铜及铜合金挤压模具寿命分析

周财丽 1 刘雪蕾 2 单利剑 3

摘要：挤压模具是铜及铜合金挤压没备的关键部件，其工作条件十分恶劣。热挤压生产中，模具在长时间的高温、高压、热应力、循环应力、摩擦应力及局部应力集中作用下，极易因磨损、疲劳裂纹及塑性变形而失效。因此，挤压模具的寿命较低、消耗量大。铝及铝合金挤压中，模具的费用可占到产品成本的15％以上，虽然铜及铜合金挤压模具的结构较为简单、成本较低，但生产中因模具而导致的废品量占所有废品的比例很高。因此，提高挤压模具的使用寿命是铜及铜合金挤压生产中亟待解决的一个重要问题。

关键词：铜及铜合金；挤压模具寿命；

连续挤压技术由于具有高效、高质、节能等优势，在有色金属工业得到了广泛应用。连续挤压已经被应用于铜及铜合金的生产，并以紫铜、铜银合金等为坯料生产了铜扁线及实心铜材。随着一个带有轮槽的挤压轮连续旋转，并在压实轮一定压下量下，利用轮槽与坯料之间的摩擦力，将坯料连续不断地拽入由挤压轮槽、导板、模腔组成的挤压模腔内，并在模腔内发生塑性变形，最后从模具孔中挤出所需的产品。

一、影响模具寿命的因素

1 裂纹和开裂。铜合金不纯、杂质超标, 热塑性超差。铸锭加热温度超出塑性温度范围, 金属表层的抗拉强度下降, 在摩擦力的作用下产生裂纹。挤压速度太快。挤压模工作带沾有金属或不光。挤压工具预热温度过低, 特别是在挤压铝青铜时易产生撕裂。

2.气泡和起皮。由于挤压筒经长期使用后尺寸超差, 挤压时筒内气体未排除, 变形金属表层沿前端弹性区流出而造成气泡。铸锭表面有沟槽或铸锭组织中有气孔, 铸锭在镦粗时包进了气体, 挤压时气体进入金属表层。挤压时铸锭或模具中带有水分和油污, 由于水和油污受热挥发成气体, 在高温高压的金属流动中被卷入型材表面而形成气泡。设备排气装置工作不正常。金属挤压速度过快, 造成挤压排气不好。

3.过热和过烧。因铸锭常会粘附较多的易燃物并使温控仪表失灵, 从而导致加热温度过高, 晶粒显著长大,晶界发生局部熔化与氧化, 晶界结合力急剧降低、脆性变大、韧性下降, 使其机械性能低劣, 导致铜合金制品报废。

4.挤压型材时扭拧。模具工作带设计不合理导致金属流动不均匀。挤压工具润滑不均匀。铸锭加热温度不均。挤压速度过快或挤压温度过高导致金属流动不均匀。导路不合适或未安装导路。

5.挤压管材时偏心。铸锭为填充满就开始挤压。加热时, 工作电压高、加热时间短, 致使铸锭加热不均匀。挤压筒磨损严重、穿孔针弯曲、挤压垫片磨损。设备的中心线不正( 挤压轴、穿孔针、挤压筒、挤压模具的回转中心线)。

二、延长铜及铜合金挤压模具寿命

1.挤压温度。挤压温度是由模具加热温度、挤压筒温度、锭坯加热温度、变形程度、挤压速度等因素决定的。变形程度、挤压速度越大，挤压温度越高。在一定的变形程度下，能够使金属的塑性达到最大值的温度才是最佳的挤压温度。一般应根据金属的塑性图和相图确定合理的挤压温度范围。铸锭加热温度必须考虑金属的最大塑性范围，以挤压产品不出现表面质量缺陷为原则。锭坯加热温度过低，则引起压力升高，易闷车，致使模具局部出现微量塑性变形，或在应力集中部位产生微裂纹；锭坯加热温度过高，会使金属软化、粘附于工作带表面甚至堵模。

2.锭坯质量和规格。在铜合金挤压生产中对锭坯质量有严格的要求。铸锭气孔多、组织疏松或有中心裂纹时，气体突然释放有时会形成“放炮”现象，使模具局部工作带突然减载、加载形成巨大冲击载荷，对模具十分有害；锭坯表面存在氧化物夹渣时会使工作带加剧磨损而早期失效。在挤压比一定的条件下，锭坯尺寸的选择是否合理也与模具寿命有很大关系。挤压速度过大，会使模具温度快速升高、磨损加剧或因局部过热而失效。铜及铜合金挤出速度一般控制在。模具刚进入服役期时，组织性能还处在浮动阶段，此时应采用低强度的作业方案，使模具向平稳期过渡；模具使用中期，可适当提高使用强度，因为此时模具的综合性能处在最佳状态；到模具的使用后期，其内部组织已部分恶化，热疲劳强度也较低，应适当降低模具的使用强度，以免使用中出现模具变形、裂纹等缺陷。使用前期应对模具进行渗氮处理，提高其表面硬度，以减少模具使用时的热磨损。但表面氮化并不是一次性就能完成的，在模具服役期间应进行3—4次反复渗氮处理。

3．挤压方式。挤压方式不同，对模具的办学性能要求是不同的。正向挤压，坯料与模壁的接触应力大，锭坯往往短而粗，模具与锭坯的接触时间较短，模具温升不是太高，一般不会达到模具的回火软化温度；而在反向挤压过程中，由于锭坯长、挤压速度快，模具长时间承受着高温、高压，自身温度不断上升，强度下降，如不及时进行适当的冷却，很快会达到退火状态，不能发挥模具的潜在寿命。模具的正确使用包括严格的加热制度、正确的装配方式和合理的挤压根数。一般模具在420～450℃下保温2 h都无问题，但若加热时问超过8 h，会使氮化层硬度降低；模具使用时必须有合适的配套措施，如模支承、模垫、支承环等；一般铜合金挤压都采用3—6模交替循环使用，以减少模具的一次挤压次数。模具氮化可使其寿命提高2．5倍以上。离子氮化优于气体氮化。修理后的模具都应进行氮化，并先行在200℃加热2 h去氢。挤压设备的精度和性能对模具的使用寿命也有一定影响。模具、挤压筒、挤压轴三者的不同心度应小于±3 mm，否则易产生偏心载荷、改变金属的流动状态。此外，应保证热工仪表、电控系统、压力仪表等处于正确的工作状态。

4.成形零件的设计及选材。H13 钢是国内外应用最广泛的热作模具钢钢种之一，主要应用于热锻模、热挤压模、有色金属压铸模等。经过热处理，H13钢具有较高的硬度、高温强度、耐磨性和较高的抗回火稳定性，既能承受高温、高压的作用，还能承受较大的冲击力，具有优良的综合力学性能，非常适用于连续挤压模具材料。挤压轮、压实轮、导板、模腔、模具加强圈、模具、模具垫块、模腔盖子等都采用H13 钢，挤压轮、压实轮采用H13 钢锻件加工，热处理硬度48 ～ 51 HＲC; 模腔及模具采用H13钢锻件加工，热处理采用真空淬火，硬度为51 ～54 HＲC; 其余零件的热处理硬度为48 ～ 51 HＲC。模具的工作带短影响使用寿命，工作带长增加挤压压力并影响挤压件的表面质量，本模具的工作带为4 mm，出口斜度6°，模具加强圈及模腔盖子的出口斜度6°。模腔的扩展区可根据连续挤压的产品截面形状及尺寸设计，目的是使金属更好地充填模腔，挤压出更好的产品。设计的尺寸不宜过大，以防挤压比过大，挤压轮提供的驱动力不够。挤压比即挤压型腔断面积( 进入模具前的模腔与扩展区的断面积) 与产品断面积之比，是反映挤压变形的重要参数。考虑到铜合金的连续挤压变形抗力大，一般把挤压比控制在20 以下。

铜合金的挤压工艺、模具选材及模具设计，可为铜铁合金、铜银合金等其他材料连续挤压成形及模具设计提供一定参考，也为引线框架、异型板带及其它形状板、带、型材连续挤压成形工艺参数设定与模具设计提供借鉴意义。虽然铜及铜合金挤压模具的结构较为简单、成本较低，但生产中因模具而导致的废品量占所有废品的比例很高。希望能够和大家共同进行讨论, 以达到提高产品质量, 提升铜合金制品的生产能力。

参考文献：

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