)、日本等國(guó)已在模擬介質(zhì)、腐蝕液、加工工藝等方面獲得了了突破，并已進(jìn)入大批量工業(yè)試驗(yàn)。
(2)“一步法”制模新工藝的研究
開(kāi)展了大量的實(shí)驗(yàn)工作，解決了技術(shù)關(guān)鍵，基本上確定了滿足“Hobson”工藝的介質(zhì)成分，并在“Hobson”工藝的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了“上步法”制模新工藝。其主要成果有：
①選擇工作介質(zhì)。根據(jù)塑性加工中的相似理論即相似條件來(lái)選擇工作介質(zhì)。目前國(guó)內(nèi)外常用的模擬金屬塑性變形的材料及其n、m、ц值列于表4—5—4中，由表可知，蠟?zāi)嗨苄粤鲃?dòng)特性值范圍寬，其流動(dòng)特性隨主要成分含量變化而變化，因此，選擇了蠟?zāi)嘧鳛橹圃鞌D壓模的工作介質(zhì)。
②工作介質(zhì)成分范圍。用正交法，選用L9(34)正交表，確定工作介質(zhì)的主要成分范圍為(20～30)%石蠟，(30～40)％填充劑，(10～30)%粘結(jié)劑，(2～10)%添加劑。
?、喙ぷ鹘橘|(zhì)和6063鋁合金的n、m、ц值的測(cè)定。Gleeble－1500熱力模擬機(jī)上測(cè)定了工作介質(zhì)(室溫)和6063鋁合金(495±5℃)的n,、m值；用圓環(huán)鐓粗法測(cè)定了摩擦系數(shù)ц。
?、芨g液的選擇。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，配制了一種混合酸作為腐蝕加工模子空刀的腐蝕液，其成分為15%H2S04，20%HN03，10%HCl，15%H3P04，40%H20。
?、荽_定了“一步法”工藝流程。
(3)凝固控制鑄造法制造擠壓模
20世紀(jì)80年代后期，日本發(fā)明了一種制作鋁擠壓模的新方法，即凝固控制鑄造法。該法是一種各向勻速成長(zhǎng)，可提高材料強(qiáng)度的新工藝，用此法制造的擠壓模質(zhì)量穩(wěn)定，而力學(xué)性能可與鍛造法相媲美。用此法制造的擠壓模已通過(guò)日本富山輕金屬公司生產(chǎn)考驗(yàn)，結(jié)果表明，制模時(shí)間可縮短40%，材料的成品率達(dá)80％以上，而且性能穩(wěn)定。近幾年來(lái)，日本ッ一ヶ一金屬(株)和富山金屬工業(yè)株式會(huì)社又開(kāi)發(fā)一種CK鑄造模，其力學(xué)性能(HRC≥46.7，αs﹥995 MPa，αb≥1166 MPa，δ≥10.8%)達(dá)到或超過(guò)了鑄造法制模的水平(HRC≥47.4，αs≥982 MPa，αb≥1170 MPa，δ≥9.5%)，使用壽命也超過(guò)了鍛造模。
(4)特大型熱擠壓平面分流組合模的制造新工藝
大型臥式擠壓機(jī)(125MN以上)上用的特大型分流模的主要特點(diǎn)是：
?、偻饫叽绱?。外徑+700～1500 mm，厚度為l50～300 mm；質(zhì)量500～3000 kg，為中小型模子的10～100倍。
?、谛涂资謴?fù)雜。一塊模子上開(kāi)有多個(gè)異形孔腔，各切面的厚度變化急劇，相關(guān)尺寸繁雜，圓弧拐點(diǎn)很多。
?、鄢叽缇纫髧?yán)，粗糙度有嚴(yán)格要求。
?、苡捎诠ぷ鲬?yīng)力高，要求采用高強(qiáng)耐熱合金鋼制造，經(jīng)熱處理后其硬度應(yīng)均勻、適中，既有高的高溫強(qiáng)度，又有良好的韌性。
為了滿足上述要求，簡(jiǎn)化工藝，縮短周期，提高壽命，降低成本，對(duì)特大型平面分流模的選材、機(jī)加工工藝、電加工工藝和熱處理及表面處理工藝進(jìn)行了一系列研究和改進(jìn)工作，并取得了重大成果。
?、龠x擇合適的模具材料，必經(jīng)嚴(yán)格的復(fù)驗(yàn)和超聲波檢驗(yàn)。嚴(yán)格控制改鍛的始鍛溫度、終鍛溫度、冷卻速度和冷卻方法。
②根據(jù)模子的尺寸大小、形狀和所選用的鋼材，每個(gè)模子都應(yīng)按新型的工藝流程單獨(dú)編制工藝，并掌握和控制各工序的具體操作細(xì)節(jié)。
?、蹜?yīng)根據(jù)具體情況單獨(dú)編制熱處理工藝。淬火前應(yīng)盡量消除直角和尖角部分。為消除表面應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。淬火加熱分段進(jìn)行，可采取多次回火，并把補(bǔ)充回火作為模具制造的最后一道工序。
?、懿捎谜w電極加工多孔異形型槽，但在電火花加工過(guò)程中電流不能過(guò)大。
?、菽Ｗ釉谶M(jìn)行氮化前一定要進(jìn)行拋光處理，以獲得良好的氮化效果。
⑥制作復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具除了采用先進(jìn)的數(shù)控電加工技術(shù)外，還必須配有鉗工的精雕細(xì)刻。除了嚴(yán)格單獨(dú)加工上、下模之外，要特別注意上下模配合面的研磨加工。上、下模要有可靠的定位和嚴(yán)格的對(duì)中。
大批量生產(chǎn)實(shí)踐證明，用上述新工藝制造的特大型平面分流組合模，在重型擠壓機(jī)上的使用壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定、產(chǎn)品的表面和尺寸精度高、具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。
2)建筑鋁型材擠壓模具制造工藝路線的改進(jìn)研究
傳統(tǒng)的擠壓模加工工藝路線存在工序多、工藝流程長(zhǎng)及加工周期長(zhǎng)，以鉗工手工銼修、手工拋光為主，難以保證尺寸精度和表面粗糙度，而且粉塵大，污染環(huán)境；組合模的上、下模尺寸難于保證，上下模配置不合理易錯(cuò)位、難同心；模子制作過(guò)程產(chǎn)生迂回運(yùn)動(dòng)，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，不便于生產(chǎn)管理，模子表面硬度低，磨損快，模子使用壽命低，而且擠壓出的型材表面易出現(xiàn)拉毛、劃傷現(xiàn)象，氧化上色后表面易出現(xiàn)不均勻的光澤和擠壓條紋。顯然，這種模具加工工藝路線是極不合理的。為了改進(jìn)，進(jìn)行了大量的研究試驗(yàn)工作。在吸收、消化國(guó)內(nèi)外先進(jìn)設(shè)備和技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合近年來(lái)的研究成果，研制出了一套新的擠壓模具加工工藝路線(圖4—5—40、圖4—5—41)。該新工藝路線與傳統(tǒng)的工藝路線相比，簡(jiǎn)化了工藝，減少了工序和設(shè)備，縮短了加工周期，提高了模具的精度、表面光潔度和表面硬度，可大大提高生產(chǎn)效率和模具品質(zhì)，提高模具使用壽命和使用質(zhì)量，降低材料消耗和能耗，改善勞動(dòng)條件和環(huán)境，降低成本，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
3)修模新方法、新工藝的研究
近年來(lái)，擠壓模具的維護(hù)與修理作為提高使用壽命的一種重要手段而被廣大擠壓工作者所重視，除了不斷提高修模技巧以外，還就修模原理與修模方案設(shè)計(jì)、修模方法與修模工具等問(wèn)題進(jìn)行了一系列深入的研究。研究表面，即使用最佳的設(shè)計(jì)和最合理的工藝制造出來(lái)的模子，在試模和擠壓過(guò)程中仍不可避免地會(huì)出現(xiàn)磨損失效問(wèn)題。使這種失效降低到最低限度或盡可能延長(zhǎng)模具使用壽命的最有效的方法是通過(guò)具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的修模工，在擠壓生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)模具不斷地進(jìn)行觀察和分析，與設(shè)計(jì)人員一道制訂修模方案，并采取有效的措施，對(duì)模子進(jìn)行調(diào)整和修正。因此，擠壓模具的修正，對(duì)提高產(chǎn)品品質(zhì)，延長(zhǎng)模具壽命，提高生產(chǎn)效率，降低成本具有重大的意義?，F(xiàn)場(chǎng)修模的作用主要是：調(diào)整金屬流速，修正尺寸，矯正形位，改善模具的表面狀態(tài)，提高模具的使用壽命。在修模前應(yīng)對(duì)模子工作帶和工作平面等處進(jìn)行仔細(xì)觀測(cè)和檢查，并用不潤(rùn)滑和正常的溫度一速度規(guī)范進(jìn)行試模，準(zhǔn)確判斷產(chǎn)生缺陷的原因，以利于確定最佳的修模方案。在修正?？壮叽鐣r(shí)，應(yīng)考慮?？讖椥宰兓鸬某叽缱冃?；模孔下塌、尺寸超負(fù)差；?？讖椝苄宰冃魏驼w彎曲所引起的尺寸變化；金屬填充不滿引起的尺寸超負(fù)差；金屬供流不足引起的中部尺寸超負(fù)差；流速不均引起的尺寸超負(fù)差；多孔擠壓時(shí)制品長(zhǎng)短不齊；設(shè)計(jì)或磨損引起的尺寸超正差等情況。在改變金屬流動(dòng)特征方面采用加速、阻礙、補(bǔ)焊、綜合修理等方法取得了良好的效果。拋光工作帶表面的修模方法主要研制了新法銼修；銼修 + 細(xì)砂布拋光法；布砂輪拋光法；擠壓珩磨機(jī)拋光法；銼修 + 超聲波二合一拋光法；銼修 + 超聲波 + 電解三合一拋光法以及噴砂或噴丸拋光法等。此外在修模工具方面除了開(kāi)發(fā)研制了異形金剛石組銼、噴丸機(jī)、二合一和三合一拋光機(jī)等外，還試制成功了多種電動(dòng)修模器、顯微測(cè)微器、多維測(cè)量機(jī)和X—Y，坐標(biāo)測(cè)微機(jī)等，為修模創(chuàng)造了條件。
6．改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu)和擠壓工藝條件，改善工作環(huán)境
工模具的裝配與安裝的方法和精度，所用設(shè)備的類型、能力和精度以及擠壓坯料的成分、性能和規(guī)格，擠壓工藝方法和工藝參數(shù)、工作條件與工作環(huán)境等直接影響擠壓產(chǎn)品的質(zhì)量和工模具的使用壽命。因此，在擠壓前，認(rèn)真擬訂擠壓方案，選擇最佳的設(shè)備系統(tǒng)與坯料規(guī)格，制定最佳的擠壓工藝參數(shù)(如擠壓溫度、擠壓速度、擠壓系數(shù)和擠壓壓力等)和改善擠壓時(shí)的工作環(huán)境(如采用水冷或氮化冷卻工模具、充分潤(rùn)滑等)，減輕工模具的工作負(fù)擔(dān)(如降低擠壓力，減少激冷激熱和交變載荷等)，建立與健全工藝操作規(guī)程和安全使用規(guī)程，實(shí)行全面質(zhì)量管理，及時(shí)分析事故原因和工模具失效原因并及時(shí)采用有效措施等，可保證有效地提高工模具的使用壽命。
7．合理使用與維護(hù)工模具
工模具的合理使用與維修對(duì)于提高其使用壽命有著重大的意義。合理的使用可大大改善工模具的工作條件和工作環(huán)境，減輕工作負(fù)擔(dān)；合理的維修可大大提高中間壽命。因此，制訂和執(zhí)行合理可行的使用規(guī)程，提高生產(chǎn)工人的操作技術(shù)水平，使用先進(jìn)的修模方法、修模技術(shù)和修模工具，把修模與氮化處理有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，盡量采用大改小、小改大、廢模復(fù)活、舊模翻新等措施，是大幅度提高工模具使用壽命的有效途徑。
8．加強(qiáng)全面質(zhì)量管理，建立健全工模具的科學(xué)管理制度
為了提高工模具的使用壽命，在采用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)，還必須實(shí)行科學(xué)管理辦法。作為科學(xué)管理方法重要內(nèi)容的全面質(zhì)量管理(TQC)，也同樣適用于工模具管理，在實(shí)行全面質(zhì)量管理時(shí)，必須把設(shè)計(jì)、加工、檢驗(yàn)以及生產(chǎn)使用和維修人員組織起來(lái)，讓每個(gè)人明確職責(zé)，做好本職工作，主動(dòng)搞好工序間的配合，認(rèn)真貫徹設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中的各項(xiàng)規(guī)章制度和科學(xué)管理辦法，積極推動(dòng)PDCA循環(huán)向前運(yùn)動(dòng)，不斷提高工模具的質(zhì)量和使用壽命。采用實(shí)用模具管理軟件，用微機(jī)聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)管理所有工模具的設(shè)計(jì)制造、生產(chǎn)、修理和庫(kù)存情況，使之經(jīng)常保持良好狀態(tài)。
