專利名稱：模塊化擠壓模具的制作方法
模塊化擠壓模具本發(fā)明涉及擠壓工具或模具，所述擠壓工具或模具用于擠壓金屬材料，特別是鋁或其合金的材料，或者其它非鐵金屬例如Cu及其合金。擠壓是用來產(chǎn)生固定橫截面輪廓的實心或空心物體的工藝。材料被推送通過期望橫截面的模具。擠壓工藝相對于其它制造工藝的兩個主要優(yōu)點是其產(chǎn)生非常復(fù)雜的橫截面和具有優(yōu)良表面光潔度的成品零件的能力。模具會經(jīng)受磨損，這取決于材料被擠壓的過程以及溫度等，并且已進(jìn)行了許多嘗試以便改善擠壓模具的壽命，例如通過選擇適當(dāng)?shù)哪＞卟牧?、熱處理?或用不同類型的涂層諸如CVD或納米顆粒型的涂層涂覆模具。從US-04169366可知用于擠壓金屬、特別是鋁的空心型材或半空心型材的擠壓裝置。該設(shè)備具有突出到模具開口中的至少一個芯軸(mandrel)支撐體，其中芯軸頭部是通過連接裝置在芯軸支撐體上保持就位的特殊鑲嵌件類型。US-04773251涉及兩部分模具，其一部分包括定徑帶(bearing)且另一部分是支撐體。這種技術(shù)方案的特征表現(xiàn)為使用粉末冶金技術(shù)將兩個模具部分原子級結(jié)合在一起。 此外，“支撐體”部分(不帶有定徑帶的那個部分)在材料選擇方面被相對模糊地定義為“具有與定徑帶(bearing)容納部分的金屬材料不同的組成的堅韌非延性耐熱鋼”。
JP-06315716還涉及具有工具的擠壓模具，該工具包含由Ni基合金制成的材料并且在熱處理之后具有超過HRC 33的硬度。使用此類合金的目的是防止Zn滲透到工具中， 即防止鋅脆化。此外，CN-201287153示出了一種鋁型材擠壓模具，其中模具工具，即形成擠壓型材開口的部分，是可替換的且由耐磨損材料制成。本發(fā)明提供了一種擠壓模具，其中壽命被相當(dāng)顯著地延長，并且其中相應(yīng)地降低了更換和維護成本。在本申請人的多個鋁擠壓設(shè)備中執(zhí)行的測試顯示選擇Ni基超合金作為根據(jù)本發(fā)明的模具材料減少了嚴(yán)重開裂并改善了模具壽命，在需要模具部件的替換或維護之前，從一 /兩百個擠壓坯料改善至一千或更多個擠壓坯料。本發(fā)明的特征在于如在所附的獨立權(quán)利要求I中限定的特征。在從屬權(quán)利要求2-7中進(jìn)一步限定了本發(fā)明的有利實施方案。下面將以舉例的方式并參考附圖
來進(jìn)一步描述本發(fā)明，其中圖I示出根據(jù)本發(fā)明的擠壓模具的實施例，a)截面圖中的組裝模具，b)展開圖中的相同模具，圖2以更大比例示出了圖Ia)所示的模具腔之一的橫截面部分。圖3示出Manson-Coffin坐標(biāo)圖，該圖在對數(shù)_對數(shù)圖上描繪了根據(jù)本發(fā)明的具有超合金的疲勞特性、用于擠壓模具的最常見工具鋼的塑性應(yīng)變范圍相對于至失效循環(huán)數(shù)的線性關(guān)系。如上所述，擠壓是用來產(chǎn)生固定橫截面輪廓的實心或空心物體的工藝。附圖示出用于擠壓空心型材的擠壓工具或模具I的實施例，下面將對其進(jìn)行進(jìn)一步解釋。如圖Ia) 和b)所示的擠壓模具I包括一個橋式模具本體2和一個板式模具本體3，每個分別具有兩個腔4、5，并且每個腔進(jìn)一步以鑲嵌件6、7限定了開口。如圖I所示的模具代表了被定義為能夠同時并行地擠壓兩個型材的兩腔模具。然而，擠壓模具根據(jù)形成擠壓產(chǎn)品的模具開口的類型、形狀(設(shè)計)和尺寸以及擠壓設(shè)備的容量(壓頭和塊一圖中未示出)可具有單腔或三腔或更多腔類型。圖2以更大比例并在橫截面中顯示了圖Ia)所示的模具腔4、5中的一個。兩個模具本體2、3處于組裝條件下，由此橋式模具本體2上的芯軸部分10部分地突出到模具板3 中的腔5的開口中，使得在該芯軸與模具3中的腔開口 5之間形成開口 11。待擠壓的材料被壓迫通過此開口 11，從而形成最終的擠壓空心產(chǎn)品的形狀。對于本發(fā)明，芯軸10由獨立的芯軸鑲嵌件6制成，該芯軸鑲嵌件6借助螺釘8連接到橋式模具本體2。另一方面，根據(jù)本發(fā)明，模具板3中的開口由獨立的定徑帶鑲嵌件7制成，該定徑帶鑲嵌件也借助第二螺釘9連接到模具板3。作為借助螺釘9進(jìn)行連接的替代，作為替代方式，定徑帶鑲嵌件7可以被熱嵌配合到模具板3開口 5中的凹部中。本發(fā)明的基本思想是選擇不同的材料并且在擠壓模具的適當(dāng)區(qū)域中組合利用這些材料，從而符合一側(cè)上的熱機械要求(solicitation)以及另一側(cè)上的摩擦學(xué)要求。
在強的熱機械要求的區(qū)域中(螺變-低循環(huán)疲勞機制)，模具的第一“模件”由超合金制成，所述模具包括橋式本體2和/或模具板本體3，如上所述，這取決于其是空心型材還是實心型材。特別地，所述超合金是基于a)鎳、b)鈷或者c)鐵?？梢苑謩e如下定義鎳基超合金、鈷基超合金和鐵基超合金的范圍 鎳基超合金Ni (最少39%，最多78%)，F(xiàn)e (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%)鈷基超合金Co (最少34%，最多50%)，Ni (最少10%，最多29%)，F(xiàn)e (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%)鐵基超合金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%)上面定義的超合金或高性能合金是表現(xiàn)出良好的表面穩(wěn)定性、抗腐蝕性和抗氧化性、以及高溫下優(yōu)異的機械強度和抗蠕變性的合金。超合金通過固溶強化或析出硬化來產(chǎn)生高溫強度大致上，超合金的高溫強度取決于強化性晶間二次相的量和分布，該強化性晶間二次相在鎳基超合金的情形中為Y’并且在鈷基超合金的情形中為碳化物。超合金在寬的溫度范圍內(nèi)維持強度，這對于高溫應(yīng)用而言具有吸引力，其中鋼將由于熱致晶體空位而屈服于蠕變?？谷渥冃匀Q于減小晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的位錯速度。存在于鎳和鎳-鐵超合金中的體心立方體Y ’相[Ni3(Al，Ti)]對位錯產(chǎn)生阻礙。諸如鋁和鈦的化學(xué)添加物會促進(jìn)Y ’相 (Y ’)的產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^退火來最終控制Y ’相的尺寸?？梢源嬖谠S多其它元素；鉻、鑰、 鎢、鋁、鋯、鈮、錸、碳或硅是一些例子。
關(guān)于鈷基超合金，在固溶強化的結(jié)構(gòu)中采用顯著量的難熔元素，諸如鉻、鑰或鎢。 這些溶解物具有抑制的恢復(fù)能力且它們阻礙位錯移動。在晶界處析出的碳化物阻止晶界滑移并產(chǎn)生高的破裂壽命。其它關(guān)鍵的材料性質(zhì)是疲勞壽命、相穩(wěn)定性以及抗氧化性和抗腐蝕性。通常，由于增加的滑動阻力和增強的應(yīng)變硬化能力，預(yù)料固溶強化合金具有強的抗疲勞開裂性。通常，高溫疲勞可被認(rèn)為是循環(huán)蠕變破裂過程。因此，先前描述的顯微組織、蠕變變形與破裂之間的關(guān)系是適用的。關(guān)注于抗腐蝕性和抗氧化性，通過形成保護性氧化層來提供抵抗環(huán)境影響的強耐受性，該保護性氧化層是由諸如鋁和鉻的元素形成的，當(dāng)所述金屬暴露于氧并包封所述材料時形成，因此保護部件的其余部分。S卩，但非窮舉性地，下面在表I中用其UNS、ISO或AFNOR規(guī)范標(biāo)識的合金是落入上述類別的例子。出于說明性目的，該表包含了這些合金的公認(rèn)商品名之一。表I :本發(fā)明所涵蓋的高溫性能超合金的主要列表
權(quán)利要求
1.用于擠壓金屬材料的擠壓工具或模具，所述金屬材料特別是鋁或其合金的材料，或其它非鐵金屬諸如Cu及其合金，該模具是包括具有腔(4、5)的模具本體(2、3)的模塊化類型，所述腔提供有鑲嵌件(6、7 )，其特征在于 包括模具本體(2、3)的具有強熱機械要求的模具區(qū)域由鎳基、鐵基或鈷基超合金制成，而包括鑲嵌件即芯軸(6)和/或定徑帶(7)的具有強摩擦學(xué)要求的模具區(qū)域由耐磨材料制成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的擠壓模具，其特征在于 該模具是兩腔或更多腔模具。
3.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的擠壓模具，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% 的鎳基超合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的擠壓模具，其特征在于 所述合金是鈷基超合金包含 Co 34-50wt%, Ni 10_29wt%、Fe3_26wt%、Cr 3_22wt%、Al0.0-6wt%)、Nb 0. 0-3wt%、W 0. 0_15wt%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I和2所述的擠壓模具，其特征在于 所述合金是鐵基超合金，包含 Fe 42-74wt%、Ni 0. 0_38wt%、Cr 0. 0_20wt%、Al0.0%-5wt%>Co_15wt%、Mo 0. 0%_5%、Nb 0.0_5wt%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5所述的擠壓模具，其特征在于 所述耐磨材料是高速工具鋼、析出硬化鋼或高合金熱加工鋼以及通過標(biāo)準(zhǔn)鍛造工藝、噴霧成形技術(shù)或用粉末冶金技術(shù)獲得的合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6所述的擠壓模具，其特征在于 所述耐磨材料通過表面滲氮或類似工藝被表面硬化，或者提供有表面涂層，所述表面涂層基于化學(xué)氣相沉積(CVD)、等離子體輔助/增強化學(xué)氣相沉積(PACVD/PECVD)、物理氣相沉積(PVD)或其它噴涂工藝諸如火焰噴涂、冷噴涂/高速、等離子體噴涂或高速氧燃料噴涂。
全文摘要
用于擠壓金屬材料的擠壓工具或模具，所述金屬材料特別是鋁或其合金的材料，或其它非鐵金屬諸如Cu及其合金。該模具是包括具有腔(4、5)的模具本體(2、3)的模塊化類型，所述腔提供有鑲嵌件(6、7)。包括模具本體(2、3)的具有強熱機械要求的模具區(qū)域由鎳基、鐵基或鈷基超合金制成，而包括鑲嵌件即芯軸(6)和/或定徑帶(7)的具有強摩擦學(xué)要求的模具區(qū)域由耐磨材料制成，所述耐磨材料可以是高速工具鋼、析出硬化鋼或高合金熱加工鋼或者是提供有涂層諸如納米顆?；駽VD的任何適宜的鋼類型。
文檔編號B21C25/04GK102712021SQ201180005847
公開日2012年10月3日 申請日期2011年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月12日
發(fā)明者M·布拉藤, M·帕斯夸隆, R·F·迪克森 申請人:諾爾斯海德公司