(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

硬釬料擠壓的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀淺析

龍飛何鵬林鐵松耿慧遠(yuǎn)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150001)

從硬釬料的熱擠壓研究及應(yīng)用現(xiàn)狀談起，分析了影響釬料熱擠壓的裝備功能、模具性能和工藝因素(速度、溫度、變形指數(shù)、模具形狀)。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際闡述了常用的擠壓裝備、經(jīng)典擠壓工藝和主要的模具失效形式及其原因，并針對(duì)失效形式提出了提高擠壓模具使用壽命、穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率的多項(xiàng)技術(shù)措施；探討了提高釬料熱擠壓質(zhì)量和效率的技術(shù)途徑。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，優(yōu)良的裝備、適宜的工藝和合理的模具設(shè)計(jì)是熱擠壓順利進(jìn)行的根本保證；模具材料、模具制造工藝和使用制度決定著模具使用的穩(wěn)定性。

硬釬料熱擠壓模具使用壽命

0 序 言

釬焊材料是實(shí)現(xiàn)釬焊的必要條件，在研究釬焊問(wèn)題時(shí)，需要對(duì)釬焊材料有足夠的了解。從國(guó)內(nèi)最大的焊接展會(huì)——北京·埃森焊接與切割展覽會(huì)來(lái)看，市面上的釬焊材料產(chǎn)品呈現(xiàn)出專業(yè)化、個(gè)性化和多樣化的趨勢(shì)，所使用的硬釬料主要分為鋁基釬料、銅基釬料、銀基釬料和鎳基釬料4種，這些釬料廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、化工、能源、煤炭、石油、航空航天、家電、儀器儀表、電力電子、汽車制造、木材加工、食品加工、紡織、醫(yī)療衛(wèi)生、船舶制造、硬質(zhì)工具、礦山機(jī)械以及輕工業(yè)等關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的二十多個(gè)行業(yè)。在這4種系列的釬料中，銅、鋁、鎳基釬料產(chǎn)量較大，成本較低。但相比之下，銀的成本很高，并且一定程度上依賴進(jìn)口，除此之外，不少銀基釬料還含有鎘，鎘是一種對(duì)人體有害的元素，并且歐盟已經(jīng)出臺(tái)RoHS指令禁止含鎘釬料出口到歐洲，中華人民共和國(guó)第39號(hào)令《電子信息產(chǎn)品污染控制管理辦法》中也明確指出鎘為有毒有害元素，在這樣的背景下，銀鎘釬料的應(yīng)用越來(lái)越少[1]。銅及大部分銅合金導(dǎo)電導(dǎo)熱性能出色，具有較好的抗腐蝕性能并且易于加工成型，因此很早就被用作釬料。銅的熔點(diǎn)為1 083 ℃，因此人們通過(guò)加入其他元素與之形成合金，從而降低銅合金的熔點(diǎn)，這類釬料主要有銅磷釬料和銅鋅釬料。銀基釬料熔化溫度一般介于550～850 ℃，主要用于釬焊銅及其合金、不銹鋼及鋼，而銅磷釬料熔化溫度較低，在銅表面的潤(rùn)濕性好，且共晶點(diǎn)溫度接近銀釬料，能很好地釬焊銅及其合金，因此是較為理想的銀基釬料的替代品。因此研究銅磷釬料具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義，而擠壓是銅磷釬料加工的主要工藝之一。文中對(duì)硬釬料擠壓的研究與生產(chǎn)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了淺析，研究?jī)?nèi)容可為生產(chǎn)應(yīng)用提供一定的參考[2-3]。

1 硬釬料擠壓設(shè)備及技術(shù)

1.1 硬釬料擠壓設(shè)備

從目前的釬料生產(chǎn)廠商來(lái)看，立式擠壓機(jī)應(yīng)用較為普遍，行業(yè)用于硬釬料擠壓的設(shè)備大約有兩千臺(tái)左右，主要以315噸以下的四柱立式萬(wàn)能油壓機(jī)為主，尤其是銅磷生產(chǎn)中常用100噸和200噸的油壓機(jī)；500噸以上的立式油壓機(jī)多用于擠壓銀釬料和銅釬料。目前大多數(shù)立式油壓機(jī)存在著擠壓的速度和溫度不能主動(dòng)調(diào)控(或者是開(kāi)環(huán)控制)、擠壓力調(diào)控性不足等缺陷[4]。

臥式擠壓機(jī)有取代立式油壓機(jī)的趨勢(shì)，雖然臥式擠壓機(jī)的設(shè)備成本高、占地面積大，但由于擠壓機(jī)的擠壓速度可調(diào)、擠壓筒溫度可控、擠壓模更換方便、擠壓力大和擠壓過(guò)程穩(wěn)定、擠壓皮和擠壓壓余便于去除等優(yōu)點(diǎn)，所以有擠壓效率高、擠壓產(chǎn)品質(zhì)量好、擠壓產(chǎn)品轉(zhuǎn)換方便的特點(diǎn)[5]。四柱立式油壓機(jī)在釬料擠壓方面的技術(shù)缺陷是顯而易見(jiàn)的，與臥式擠壓機(jī)相比主要存在錠坯重量受限制、積壓殘料難以去除等重大質(zhì)量隱患。近十年，在釬料生產(chǎn)行業(yè)臥式擠壓機(jī)開(kāi)始取代立式油壓機(jī)。由于采用臥式擠壓機(jī)擠壓時(shí)擠壓殘料可以徹底清除，從而可以嚴(yán)格控制擠壓過(guò)程中雜質(zhì)嵌入釬料[6-7]。

目前，有幾種性能更為優(yōu)越的擠壓機(jī)值得重視[8]。

旋轉(zhuǎn)式擠壓機(jī)：擠壓筒有裝錠、擠壓和清理三個(gè)工位，這種擠壓機(jī)生產(chǎn)效率很高。

預(yù)應(yīng)力擠壓機(jī)：預(yù)應(yīng)力導(dǎo)柱可以減少擠壓變形，這種擠壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是有利于延長(zhǎng)模具壽命。

短行程擠壓機(jī)：錠坯直接裝入擠壓筒，這種擠壓機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小、模具變形小。

等溫變速擠壓機(jī)：擠壓溫度恒定、擠壓速度可調(diào)，其主要優(yōu)點(diǎn)是擠壓指數(shù)大、擠壓質(zhì)量好。

雙動(dòng)擠壓機(jī)：這種擠壓機(jī)可以擠壓藥芯釬料[9]。

1.2 硬釬料擠壓技術(shù)

在釬料的擠壓生產(chǎn)中，幾乎都采用鑄錠預(yù)熱、擠壓過(guò)程保溫、擠壓速度較低的正擠壓工藝。對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量構(gòu)成影響的工藝參數(shù)有很多，最主要的三個(gè)是擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比。生產(chǎn)中應(yīng)根據(jù)被擠釬料在不同溫度下的力學(xué)性能、擠壓機(jī)噸位和擠壓速度確定擠壓溫度、擠壓筒尺寸、擠出尺寸和擠壓模的幾何形狀；根據(jù)擠壓溫度選擇擠壓模具的材料和制造工藝[10]。

擠壓溫度選擇原則。鑄錠預(yù)熱溫度盡量高，以降低擠壓力、增加擠壓比，從而提高擠壓效率。但是鑄錠溫度高于釬料固相線溫度的70%時(shí)，有產(chǎn)生擠壓裂紋的風(fēng)險(xiǎn)；另一方面過(guò)高的擠壓溫度也影響擠壓模具的正常使用。常用的擠壓溫度在450～550 ℃，但鑄錠預(yù)熱溫度可以更高一些，主要是考慮鑄錠在轉(zhuǎn)運(yùn)和擠壓過(guò)程中的降溫。

擠壓比和擠壓速度選擇。在擠壓力滿足工藝要求和擠壓變形系數(shù)允許情況下，盡量增加擠壓比，主要目的是提高擠壓效率。但是較大的擠壓比將導(dǎo)致擠壓釬料的橫向裂紋產(chǎn)生，從而影響后續(xù)加工，一般采取多頭擠壓方式解決這類矛盾。從擠壓釬料質(zhì)量出發(fā)，擠壓速度越低越好；但如果從生產(chǎn)效率的角度考慮，擠壓速度就是越高越好。一般情況下，擠壓溫度與擠壓速度是反向的，即低溫時(shí)可以用較高的擠壓速度，反之亦然[11]。

擠壓錠重量、擠壓壓余和擠壓皮處理。從鑄錠重量上看，國(guó)內(nèi)釬料生產(chǎn)企業(yè)采用的擠壓鑄錠有很大差別，大多數(shù)企業(yè)采用單錠重量1～5 kg的鑄錠擠壓(甚至用1 kg以下的鑄錠)；部分企業(yè)采用10～35 kg的鑄錠擠壓。擠壓壓余和擠壓皮殘留是劣化釬料質(zhì)量的重要因素，殘留的氧化皮甚至是夾雜物將混入后續(xù)擠壓釬料中，嚴(yán)重污染釬料。立式擠壓一般采用脫皮加連續(xù)擠壓方式；臥式擠壓除了采用脫皮加連續(xù)擠壓方式，還可以除去單根擠壓方式，以徹底抑制夾雜物的混入[12]。

近幾年的擠壓技術(shù)也有新的發(fā)展，感應(yīng)加熱、長(zhǎng)錠加熱、氣保護(hù)加熱、熱剪切技術(shù)提高了擠壓成品率和效率；二次擠壓技術(shù)和多頭擠壓技術(shù)提高了生產(chǎn)率；參數(shù)優(yōu)化技術(shù)將計(jì)算機(jī)和統(tǒng)計(jì)技術(shù)引入擠壓工藝參數(shù)制定，可以取得最好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[13]。

2 釬料擠壓模具的設(shè)計(jì)與制造

為了優(yōu)質(zhì)的釬料擠壓毛坯的獲得，相應(yīng)模具的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)就變得十分關(guān)鍵。其中擠壓模的材料選擇、幾何設(shè)計(jì)和熱處理工藝尤為關(guān)鍵。

2.1 模具材質(zhì)的選取

冷擠壓模具可以選用冷作模具鋼，冷作模具鋼種類繁多，按鋼的性能可以分為4類：高碳工具鋼、合金工具鋼、高速鋼和基體鋼，一般根據(jù)擠壓應(yīng)力和價(jià)格性能比選用。但由于硬釬料冷擠壓應(yīng)用較少，釬料擠壓模具常選用熱作模具鋼。列入國(guó)內(nèi)熱作模具鋼性能數(shù)據(jù)集的材料共有20多種，硬釬料擠壓常用的熱作模具鋼有3Cr2W8V，4Cr5MoV1Si，5CrNiMo，5CrMnMo，W6Mo5Cr4V2，7Cr7Mo2V2Si(LD)，5Cr4Mo3SiMnVAl(012A1)，4Cr3Mo2NiVNbB(HD)等。近幾年硬質(zhì)合金也開(kāi)始用于擠壓模。

在選取模具材質(zhì)時(shí)，主要考慮的就是所選取材質(zhì)的高溫性能應(yīng)滿足模具能順利在載荷下服役，根據(jù)部分鋼種的高溫強(qiáng)度等指標(biāo)，作者給出了部分熱擠壓模具鋼的高溫性能見(jiàn)表1(10級(jí)為最優(yōu))。

表1 部分熱擠壓模具鋼高溫性能的對(duì)比 級(jí)

2.2 模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)失效形式采取不同的設(shè)計(jì)原理，以延長(zhǎng)其使用壽命。擠壓筒采用預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成雙層或三層結(jié)構(gòu)(大型擠壓筒采用三層結(jié)構(gòu))；擠壓桿應(yīng)首先確定長(zhǎng)徑比，直徑變化必須采用圓弧連接或平滑過(guò)渡；擠壓模的工作帶長(zhǎng)度和多孔模的孔形分布方式應(yīng)根據(jù)被擠材料確定。

2.3 機(jī)加工、電加工及化學(xué)加工

機(jī)加工時(shí)切削的參數(shù)、對(duì)毛坯進(jìn)行的預(yù)鍛處理，以及鍛后進(jìn)行的球化退火、化學(xué)加工時(shí)所使用的溶液的濃度、溫度這些因素，都對(duì)模具的壽命有著不同程度的影響。

2.4 熱處理及表面處理

為了提高模具壽命，對(duì)毛坯進(jìn)行球化處理以及真空淬火，另外模具的表面強(qiáng)化處理對(duì)提高模具的耐磨性和熱穩(wěn)定性有極其顯著的作用，這在擠壓模上取得了良好的應(yīng)用。

但由于國(guó)內(nèi)釬料生產(chǎn)廠家相互間交流較少，且釬焊行業(yè)“工業(yè)4.0”進(jìn)程較緩，使得這些數(shù)據(jù)沒(méi)有進(jìn)行大規(guī)模匯總，以至于無(wú)法形成能幫助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化的“大數(shù)據(jù)”，這些數(shù)據(jù)參數(shù)還有待完善。

3 擠壓模具的失效形式及原因

3.1 擠壓模具的失效形式

對(duì)于釬料擠壓設(shè)備而言，最容易發(fā)生失效的零件分別是擠壓桿、擠壓筒和擠壓模3種。3種中，又以承受劇烈的熱熔蝕和摩擦并長(zhǎng)期工作在高溫高負(fù)荷下的熱擠壓模首當(dāng)其沖。生產(chǎn)實(shí)踐表明：擠壓桿、擠壓筒、擠壓模的使用壽命依次遞減(擠壓桿允許修復(fù)后繼續(xù)使用)。對(duì)于磨損和失效形式，擠壓模以磨粒磨損和粘著磨損為主，擠壓筒主要是擴(kuò)展性的疲勞斷裂，而擠壓桿則主要是粘著磨損和脆性斷裂[14]。將硬質(zhì)合金做成微型擠壓模塊鑲嵌到擠壓模中可以成倍地提高擠壓模具壽命。

3.2 擠壓模具的失效原因

分析擠壓模具的失效原因是十分重要的，追根溯源，從根源上尋求其解決措施。

3.2.1 熱擠壓模的失效原因

擠壓模的粘著磨損主要是在高溫條件下，高速高應(yīng)力引起了劇烈的摩擦而導(dǎo)致的；模具在高溫作用下，其各項(xiàng)性能指標(biāo)(如熱穩(wěn)定性、紅硬性)弱化導(dǎo)致模具的力學(xué)性能下降，從而引起失效。

3.2.2 熱擠壓筒的失效原因

強(qiáng)烈的熱摩擦引起的內(nèi)壁疲勞裂紋；釬料鐓粗產(chǎn)生的拉應(yīng)力超出材料的強(qiáng)度極限；模具溫度過(guò)高導(dǎo)致材料強(qiáng)度下降；預(yù)應(yīng)力緊箍套失效。

3.2.3 熱擠壓桿的失效原因

側(cè)向力導(dǎo)致頸部脆斷；交變應(yīng)力導(dǎo)致縱向裂紋；熱處理未淬透導(dǎo)致失穩(wěn)(彎曲)；強(qiáng)烈熱摩擦導(dǎo)致粘著磨損。

在釬料的冷擠壓生產(chǎn)中，脆性斷裂和粘著磨損的主要原因是擠壓力過(guò)大和潤(rùn)滑不好。

4 模具壽命的影響因素及解決措施

4.1 影響模具壽命的主要因素

在模具的使用過(guò)程中，擠壓桿的裝配質(zhì)量是影響擠壓桿壽命的主要因素，尤其是擠壓桿傾斜式產(chǎn)生的側(cè)向力極容易導(dǎo)致擠壓桿折斷；影響擠壓筒和擠壓模壽命的主要因素是擠壓溫度、單次連續(xù)使用時(shí)間和擠壓速度；影響擠壓模壽命的因素還有鑄錠中氧化物的含量，因?yàn)檠趸锏挠操|(zhì)點(diǎn)極易磨損擠壓模?？?。另外，擠壓坯錠的狀態(tài)和采取何種方式潤(rùn)滑對(duì)模具的壽命和擠壓過(guò)程也有很大影響[16]。

4.2 提高模具壽命的解決措施

影響擠壓模具的使用壽命的因素主要有設(shè)計(jì)、制造和使用這三方面，因此相應(yīng)的，可以從設(shè)計(jì)、制造和使用這三個(gè)環(huán)節(jié)著手來(lái)提高模具壽命[15]。

對(duì)于模具的設(shè)計(jì)，可以從結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)出發(fā)，優(yōu)化擠壓模具的結(jié)構(gòu)；其次還可以選取在高溫下紅硬性好、熱穩(wěn)定性好的材料，即從材料選取出發(fā)；最后，可以優(yōu)化制造使用工藝，積極探索更好的熱處理工藝，由廠方進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證，精化細(xì)化設(shè)計(jì)方案。

模具制造中熱處理工藝極其重要，模具熱處理分預(yù)處理、熱處理和后處理三個(gè)階段；在預(yù)處理階段，應(yīng)探索機(jī)加工工藝與正火和球化處理的關(guān)系；在熱處理階段，應(yīng)當(dāng)優(yōu)化真空熱處理工藝、探索化學(xué)加工工藝和電加工工藝來(lái)輔助加工；在后處理階段，應(yīng)當(dāng)積極探索深冷處理工藝?？偠灾?，模具制造的過(guò)程有很多步，應(yīng)當(dāng)盡可能抓住每一個(gè)可能提高模具壽命的階段，從多方位調(diào)控模具制造的整個(gè)過(guò)程。

在模具的使用方面，應(yīng)從模具的存放、使用制度、擠壓工藝等方面進(jìn)行合理控制，并根據(jù)裝配要求、加熱制度正確使用。

5 結(jié) 論

(1)國(guó)內(nèi)硬釬料擠壓用裝備還比較落后，企業(yè)技術(shù)改造時(shí)應(yīng)立足于起點(diǎn)高的擠壓裝備，如旋轉(zhuǎn)式擠壓機(jī)、預(yù)應(yīng)力擠壓機(jī)、短行程擠壓機(jī)、等溫變速擠壓機(jī)、雙動(dòng)擠壓機(jī)等。

(2)硬釬料擠壓工藝的關(guān)鍵參數(shù)有擠壓溫度、擠壓速度和擠壓比。擠壓溫度選擇原則是鑄錠預(yù)熱溫度盡量高，以降低擠壓力、增加擠壓比，從而提高擠壓效率。

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擠壓速度的選擇一般與溫度呈負(fù)相關(guān)，即低溫?cái)D壓選擇高速，高溫?cái)D壓選擇低速。增加擠壓比可以提高擠壓效率，但需要注意的是較大的擠壓比將導(dǎo)致擠壓釬料的橫向裂紋產(chǎn)生，從而影響后續(xù)加工，一般采取多頭擠壓方式解決這類矛盾。

(3)釬料擠壓模具的主要失效形式有：粘著磨損、疲勞斷裂和脆性斷裂，一般來(lái)講，將硬質(zhì)合金做成微型擠壓模塊鑲嵌到擠壓模中可以成倍地提高擠壓模具壽命。從宏觀上看，提高模具壽命主要應(yīng)從針對(duì)性設(shè)計(jì)(優(yōu)化結(jié)構(gòu)、選取高溫性能好的材料)、選擇最佳制造工藝(多次試驗(yàn)驗(yàn)證)和合理使用及維護(hù)(根據(jù)要求和制度正確使用)三個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)著手。

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2017-04-06

國(guó)家國(guó)際科技合作計(jì)劃項(xiàng)目(2015DFA50470)

TG425

龍 飛，1993年出生，碩士研究生。主要從事釬焊材料和工藝的研究，已發(fā)表論文5篇。