【正文】 彈性翹曲，甚至塑性變形，這不僅會改變型材的尺寸，而且會減低甚至消除工作帶阻礙作用。在受力過大的情況下，模子會沿危險斷面破裂。因此，對型材模子必須進(jìn)行強(qiáng)度校核。對于槽形模的突出部分，可以認(rèn)為是一個受有均布載荷的懸壁梁，可按下式校核其危險斷面處的模子最小厚度hmin。 （） （）式中 hmin—模具(包括模子和支承環(huán)的總厚度)的最小厚度，mm；l—槽形模子懸臂梁的長度，即槽形型材的槽深尺寸，mm；P—擠壓筒的比壓，MPa；a—?？讘冶哿焊繑嗝鏀嗝娴膶挾?，mm；b—?？讘冶哿焊繑嗝娉隹谔帉挾?，mm；b=a－2c；c—模孔懸臂梁根部出口空刀尺寸(～3)，mm；[б彎]—模具材料的許用彎曲應(yīng)力，其值一般取許用抗拉應(yīng)力的（04～）倍，對于3Cr2W8V鋼，取[σ彎]=600～700MPa；對于4Cr5MoSiV1鋼，取[σ彎]=600MPa是安全的。為了計算方便，可令a=b，其結(jié)果對模具厚度影響并不大，則公式可寫成: （）從公式中可看出，當(dāng)比壓一定時，即擠壓機(jī)的壓力，擠壓筒直徑一定時，是定值。故當(dāng)比壓P一定時，模具的厚度與懸臂梁長度成正比。根據(jù)?？壮叽鐖D可以算得：l= ，所以是安全的。第四章 模具的選材與熱處理及維護(hù)與保養(yǎng)鋁型材的擠壓過程是一種高溫、高負(fù)荷的加工作業(yè)過程，鋁擠壓模承受極其嚴(yán)酷的使用條件[22]：（1）鋁擠壓模承受高溫作用，局部表層溫度可達(dá)600℃；（2）擠壓模表層被反復(fù)加熱和冷卻，產(chǎn)生熱疲勞；（3）壓鋁合金時，擠壓力由純鋁的150MP到高強(qiáng)度輕合金黃色的1200MPa，模具須承受很高的壓縮、彎曲及剪切應(yīng)力作用；（4）產(chǎn)生粘著磨損和磨粒磨損。根據(jù)擠壓模具的工作條件，可以確定材料所需的性能。對擠壓工模具材料的性能要求主要有以下幾方面：（1）高的強(qiáng)度和硬度值。擠壓工模具一般在高比壓工作條件下工作，在擠壓鋁合金時，要求模具材料在常溫下σb大于1500MPa。（2）高的耐熱性。即在高溫（擠壓鋁合金的工作溫度為550℃在右）下，在抵抗機(jī)械負(fù)荷的能力（保持形狀的屈服強(qiáng)度以及避免破斷的強(qiáng)度和韌性），而不過早的（一般為550℃以下）產(chǎn)生退火和回火的現(xiàn)象。在工作溫度下，擠壓工模具材料的σb低于850MPa；模具材料的σb不應(yīng)低于1200MPa。（3）在常溫和高溫下具有高的沖擊韌性和斷裂韌值，以防止模具在應(yīng)力條件下或沖擊載荷作用下產(chǎn)生脆斷。（4）高的穩(wěn)定性。即在高溫下有高的抗氧化穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生氧化皮。（5）高的耐磨性。即在長時間的高溫高壓和潤滑不良的情況下，表面有抵抗磨損的能力，特別是在擠壓鋁合金時，有抵抗金屬的“粘結(jié)”和磨損模具表面的能力。（6）具有良好的淬透性。以確保工具的整個斷面（特別是大型工模具的橫斷面）有高的且均勻的力學(xué)性能。（7）具有激冷、激熱的適應(yīng)能力?？垢邿釕?yīng)力和抗止工具在連續(xù)、反復(fù)、長時間使用中產(chǎn)生熱疲勞裂紋。（8）高導(dǎo)熱性。能迅速的從工模具工作表面散發(fā)熱量，防止被擠壓工件和工模具本身產(chǎn)生局部過燒或過多的損失其力學(xué)強(qiáng)度。（9）抗反復(fù)循環(huán)應(yīng)力性能強(qiáng)。即要求高的持久強(qiáng)度，防止過早疲勞破壞。（10）具有一定的抗腐蝕性和良好的可氮化特性。（11）具有小的膨脹系數(shù)和良好的抗蠕變性能。（12）具有良好的工藝性能。即材料易熔煉、鍛造、加工和熱處理。（13）容易獲取，并且盡可能符合最佳經(jīng)濟(jì)原則，即物美價廉。為了提高模具的使用壽命，降低生產(chǎn)的成本，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的批量大小、工模具的結(jié)構(gòu)、形狀和大小、工作條件以及鋼材本身的熔煉、鍛造、加工和熱處理工藝性能，鋼材的價格和貨源等方面的情況，綜合權(quán)衡利弊，選擇經(jīng)濟(jì)而合理的工模具鋼材。歸納起來，選擇鋁合金擠壓工模具材料時一般應(yīng)考慮一下幾個因素。（1）被擠壓金屬或合金的性能。根據(jù)被擠壓合金的性能來選擇合理的、最經(jīng)濟(jì)的工模具材料。前蘇聯(lián)在擠壓鋁合金選擇工模具材料一般推薦采用эи383X2B8216。、эи434X2B2C。我國主要采用3Cr2W8V、4Cr2MoSiV4Cr5MoSiV鋼作為擠壓鋁合金的模具材料，選擇3Cr2W8V、4Cr5MoSiV5CrNiMo，5CrMnMo作為基本工具的材料。（2）擠壓工模具的材料選用。擠壓圓棒和圓管時，采用中等強(qiáng)度的5CrNiMo、5CrMnMo、5CrNiW等鋼材，或強(qiáng)度更低的鋼材（45號鋼）來制造工模具；而擠壓復(fù)雜形狀的空心型材和薄壁型材時，應(yīng)選用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV1等較高的材料來制造工模具；對于形狀復(fù)雜的空心型材以及寬厚比大于50的扁寬薄壁型材和帶肋壁板型材，則選用更高級的模具材料；對于品種單一、專業(yè)化程度高、批量大和要求壁薄、精度高、表面優(yōu)良的民用建筑型材，則選用具有高強(qiáng)、高耐熱，耐磨、高抗蠕變且具有良好可氮化性能的鋼材（如日本選用AE31鋼）來制造模具。（3）擠壓方法、工藝條件與設(shè)備結(jié)構(gòu)。模具材料的選擇與擠壓方法有很大關(guān)系，熱擠壓模具材料要求有高的熱強(qiáng)度和熱硬度、高的熱穩(wěn)定性和耐磨性等；而冷擠壓工模具必須在很高的壓力下工作，一般壓力可高達(dá)1500～2000MPa。當(dāng)連續(xù)生產(chǎn)時，模具工作部分的局部溫度可高達(dá)150～200℃，同時，由于冷擠壓的工模具運(yùn)動速度快，受沖力力作用較大，故工模具材料除要求具有高的強(qiáng)度和良好的韌性、碳化物偏析少以外，還必須有良好的熱處理性能；靜液擠壓模具處于高壓包圍之中，模子呈預(yù)應(yīng)力狀態(tài)，同時，靜液擠壓時的擠壓力比正、反擠壓時的壓力都要低，故可選用3Cr2W8V等模具鋼來制造工模具。在擠壓工程中，當(dāng)工藝條件變化時，工模具也應(yīng)做相應(yīng)的變化如氮?dú)饫鋮s擠壓用模具等應(yīng)該使用良好的抗激冷激熱的材料來制造；正向無潤滑熱擠壓與潤滑擠壓時，模具材料的主要區(qū)別是前者應(yīng)選擇耐磨性更高的、熱表面硬度和氮化性能更好的材料。設(shè)備結(jié)構(gòu)不同也影響工模具材料的選擇。，裝在其中的模子、密封環(huán)和填充塊都要受到很大的壓力，故一般需要采用3Cr2W8V或H11～H13（美國）材料；而普通的反擠壓軸及配套件，可用5CrNiMo鋼制造。（4）擠壓工模具的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸。普通實(shí)心型材的平面摸，可選擇5CrNiMo或3Cr2W8V鋼制造；形狀復(fù)雜的特殊的型材摸（如帶筋壁板摸，變斷面型材摸等）和空心型材用舌型摸、平面分流組合摸等，必須選用3Cr2W8V或4Cr5MoSiV1鋼或更高級的材料來制造。工模具的尺寸也是選擇材料時應(yīng)該考慮的一個重要因素，受重載荷的小尺寸工模具選用3Cr2W8V或更高級的材料來制造；而對尺寸大、重量超過1000kg的基本工具，由于剛材的熔煉、鑄造加工和熱處理質(zhì)量難以保證，故一般不宜采用3Cr2W8V鋼（5）材料的價格及其他因素。為了降低擠壓的總成本，除了提高模具質(zhì)量，滿足工藝要求的情況下，應(yīng)優(yōu)先選擇價格更低的材料。為了提高模具的壽命，各國對工模具材料進(jìn)行了廣泛的研究。隨著熱處理新技術(shù)，特別是表面強(qiáng)化處理工藝的發(fā)展，工模具又出現(xiàn)了一種從高級材料(一般熱處理)、低級材料(表面強(qiáng)化處理)的發(fā)展趨勢。但二者并不矛盾，而是相輔相成的。目前，擠壓鋁合金多采用熱加工模具鋼。熱加工模具鋼應(yīng)滿足多種性能要求，但其中最重要的是熱強(qiáng)性、熱穩(wěn)定性、熱疲勞強(qiáng)度和熱耐磨性。最常用的是含碳量為 %～%的亞共析奧氏體合金鋼。在改進(jìn)原材料質(zhì)量、改善鋼材的熔煉、鍛造、加工、熱處理工藝等方面也達(dá)到了很高的水平。如高純材料的采用，電弧二次重煤油或電渣溶煤油、澆包熔煉法的應(yīng)用，等溫鍛造、真空熱處理、離子氮化處理和表面硬化處理等新技術(shù)新工藝的出現(xiàn)都大大改善了工模具材料的質(zhì)量。典型的熱擠壓模具鋼是在主要合金元素鉻、鎢的基礎(chǔ)上添加釩、鋁和鉆或在主要合金元素鉻、鋁的基礎(chǔ)上添加釩、鎢和鉆。隨著鉆的增加，其回火抗力增加，但當(dāng)鉆的含量增加到 2%以上時會減緩鈷的沉淀硬化作用。在熱擠壓模具鋼中元素鎢可增加到較高的含量，當(dāng)鋼中的鎢含量達(dá)到 10%時，在擠壓溫度下模具仍有較高的回火抗力。另外，這些高合金的鉻鎢含量鋼對急劇的溫度變化是十分敏感的，并且在 400～600 度的工作溫度范圍內(nèi)會發(fā)現(xiàn)明顯的脆化。它們經(jīng)受不了水的冷卻。鉻可降低臨界冷卻速度并增強(qiáng)了熱擠壓模具鋼的淬透性。鉻含量較高(可達(dá)到 5%)時，其回火抗力也高，而耐磨性也獲得增強(qiáng)。這是因?yàn)樘蓟锍恋碛不淖饔?。添加?達(dá) 1%)將促進(jìn)回火抗力的增高，而錳在熱擠壓模具鋼中含量與普通鋼中的含量相近。高合金熱擠壓模具鋼的裂紋敏感性隨含碳量(超過 3%)的增加而增大。前些年，國內(nèi)多采用 3Cr2W8V 鋼制造模具，但是它的韌性低，抗疲勞性不好，耐磨性不足，采用高溫淬火等熱處理措施也不能滿足要求，模具易過早地產(chǎn)生失效。近幾年來，已逐漸被 4Cr5MoSiV1 鋼所取代。4Cr5MoSiV1 鋼又稱 H13 鋼，其化學(xué)成分見表 4—1，室溫和高溫力學(xué)性能分別見表 4—2和表 4—3。表4—1 H13鋼的化學(xué)成分(%)CCrMoVSiMnPNiCuFe余量表4—2 H13鋼的室溫力學(xué)性能淬火溫度/℃回火溫度/屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa斷面收縮率/%伸長率/%10005501240149060095811001100550165018306001220138010505501730197060011101290表4—3 H13鋼的高溫力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)溫度/℃屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa斷面收縮率/%伸長率/%55090210585160096011175165098010785270045150080與 3Cr2W8V 鋼相比，4Cr5MoSiV1 鋼具有以下幾個突出特點(diǎn):（1）化學(xué)成分設(shè)計合理，易采用先進(jìn)的熔鑄技術(shù)，從而使鋼材本身質(zhì)量較高：（2）具有好的熱處理特性，熱處理工藝穩(wěn)定，且具有十分好的表面化學(xué)熱處理性能，組織中含有較多的 Cr、Mo 元素，氮化處理時能生成豐富穩(wěn)定的氮化物并彌散分布。（3）熱處理后，具有良好的高溫綜合性能(特別是韌性、塑性、斷裂韌性)和較高的熱疲勞抗力。因此，綜合考慮各方面的因素，選用 4Cr5MoSiV1 鋼加工模具是比較合適的。鍛后退火是為了消除應(yīng)力、降低硬度，便于機(jī)加工，同時為了改善模具鋼的組織，為隨后的的淬火工序提供良好的顯微組織。熱擠壓模具鋼通常采用等溫球化退火工藝，幾種常用熱擠壓模具鋼的退火工藝見表4—4。表4—4熱擠壓模具鋼的退火工藝鋼號退火工藝退火后的硬度HBS3Cr2W8V840～880℃→720～740℃，爐冷至500℃出爐≤2415Cr4W5Mo2V850℃→750℃，爐冷至500℃出爐197～2124Cr3Mo3W4VTiNb850℃→720℃，爐冷至500℃出爐170～2003Cr3MoW2V870℃→730℃，爐冷至500℃出爐197～2294Cr5MoSiV860℃～890℃，爐冷至500℃出爐≤2234Cr5MoSiV1860℃～890℃，爐冷至500℃出爐≤2234Cr5W2SiV860℃～880℃，爐冷至500℃出爐≤2293Cr3Mo3VNb940℃～710℃，爐冷至500℃出爐1876Cr4Mo3Ni2WV810℃→750℃，爐冷至500℃出爐2205Cr4Mo3SiMnVAl8560℃→720℃，爐冷至500℃出爐193～2265Cr4W2Mo2VSi920℃→790℃，爐冷至500℃出爐≤2294Cr3Mo2NiVNb850℃～860℃，爐冷至500℃出爐190～220淬火工藝是模具鋼熱處理最關(guān)鍵的一步，是保證模具性能的關(guān)鍵。表4—5是幾種熱擠壓模具鋼推薦的淬火加熱溫度。具體每種模具的淬火溫度，因其使用條件、模具結(jié)構(gòu)及形狀、模具性能要求及失效形式不同而不同。關(guān)于淬火加熱時間的選擇原則是使合金元素充分固溶，完成組織轉(zhuǎn)變。若加熱時間過短，則會降低鋼的紅硬性及回火抗力。淬火鋼的奧氏體穩(wěn)定較好，因此淬火冷卻可以在油中進(jìn)行，為減少減小變形，對變形要求嚴(yán)格的模具可采用熱油淬火、分級淬火或等溫淬火[22]。表4—5熱擠壓模具鋼的淬火工藝鋼號淬火加熱溫度/℃淬火介質(zhì)淬火后的硬度HRC3Cr2W8V1050～1100油505Cr4W5Mo2V1130～1140油604Cr3Mo3W4VTiNb1160～1200油56～573Cr3MoW2V1030～1090油52～554Cr5MoSiV1000～1050油 空56～584Cr5MoSiV11000～1050油 空53～574Cr5W2SiV1060～1080油 空56～583Cr3Mo3VNb1060～1090油47～486Cr4Mo3Ni2WV1100～1140油605Cr4Mo3SiMnVAl1090～1120油605Cr4W2Mo2VSi1100～1140油54～564Cr3Mo2NiVNb1130油54模具鋼在淬火后具有以下特點(diǎn)：①得到了馬氏體、貝氏體、殘余奧氏體等不平衡（即不穩(wěn)定）組織。②存在較大內(nèi)應(yīng)力。③力學(xué)性能不能滿足要求。因此，模具鋼淬火后一般都要經(jīng)過回火。回火的目的在于：①提高組織穩(wěn)定性，使工件在使用過程中不再發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，從而使工件幾何尺寸和性能保持穩(wěn)定。②消除內(nèi)應(yīng)力，以便改善工件的使用性能并穩(wěn)定工件幾何尺寸。③調(diào)整模具的力學(xué)性能以滿足使用要求