在挤压不锈钢管过程中,挤压模封闭挤压筒的一端,挤压模的型腔形成挤压产品的外形轮廓。挤压时,挤压模与被加热到1200℃以上高温的金属长时间地直接接触,金属由挤压模中流出时产生很高的单位压力研磨挤压模的表面,挤压模附近变形区对玻璃润滑剂的抑制,不锈钢管挤压模冷却的困难等所有这一切工况,使用于制造挤压模的材料处于极其严酷的工作条件下。因此,为了保持产品尺寸的稳定性,除了满足上述条件之外,挤压模本身的结构设计,对其轮廓的稳定性、降低金属流出模孔时的单位压力、减小挤压成品的表面废品起着决定性的影响。
不锈钢管挤压模的设计,不仅仅在于布置产品的轮廓尺寸,而且必须对挤压模就像在严酷的热机械负荷作用下工作的机械零件一样做出整体设计。例如,对于挤压模入口锥角或者入口部分的圆角半径稍做改变,就能引起总挤压力的急剧变化,其变化范围可以达到25%,从而将大大地增加或减小了挤压模上的总负荷,直接影响到挤压模的使用寿命。表 7-6 为挤压模入口加工情况和挤压力的关系。
挤压不锈钢管时,从模子中流动的金属以高达10m/s的滑移速度流动,虽然在挤压模和高速流动的金属之间有着润滑层,但模子工作带的表面金属仍产生非常高的温度。通过金相分析可以确定,当挤压碳钢和合金钢时,此温度超过模子材料的相变温度。
在对采用3Cr2W8V热模钢制造的挤压模,经挤压后因磨损而报废的挤压模的断面上进行的金相观察时,结果显示,深度达0.5~1.5mm处的金属,具有硬度HRC为50~52的马氏体组织。从其溶解过剩的残余碳化物相的分析证明,在此处产生的温度不低于1000~1100℃.沿模子的断面较深处的硬度HRC下降到28~32,这证明其被加热的温度已达到材料的临界温度,即750~800℃.然后随着模子断面深度的增加,硬度平稳地提高到开始使用模子时的原始硬度。挤压模工作带部分的材料被加热到超过临界温度,并引起金相组织结构转变的温度影响区域的总深度。根据模子的材料、工作条件和使用寿命的具体情况可能在5~10mm波动。
另外,从挤压模的喇叭口向工作带过渡的半径处受到最大的加热和磨损。这表现为逐渐地研磨,形成划道、沟槽以及表面粗糙(图7-24).对挤压型材采用组合模时,模环的凸出的较厚的部分,如筋、舌等的热量难以传导扩散,且被高速流动的金属强烈地冲刷而破坏(图7-25).挤压模的机械磨损形式使模环的金属被挤压管软化和带走而流失。据统计,平均挤压40次以后,使用的模环重量由于磨损流失要减小7%~10%。
在立式挤压机上,挤压模在使用过程中的软化变形,可以通过校准工序来校正,即采用压入专门的定径芯棒的方法,恢复模环或整体模工作带的名义直径,以此达到对于因磨损引起模环直径局部改变的补偿。挤压时模环内径减小的变形,既是由于表面层金属塑性流动所形成的焊瘤,也是由于其向挤压方向挠曲变形的结果。用校准法可周期性地经过5~10次或更多次的恢复和挤压。因此,模环的校准工序在一定范围内提高了其使用寿命。
在卧式液压管型材挤压机上,没有模环的校准工序,模环使用时不允许出现变形。因此,要求其具有HRC=43~48或更高的硬度指标。
模环在温度很高的条件下工作,要求其采用具有高的耐热性钢和材料来制造,特别是在挤压耐热和难熔合金管以及长度较长的不锈钢管和异形材的情况下。