CN102712021A

CN102712021A - 模块化挤压模具

Info

Publication number: CN102712021A
Application number: CN2011800058473A
Authority: CN
Inventors: M·帕斯夸隆; M·布拉藤; R·F·迪克森
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-09
Publication date: 2012-10-03
Also published as: CA2788660A1; CA2788660C; EP2533917A1; WO2011099868A1; JP2013519527A; KR20120135214A; WO2011099868A8; US20130047692A1

Abstract

用于挤压金属材料的挤压工具或模具，所述金属材料特别是铝或其合金的材料，或其它非铁金属诸如Cu及其合金。该模具是包括具有腔（4、5）的模具本体（2、3）的模块化类型，所述腔提供有镶嵌件（6、7）。包括模具本体（2、3）的具有强热机械要求的模具区域由镍基、铁基或钴基超合金制成，而包括镶嵌件即芯轴（6）和/或定径带（7）的具有强摩擦学要求的模具区域由耐磨材料制成，所述耐磨材料可以是高速工具钢、析出硬化钢或高合金热加工钢或者是提供有涂层诸如纳米颗粒或CVD的任何适宜的钢类型。

Description

模块化挤压模具

本发明涉及挤压工具或模具，所述挤压工具或模具用于挤压金属材料，特别是铝或其合金的材料，或者其它非铁金属例如Cu及其合金。

挤压是用来产生固定横截面轮廓的实心或空心物体的工艺。材料被推送通过期望横截面的模具。挤压工艺相对于其它制造工艺的两个主要优点是其产生非常复杂的横截面和具有优良表面光洁度的成品零件的能力。

模具会经受磨损，这取决于材料被挤压的过程以及温度等，并且已进行了许多尝试以便改善挤压模具的寿命，例如通过选择适当的模具材料、热处理和/或用不同类型的涂层诸如CVD或纳米颗粒型的涂层涂覆模具。

从US-04169366可知用于挤压金属、特别是铝的空心型材或半空心型材的挤压装置。该设备具有突出到模具开口中的至少一个芯轴（mandrel）支撑体，其中芯轴头部是通过连接装置在芯轴支撑体上保持就位的特殊镶嵌件类型。

US-04773251涉及两部分模具，其一部分包括定径带（bearing）且另一部分是支撑体。这种技术方案的特征表现为使用粉末冶金技术将两个模具部分原子级结合在一起。此外，“支撑体”部分（不带有定径带的那个部分）在材料选择方面被相对模糊地定义为“具有与定径带（bearing）容纳部分的金属材料不同的组成的坚韧非延性耐热钢”。

JP-06315716还涉及具有工具的挤压模具，该工具包含由Ni基合金制成的材料并且在热处理之后具有超过HRC 33的硬度。使用此类合金的目的是防止Zn渗透到工具中，即防止锌脆化。

此外，CN-201287153示出了一种铝型材挤压模具，其中模具工具，即形成挤压型材开口的部分，是可替换的且由耐磨损材料制成。

本发明提供了一种挤压模具，其中寿命被相当显著地延长，并且其中相应地降低了更换和维护成本。在本申请人的多个铝挤压设备中执行的测试显示选择Ni基超合金作为根据本发明的模具材料减少了严重开裂并改善了模具寿命，在需要模具部件的替换或维护之前，从一/两百个挤压坯料改善至一千或更多个挤压坯料。

本发明的特征在于如在所附的独立权利要求1中限定的特征。

在从属权利要求2-7中进一步限定了本发明的有利实施方案。

下面将以举例的方式并参考附图来进一步描述本发明，其中：

图1示出根据本发明的挤压模具的实施例，a）截面图中的组装模具，b）展开图中的相同模具，

图2以更大比例示出了图1a）所示的模具腔之一的横截面部分。

图3示出Manson-Coffin坐标图，该图在对数-对数图上描绘了根据本发明的具有超合金的疲劳特性、用于挤压模具的最常见工具钢的塑性应变范围相对于至失效循环数的线性关系。

如上所述，挤压是用来产生固定横截面轮廓的实心或空心物体的工艺。附图示出用于挤压空心型材的挤压工具或模具1的实施例，下面将对其进行进一步解释。如图1a）和b）所示的挤压模具1包括一个桥式模具本体2和一个板式模具本体3，每个分别具有两个腔4、5，并且每个腔进一步以镶嵌件6、7限定了开口。如图1所示的模具代表了被定义为能够同时并行地挤压两个型材的两腔模具。然而，挤压模具根据形成挤压产品的模具开口的类型、形状（设计）和尺寸以及挤压设备的容量（压头和块—图中未示出）可具有单腔或三腔或更多腔类型。

图2以更大比例并在横截面中显示了图1a）所示的模具腔4、5中的一个。两个模具本体2、3处于组装条件下，由此桥式模具本体2上的芯轴部分10部分地突出到模具板3中的腔5的开口中，使得在该芯轴与模具3中的腔开口5之间形成开口11。待挤压的材料被压迫通过此开口11，从而形成最终的挤压空心产品的形状。

对于本发明，芯轴10由独立的芯轴镶嵌件6制成，该芯轴镶嵌件6借助螺钉8连接到桥式模具本体2。

另一方面，根据本发明，模具板3中的开口由独立的定径带镶嵌件7制成，该定径带镶嵌件也借助第二螺钉9连接到模具板3。作为借助螺钉9进行连接的替代，作为替代方式，定径带镶嵌件7可以被热嵌配合到模具板3开口5中的凹部中。

本发明的基本思想是选择不同的材料并且在挤压模具的适当区域中组合利用这些材料，从而符合一侧上的热机械要求（solicitation）以及另一侧上的摩擦学要求。

在强的热机械要求的区域中（蠕变-低循环疲劳机制），模具的第一“模件”由超合金制成，所述模具包括桥式本体2和/或模具板本体3，如上所述，这取决于其是空心型材还是实心型材。特别地，所述超合金是基于a）镍、b）钴或者c）铁。可以分别如下定义镍基超合金、钴基超合金和铁基超合金的范围：

镍基超合金：Ni(最少39%，最多78%)，Fe(最少0%，最多36%)，Cr(最少12%，最多25%)，Al(最少0%，最多5%)，Co(最少0%，最多20%)，Mo(最少0%，最多10%)，Nb(最少0%，最多5%)

钴基超合金：Co(最少34%，最多50%)，Ni(最少10%，最多29%)，Fe(最少3%，最多26%)，Cr(最少3%，最多22%)，Al(最少0%，最多6%)，Nb(最少0%，最多3%)，W(最少(0%，最多15%)

铁基超合金：Fe(最少42%，最多74%)，Ni(最少0%，最多38%)，Cr(最少0%，最多20%)，Al(最少0%，最多5%)，Co(最少0%，最多15%)，Mo(最少0%，最多5%)，Nb(最少0%，最多5%)

上面定义的超合金或高性能合金是表现出良好的表面稳定性、抗腐蚀性和抗氧化性、以及高温下优异的机械强度和抗蠕变性的合金。

超合金通过固溶强化或析出硬化来产生高温强度：大致上，超合金的高温强度取决于强化性晶间二次相的量和分布，该强化性晶间二次相在镍基超合金的情形中为γ’并且在钴基超合金的情形中为碳化物。

超合金在宽的温度范围内维持强度，这对于高温应用而言具有吸引力，其中钢将由于热致晶体空位而屈服于蠕变。

抗蠕变性取决于减小晶体结构内的位错速度。存在于镍和镍-铁超合金中的体心立方体γ’相[Ni₃(Al,Ti)]对位错产生阻碍。诸如铝和钛的化学添加物会促进γ’相（γ’）的产生。可以通过退火来最终控制γ’相的尺寸。可以存在许多其它元素；铬、钼、钨、铝、锆、铌、铼、碳或硅是一些例子。

关于钴基超合金，在固溶强化的结构中采用显著量的难熔元素，诸如铬、钼或钨。这些溶解物具有抑制的恢复能力且它们阻碍位错移动。在晶界处析出的碳化物阻止晶界滑移并产生高的破裂寿命。

其它关键的材料性质是疲劳寿命、相稳定性以及抗氧化性和抗腐蚀性。

通常，由于增加的滑动阻力和增强的应变硬化能力，预料固溶强化合金具有强的抗疲劳开裂性。

通常，高温疲劳可被认为是循环蠕变破裂过程。因此，先前描述的显微组织、蠕变变形与破裂之间的关系是适用的。

关注于抗腐蚀性和抗氧化性，通过形成保护性氧化层来提供抵抗环境影响的强耐受性，该保护性氧化层是由诸如铝和铬的元素形成的，当所述金属暴露于氧并包封所述材料时形成，因此保护部件的其余部分。

即，但非穷举性地，下面在表1中用其UNS、ISO或AFNOR规范标识的合金是落入上述类别的例子。出于说明性目的，该表包含了这些合金的公认商品名之一。

表1：本发明所涵盖的高温性能超合金的主要列表

除前述之外，在表2中列出并且由其商品名和详细化学组成所标识的下列合金也在用于第一“模件”的明确涵盖材料之中，即模具的高热机械要求区域。表2中所列的材料是上文定义的Ni基超合金的一部分：

表2：具有详细化学组成且由其公认商品名识别的Ni基超合金。

除前述之外，由其商品名和化学组成标识的下列合金也在被用于第一“模件”的明确涉及的材料之中，即模具的高热机械要求区域。表3中所给出的材料是上文限定的Ni基超合金的一部分：

表3：Ni基超合金AEREX350的化学组成

名称	Ni	Fe	Cr	Al	Co	Mo	Nb	Ti	W	Y2O3	Ce	Si	Mn
														AEREX 350	44.5	0	17	1	25	3	1.1	2.2	2	0	0	0	0

另一方面，在强摩擦学要求的区域中，即由于待成形的合金通过而引起的摩擦和磨损，模具的第二模件，其为镶嵌件即镶嵌件6和7的所谓定径带（其中挤压型材呈现其最终形状的模具区域），是由耐磨材料制成。此类材料可以是任何已知的耐磨模具材料，诸如高速工具钢、析出硬化钢或高合金热加工钢，以及由标准锻造工艺、喷雾成形技术或用粉末冶金技术获得的合金，或者通过渗氮或类似工艺或通过表面涂覆技术提供有表面硬化的任何此类钢或材料类型，所述表面涂覆技术诸如化学气相沉积（CVD）、等离子体辅助/增强化学气相沉积（PACVD/PECVD）、物理气相沉积（PVD）或其它喷涂工艺（火焰喷涂、冷喷涂/高速、等离子体喷涂、高速氧燃料喷涂等）。

选择不同于上述类别中的镍基、铁基或钴基超合金的材料用于模具镶嵌件是本发明概念的基本要求。这种特定组合对于该概念的总体性能而言是关键的，因为1）模具本体部分2和3中的超合金具有优异的高温机械性能但却低的摩擦学磨损性质，然而2）镶嵌件定径带区域6和7中的耐磨材料具有优异的摩擦学磨损性质但却低的高温机械性能。因此，利用本发明实现了局部材料选择与局部机械和摩擦学要求之间的最佳可能匹配。在应力高到足以引起塑性变形的情况下，优选通过Coffin-Manson关系来表征低循环疲劳。

\frac{Δ {&Element;}_{P}}{2} = {&Element;}_{f}^{'} {(2 N)}^{c}

其中：

-Δε_p/2是半寿命时的塑性应变幅度；

-ε_f'是称为疲劳延性系数的经验常数，对于单次反转的破坏应变；

-2N是直至破坏的反转数目（N个循环）；

-c是称为疲劳延性指数的经验常数。

在受到热机械应力的模具的区域上实现的FEA（有限元分析）模拟证实了到芯轴的过渡桥具有超过屈服极限的应力集中（这些区被称为“热点”）：这表明了也通过非弹性模拟验证的材料的塑性变形。挤压工具的循环行为和登记寿命显示在挤压工艺期间存在塑性拉伸应变和压缩应变。因此，相对于塑性应变的存在，采用Manson-Coffin关系来讨论模具材料的疲劳特性并且基准评测（benchmark）不同的模具技术方案是适当的。

图3在双对数坐标图上示出塑性应变范围相对于直至失效循环数的线性关系。该图允许对用于挤压模具的最常见工具钢的疲劳行为与超合金的疲劳特性进行基准评测。显然，对于高温下施加的相同条件的塑性应变，超合金显示出高于工具钢的疲劳寿命。这些结果凸显了超合金的优异抗疲劳性并且证实了这些材料对于实现具有强热机械要求的模具区域的良好适应性。

在权利要求书中限定的本发明不局限于用以基于模具镶嵌件6和7来挤压空心型材的上述双腔模具的实施例，而是可以为单腔或三腔或更多腔的类型以及用于挤压实心型材的单腔或更多腔的模具板。

在权利要求书中限定的本发明还不限于关于附图所示和上文所述的借助于螺钉的模具部分和镶嵌件的互连的设计，而是可以通过收缩配合或其它连接手段相互固定。

Claims

1.用于挤压金属材料的挤压工具或模具，所述金属材料特别是铝或其合金的材料，或其它非铁金属诸如Cu及其合金，该模具是包括具有腔（4、5）的模具本体（2、3）的模块化类型，所述腔提供有镶嵌件（6、7），其特征在于

包括模具本体（2、3）的具有强热机械要求的模具区域由镍基、铁基或钴基超合金制成，而包括镶嵌件即芯轴（6）和/或定径带（7）的具有强摩擦学要求的模具区域由耐磨材料制成。

2.根据权利要求1所述的挤压模具，其特征在于

该模具是两腔或更多腔模具。

3.根据权利要求1和2所述的挤压模具，其特征在于

所述合金是包含Ni 39-78wt%、Fe 0.0-36wt%、Cr 12%-25wt%、Al 0.0%-5wt%、Co（最少0%，最多20%）、Mo-10wt%、Nb-5wt%的镍基超合金。

4.根据权利要求1和2所述的挤压模具，其特征在于

所述合金是钴基超合金：包含Co 34-50wt%、Ni 10-29wt%、Fe3-26wt%、Cr 3-22wt%、Al 0.0-6wt%）、Nb 0.0-3wt%、W 0.0-15wt%。

5.根据权利要求1和2所述的挤压模具，其特征在于

所述合金是铁基超合金，包含Fe 42-74wt%、Ni 0.0-38wt%、Cr 0.0-20wt%、Al 0.0%-5wt%、Co-15wt%、Mo 0.0%-5%、Nb 0.0-5wt%。

6.根据权利要求1-5所述的挤压模具，其特征在于

所述耐磨材料是高速工具钢、析出硬化钢或高合金热加工钢以及通过标准锻造工艺、喷雾成形技术或用粉末冶金技术获得的合金。

7.根据权利要求1-6所述的挤压模具，其特征在于

所述耐磨材料通过表面渗氮或类似工艺被表面硬化，或者提供有表面涂层，所述表面涂层基于化学气相沉积（CVD）、等离子体辅助/增强化学气相沉积（PACVD/PECVD）、物理气相沉积（PVD）或其它喷涂工艺诸如火焰喷涂、冷喷涂/高速、等离子体喷涂或高速氧燃料喷涂。