鋁擠壓機擠壓工具制造

王艷鵬

（太原重工股份有限公司，天津300452）

鋁擠壓機是通過擠壓形式生產(chǎn)各類鋁合金型材的主要設(shè)備，而擠壓工具作為擠壓機經(jīng)常更換的最貴零部件，它在擠壓過程中直接與被加工金屬錠坯接觸使其產(chǎn)生塑性變形，不僅要承受高溫高壓作用，而且還要承受激冷激熱、反復循環(huán)應(yīng)力的作用，因此，其材料應(yīng)能滿足以下要求：有足夠的高溫強度和硬度，高的耐回火性及耐熱性，足夠的韌性，低的熱膨脹性[1]。目前選用的材料主要是熱作模具鋼，而用的比較多是5CrNiMo、5CrMnMo和H13.由于這些材料有高的熱強度和熱硬度、高的熱穩(wěn)定性和耐磨性等，所以熱加工工藝比較復雜，經(jīng)常會出現(xiàn)裂紋、縮松、白點等缺陷，且擠壓工具的尺寸精度要求又比較高，直接影響了擠壓性能及鋁制品的質(zhì)量，經(jīng)熱處理后硬度非常硬，這些都給后續(xù)冷加工帶來了困難。本文以我公司利用H13制造擠壓軸、擠壓筒、空位墊和剪切墊等為例，介紹了H13擠壓工具生產(chǎn)過程關(guān)鍵技術(shù)，可以為擠壓工具在制造過程中提供參考。

1 擠壓工具材料H13鋼的生產(chǎn)工藝

為了提高H13鋼的綜合性能，國內(nèi)外普遍采用電渣重熔的工藝，提高鋼的純凈度、致密度，可以大幅度改善鋼的等向性，明顯提高模具鋼橫向的韌性、塑性、抗熱疲勞性和斷裂韌性。而采用普通電爐冶煉工藝生產(chǎn)的模具鋼的橫向韌性和塑性相當于縱向性能的50%左右。所以采用的生產(chǎn)工藝為：

電弧爐→鋼包精煉爐→模鑄→電渣重熔→退火→精整→加熱→鍛造→退火→精整。

1.1 鋼錠冶煉關(guān)鍵技術(shù)

H13化學成分直接影響材料熱處理后性能的穩(wěn)定性，所以嚴格控制成分范圍是關(guān)鍵。通過降低P、S含量，可提高材料的沖擊韌性和改善等向性能，提高熱疲勞性能；控制含氧量，可以減少鋼中夾雜物，提高鋼的純凈度；為了避免產(chǎn)生白點缺陷，控制含H量在2×10-4%以下[2]。H13化學成分控制見表1.

表1 H13控制化學成分

鋼中的非金屬夾雜物是H13模具鋼內(nèi)部產(chǎn)生裂紋的根源，采用真空精煉爐（Vacuum degassing furnace，VD）的冶煉，降低鋼中的氫、氧、夾雜物含量，電渣重熔可以進一步提高鋼的純凈度和改善鋼的凝固組織，從而提高鋼的橫向力學性能，這一性能相當于縱向性能的80%以上。由于電渣重熔過程中特定的結(jié)晶條件，重熔后期采用合理的補縮工藝，因而重熔鋼錠一般沒有縮孔，縮松也得到顯著改善。據(jù)大量試樣檢驗資料表明，經(jīng)電渣重熔后，消除一般縮松，中心縮松也大為改善。

1.2 鍛造關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 加熱工藝制定

H13鋼導熱性能較差，為了避免高溫轉(zhuǎn)爐坯料產(chǎn)生裂紋，通常控制在400℃以下裝爐。加熱時應(yīng)緩慢升溫，不得大火急燒，應(yīng)使鋼錠均勻透燒。按照標準鍛造加熱保溫溫度一般控制在1 180℃，鍛造溫度控制在1 180℃～850℃左右。50℃/h速度升溫。控制好預(yù)熱、升溫、保溫三個階段，加熱工藝曲線見圖1.

圖1 加熱工藝曲線圖

鋼錠出爐鍛造前，必須清除掉鋼錠表面的氧化皮，這樣可以減少鍛模及砧子的磨損，提高鍛件的精度和表面質(zhì)量。

1.2.2 鍛造工藝制定

嚴格控制始鍛溫度和終鍛溫度。保證鍛造溫度范圍為1 150～900℃.當鍛造溫度降至900℃時必須停止鍛打，要返爐加熱到1 150℃后再鍛。

鍛造時主要靠壓應(yīng)力變形來打碎粗大組織晶粒和不穩(wěn)定的共晶碳化物，達到改善心部組織的目的。擊打時，壓下量要小，送進量要大。鋼錠開坯鍛造時，開始要輕鍛，擊碎鋼錠表面的碳化物，以提高其塑性。然后可以適當重擊，當溫度接近終鍛溫度時要輕擊。按照兩輕一重，即先輕打，后重打，最后再輕大和勤翻轉(zhuǎn)、勤倒棱、勤處理原則進行鍛造[3]。如出現(xiàn)細小裂紋，要在1 000℃，用氣焊清除裂紋后再進行鍛造。1.2.3退火工藝制定

為了獲得球狀組織，使鍛后組織均勻化，提高塑性、調(diào)整晶粒度，使少量的奧氏體在冷卻過程中形成馬氏體，進一步分解為鐵素體和顆粒狀碳化物，使組織均勻、軟化，便于加工并消除鍛造應(yīng)力，結(jié)合本單位鍛造車間熱處理設(shè)備，鍛后冷卻與熱處理工藝曲線見圖2.

圖2 退火工藝曲線圖

2 擠壓工具的制造工藝

擠壓工具種類繁多，結(jié)構(gòu)復雜，擠壓軸、擠壓墊、空位墊、擠壓筒等都有特殊要求，除了采用特殊加工方法、設(shè)備外，還需要特殊刀具及熱處理方法。它不同于一般的機械制造工藝。

2.1 制造工藝路線

早期擠壓工具主要依靠機加工方法和手工方法，按照樣板進行加工。由于電加工技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了特種加工方法。綜合利用數(shù)控機械加工和特種加工形成了一種先進的擠壓工具制造工藝。擠壓工具的基本加工方法主要有三種：機械加工法、熱加工法和電加工法[4]。根據(jù)擠壓工具的種類、結(jié)構(gòu)形式、規(guī)格大小、精度和硬度等選擇不同的工藝。利用H13制造擠壓軸、擠壓筒、空位墊和剪切墊等的工藝路線為：鍛坯→粗加工→探傷→晶粒度檢查→調(diào)質(zhì)→探傷→半精加工→淬火→半精加工→消除應(yīng)力→精加工。其中鍛坯、調(diào)質(zhì)、淬火、消除應(yīng)力和精加工是關(guān)鍵工序。

2.2 調(diào)質(zhì)關(guān)鍵技術(shù)

為了獲得均勻的圓、細碳化物分布，利用調(diào)質(zhì)作為淬火前的預(yù)備熱處理，可顯著提高斷裂韌度。調(diào)質(zhì)工藝曲線見圖3.

圖3 調(diào)質(zhì)工藝曲線圖

2.3 淬火關(guān)鍵技術(shù)

淬火的目的是為了提高擠壓工具的硬度，使其具有耐磨。淬火前應(yīng)檢查和消除刀痕等加工缺陷，對棱邊進行倒圓角。淬火后需要進行三次回火，每次回火后應(yīng)空冷到室溫方可進行下一道回火工序。第三次回火溫度低于第一次回火溫度約10℃，保持時間可縮短20%～25%[5]。冷卻介質(zhì)應(yīng)在淬火前半小時進行循環(huán)，保證零件冷卻均勻，入油油溫應(yīng)控制在40～80℃.零件淬火后應(yīng)及時裝爐回火，停留時間不得超過半小時。淬火工藝曲線見圖4.

圖4 淬火工藝曲線圖

2.4 消除應(yīng)力

消除應(yīng)力主要是對熱處理和半精加工產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力進行消除，防止在高溫工作時產(chǎn)生裂紋。給擠壓生產(chǎn)造成停機影響。對于H13采用熱處理方式進行消除應(yīng)力，工藝曲線見圖5.

圖5 熱消應(yīng)力工藝曲線圖

2.5 機加工關(guān)鍵技術(shù)

擠壓工具淬火后硬度達到45～50 HRC，這個硬度給機加工帶來困難，所以通常都是在淬火前留很少的余量。淬火后我公司都是采用美國制造的Greenleaf陶瓷刀片進行加工，效果非常不錯。生產(chǎn)的擠壓桿見圖6，擠壓筒見圖7.

圖6 擠壓桿

圖7 擠壓筒

3 結(jié)束語

H13這種材料是比較復雜，尤其是熱加工方面是很難控制的。但它的性能又非常適合熱擠壓工具，所以控制其質(zhì)量穩(wěn)定性是突出的問題。每一個關(guān)鍵部位都需要控制好。

本文介紹的制造工藝盡管比較復雜，但它的效果非常好。對擠壓工具制造工藝向更加合理化改進提供參考。

參考文獻：

[1]武紅林，宋 微，張燕飛.鋁合金棒材擠壓生產(chǎn)[M].長沙：中南大學出版社，2011.

[2]蔣錫軍.轉(zhuǎn)爐冶煉熱作模具鋼H13的生產(chǎn)實踐[J].寶鋼技術(shù)，2007（3）：029-032.

[3]董紹國，孫春國，徐艷君.H13鋼鍛造工藝研究[J].鍛造與沖壓，2004（1）：020-021.

[4]劉靜安，黃 凱，譚熾東.鋁合金擠壓工模具技術(shù)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009.

[5]中國機械工程學會塑性工程學會編.鍛壓手冊.（第一卷鍛造）[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.