不銹鋼管擠壓工模具用材料的選擇，主要應(yīng)采用既具有較高的韌性，又有足夠高的強(qiáng)度的材料來制造。其綜合性能應(yīng)保證擠壓工模具對動負(fù)荷和熱疲勞所必需的抵抗能力。優(yōu)質(zhì)的不銹鋼管擠壓工模具材料應(yīng)具備在1000℃以上的溫度下，具有最高的熱強(qiáng)性，優(yōu)良的導(dǎo)熱性，小的熱膨脹系數(shù)，并且易于切削加工，便于修復(fù)處理，且資源豐實(shí)，成本低廉。

  在擠壓機(jī)和穿孔機(jī)主要的工模具中，擠壓筒和穿孔筒內(nèi)襯工作時承受著很大的徑向張應(yīng)力，工作溫度達(dá)到400~550℃,其表面溫度可能更高，經(jīng)常使用水冷。高壓下的沖擊性負(fù)荷和高溫下的冷熱頻繁交替的變化，容易引起材料的脆性損壞。擠壓芯棒和穿孔頭的工作條件最為嚴(yán)酷，其被高溫坯料所包覆，溫度迅速升至600℃以上，并且又急速的水冷（內(nèi)冷或外冷），也易引起材料的熱脆性。擠壓膜的工作條件尤其惡劣，一直處在高溫高壓下，承受著金屬變形流動時的摩擦力和沖擊力，材料極易損壞。擠壓桿和鐓粗桿，雖然工作時不和高溫坯料直接接觸，其工作溫度不高，一般端部溫度不超過350℃,但其承受著最大的軸向負(fù)荷，一般為470~1260MPa,故材料要求具有高的強(qiáng)度，一般要求σ_b>1260MPa.目前所用材料的σ_b>2360MPa.

  因此，在選擇工模具用材料時，提出了如下基本要求：1. 在高溫高壓下，材料應(yīng)具有較高的強(qiáng)度；2. 材料的硬度要高，耐磨性良好；3. 材料應(yīng)具有高的沖擊韌性；4. 材料的熱膨脹系數(shù)要小，以確保擠壓制品的尺寸精度；5. 材料的導(dǎo)熱系數(shù)大，以免使用時工模具局部回火。

一般用作鋼管熱擠壓工模具鋼有以下幾類:

1. 鐵基合金

  鐵基合金主要是耐熱工具鋼、熱模鋼等，如Cr-Mo鋼、9%W鋼、Cr-W鋼、Cr14-Ni14鋼等。其中，5CrNiMo和5CrMnMo等用于制作擠壓筒和穿孔筒內(nèi)襯，以及模座、壓力墊等工作條件不十分繁重的工模具。

  W9Cr4V2 鋼用來制作擠壓不銹鋼管用的模子效果較好，經(jīng)熱處理后其硬度達(dá)到HRC49~51,較為合適。但因這種鋼塑性較差，模子棱角易碎裂，目前國外已普遍采用H11~H13鋼作為制造擠壓模的材料。

  3Cr2W8V、4Cr4W8MoV 熱模鋼通用性好，使用較為廣泛。用于制作擠壓桿、鐓粗桿、芯棒、穿孔針以及穿孔頭、連接件等，也用于制作擠壓模。其性能穩(wěn)定，耐磨性好，易加工，并且價格便宜。一般用作擠壓模的使用壽命為40~60支／只。但其中4Cr4W8MoV鋼較脆。

  4Cr14Ni4W2V鋼，由于高鉻鎳含量和含有少量W、V元素，使材料性能較好。用于制造擠壓溫度較高的特種材料的擠壓模，但材料的價格較貴。

 對于以上擠壓工模具的材料，一般的選擇是：

  擠壓溫度t_擠 =1130~1200℃ 擠壓不銹鋼管時用含有5%Cr-Mo鋼，如英國曾用含4.25%W-Cr-Co-V-Mo鋼，硬度HRC為56.

  擠壓溫度t_擠 =1200~1275℃ 擠壓不銹鋼管時用含有9%W鋼的效果良好，如德國和英國曾用此鋼制作擠壓模，硬度HRC為49~50,但其塑性較差，模子棱角容易碰碎。

2. 鎳基耐熱合金

  鎳基耐熱合金，如Nimonic 90 (含18%~21% Cr,15%~21% Co,少量的Ti、Al、Fe、C等，余量為Ni).在高溫高壓下，材料強(qiáng)度高，變形的傾向性小。但其價格較貴，一般僅用于制作擠壓貴重金屬用的擠壓模。

3. 鉬及鉬基合金

  近年來，鉬及鉬基合金被用于制作擠壓?；蚪M合擠壓模的模環(huán)。美國于1959年開始使用鉬基合金擠壓模。

  鉬及鉬基合金具有良好的模具特性，如其熔點(diǎn)高達(dá)2625℃,且具有高的再結(jié)晶溫度和良好的高溫力學(xué)性能（圖7-59).同時，鉬模比鋼模的熱傳導(dǎo)率要高得多，使得熱擠壓時熱量可以很快從模具表面散去，這就使鉬模的表面永遠(yuǎn)達(dá)不到鋼模表面所經(jīng)受的那么高的擠壓溫度。而在擠壓時的模具表面溫度越低，則其變形強(qiáng)度越高。因此，鉬模表面的變形量將會減少。此外，在擠壓過程中，當(dāng)鉬模的溫度升高時，在鉬模表面上形成一種鉬的氧化物（MoO₃)薄膜，這種MoO₃氧化物在796℃溫度時熔化，并與鉬起反應(yīng)而形成一種較低熔點(diǎn)（777℃)的氧化物MoO₂,在擠壓時能起潤滑劑的作用。因而減少了在擠壓時引起的模具的磨損量，同時可以減少模具的整修工作量，提高了擠壓模的使用壽命。

  從圖7-59看出，鉬在704℃以上溫度時，具有比耐熱模具鋼高得多的拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，因而其變形強(qiáng)度比耐熱模具鋼高。因此，鉬具有較小的被變形沖刷的傾向。但是，在704℃以下，耐熱模具鋼的變形強(qiáng)度超過鉬。可見鋼模的體積穩(wěn)定性高于鉬模。因此，在模具設(shè)計(jì)時，可采用型箍（模套）構(gòu)成的組合模結(jié)構(gòu)，提高鉬模的剛性，使擠壓時鉬模不致造成因變形而損壞，而輕微的鉬模變形則可以補(bǔ)償鉬模工作表面的磨損。

  圖7-60所示為純鉬和鉬合金Mo-Legierung的高溫強(qiáng)度比較。由圖7-60可知，與純鉬相比較，鉬合金的高溫強(qiáng)度高，因而其耐壓性和耐磨性較好。在1000℃高溫下，MTZ-2合金的熱導(dǎo)率為113W/(m·K),熱膨脹系數(shù)為4.0×10-⁶℃,為Nimonic 90合金的3倍，在1300℃時高溫強(qiáng)度比純鉬高3倍。

  在任何情況下，一定的模具尺寸在經(jīng)上百次的擠壓之后，都會有一定的擴(kuò)大，而鉬模多次使用后的輕微變形對鉬模的使用壽命是有利的。鉬模使用過程中因變形而產(chǎn)生的收縮量，取決于模具的孔型設(shè)計(jì)和擠壓時的單位壓力的大小。

  鉬模抵抗溫度急劇變化的能力要比耐熱模具鋼差。但鉬模在使用前，經(jīng)過預(yù)熱之后，將使其具有相當(dāng)高的抵抗溫度急劇變化能力。

  鉬及其合金的室溫硬度低（HRC=16~23,HRB=207~241),因此很容易進(jìn)行切削加工。

圖7-61所示為各種擠壓材料的瞬時熱強(qiáng)度比較。圖7-62所示為各種材料擠壓模的成本比較。

  現(xiàn)介紹已開發(fā)的3種鉬基合金的化學(xué)成分及熱強(qiáng)度（圖7-63):WZM合金（2.5% W,0.1% Zr,0.03% C,余量為 Mo);TZC合金（1.25% Ti,0.3%Zr,0.15% C,余量為Mo);TZM-Nb合金（1.5% Nb,0.5% Ti,0.3% Zr,0.1% C,余量為Mo).

 由圖7-63可知，已開發(fā)的3種鉬基合金具有更高的高溫強(qiáng)度，如WZM合金在1100℃溫度時，其σb=630MPa,持久強(qiáng)度（100h)為550MPa.

 國外已普遍在擠壓機(jī)上采用鉬合金組合擠壓模。德國施維爾特?cái)D壓廠在18MN(1800t)擠壓機(jī)上，擠壓普通結(jié)構(gòu)鋼的型材時，擠壓溫度為1250~1260℃,擠壓比為16~57,制品長度為8~13m,

 每分鐘擠壓1支。鉬模的使用壽命達(dá)184次／只。美國瓊斯·拉弗林?jǐn)D壓廠在15MN(1500t)擠壓機(jī)上采用坯料的直徑為102~129mm,擠壓比為10~48,采用鉬模擠壓不銹型材（圖7-64)時，最高使用壽命達(dá)到了210和308次／只。圖7-65所示分別為擠壓生產(chǎn)使用了210次和308次之后的鉬模狀況，可以看出使用后的鉬模在每一個孔型上伸出的尖端部分出現(xiàn)輕微的磨損。由于擠壓這兩種型材時的擠壓比比較小，分別為λ＝16和λ＝10,因此，在使用后的鉬模上顯示有很小的變形或收縮。

  對于使用后的鉬模進(jìn)行硬度和金相觀察結(jié)果顯示，鉬模的抗磨性能，主要并不是取決于鉬模在擠壓時由于在再結(jié)晶溫度以下引起變形的冷作硬化和顯微組織變化的結(jié)果，而使鉬模具有較長使用壽命的主要特性，而是在擠壓溫度下鉬模材料具有高的變形強(qiáng)度。

  使用經(jīng)驗(yàn)證明，采用鉬合金的組合模，與使用整體式擠壓模相比較，其成本降低30%~40%.

 從組合模的結(jié)構(gòu)來看，采用由鉬合金模環(huán)（孔型）和型箍（模套）組成的預(yù)應(yīng)力組合模，即在承受單向高應(yīng)力模環(huán)上，通過型箍（模套）以壓配合的方法，從相反的方向上向模環(huán)（孔型）施加預(yù)應(yīng)力，形成預(yù)應(yīng)力組合擠壓模。這樣既可以提高擠壓模的使用壽命，又能提高擠壓制品的精度。

4. 鈷基合金

 鈷基合金具有良好的耐腐蝕性能、高的耐磨性和硬度，并且耐熱性良好。鈷基合金的熱膨脹系數(shù)較大。

 常用的鈷基合金有兩種，其化學(xué)成分見表7-10.

上述兩種鈷基合金擠壓模都是澆鑄合金模，第1種模子的硬度為HRC54,第2種模子的硬度為HRC 47.兩種鈷基合金模子的高溫強(qiáng)度如圖7-66所示。鈷基合金模子在使用前應(yīng)緩慢地預(yù)熱到500~600℃,防止因熱膨脹過快而引起裂紋。

5. 其他難熔金屬和金屬陶瓷

  其他的難熔金屬，如鈳、鉭和鎢同樣具有模具特性。鉭和鎢具有比鉬高的再結(jié)晶溫度，但鉭的價格高，而鎢加工困難，都難考慮用作擠壓模具。鈳的再結(jié)晶特性與鉬相類似，且鈳合金能夠達(dá)到與鉬合金類似的高溫性能，而價格可能會稍比鉬合金便宜。因此，鈳有可能作為熱擠壓模具的材料。此外，金屬陶瓷和鎢雖然加工困難，但用于制作組合擠壓模的模環(huán)，可以達(dá)到較高的使用壽命，必要時可做此選擇。一些模具鋼的化學(xué)成分見表7-11,俄羅斯一些擠壓和穿孔工模具材料選用范例見表7-12,國外擠壓工模具用材料的選擇見表7-13和表7-14.

 不銹鋼管熱擠壓時，由于工模具與高溫坯料的接觸時間比較長，同時又受到高擠壓力的作用，因此，對于制作不銹鋼管擠壓工模具的材料必須要求具有高的高溫抗軟化能力，耐磨性，擠壓時不產(chǎn)生變形，高的韌性，不產(chǎn)生裂紋和具有良好的耐熱性，抗龜裂性能。

 表7-15所列為日本在鋼熱擠壓時所選用的工模具鋼及其性能。其中，擠壓模、芯棒、擠壓墊、擠壓筒和穿（擴(kuò)）孔筒內(nèi)襯套等模具直接與高溫（1000~1250℃)坯料接觸，并承受高的穿孔和擠壓壓力，一般采用SKD6、SKD61、H12等含硅量較高的Cr-Mo-V系列的工具鋼，而不采用SKD4、SKD5等W-Cr-V系列的鋼。表7-16所列為部分鋼號的化學(xué)成分。

  一般情況下，鎢系工具鋼，由于較高的鎢含量，在600~650℃的高溫下，具有良好的耐熱強(qiáng)度和耐軟化阻力，并且抗磨性能良好。但因?yàn)槠浜辖鸷枯^高，使鋼的韌性降低，而且在急冷急熱的條件下，容易產(chǎn)生裂紋缺陷。為了提高材料的韌性，工具要進(jìn)行水冷或油冷。故這類工具鋼不適用于表面溫度急劇變化的使用場合。而即使在使用這類工具鋼的情況下，在工具冷卻時必須保持連續(xù)性和緩慢的冷卻方式。對于小型工具，要防止可能引起的空冷硬化，通過熱處理可使工具的變形比油冷小，相對提高了韌性，也即提高了耐熱龜裂性能。一般而言，這類鋼的淬火溫度越高，其高溫硬度也越高，而導(dǎo)致韌性和耐熱龜裂性能可能會降低。對于SKD4、SKD5等鋼種，由于在大約600℃溫度下會產(chǎn)生二次析出硬化現(xiàn)象，則為了獲得所要求的硬度，一定要采取一種較高退火溫度的熱處理。

  鉻系工具鋼是一種以5%Cr為主要成分，并加入Si、Mo、V等合金元素的鋼種，如SKD6、SKD61等相當(dāng)于這類鋼。但也有采用H12等加入1%左右W的鋼種。這類鋼種除了具有良好的淬火性能，能夠空冷硬化，且熱處理變形非常小的特點(diǎn)之外，還具有較高的韌性、受熱沖擊強(qiáng)度較高、耐熱龜裂性能較好等優(yōu)點(diǎn)。只是鋼的熱強(qiáng)度和紅硬性較鎢系工具鋼略低。作為在500~600℃操作溫度下使用的工具，用途很廣。尤其是與SKD4、SKD5等鋼相比較，即便是用于較大型的工模具，也可以空冷硬化，并得到高的硬度。

  值得注意的是，鎢系工具鋼和鉻系工具鋼一樣，脫碳或滲碳都會導(dǎo)致其耐熱龜裂性能的惡化，因此，在熱處理時應(yīng)十分注意。

  擠壓模、擠壓芯棒、穿（擴(kuò)）孔頭采用表面鍍鉻，對于提高其使用壽命，提高制品的表面質(zhì)量是一項(xiàng)有效的措施。此外，也有對擠壓工具表面進(jìn)行高溫噴鍍氧化鋁、二氧化鋯等。但由于噴鍍層的邊界部分的強(qiáng)度和熱沖擊以及噴鍍層易于剝落等技術(shù)問題，導(dǎo)致這些措施沒有獲得預(yù)期的效果。

  同時，還有采用將金屬氧化物、硼化物、碳化物等粉末在1500~2200℃溫度下，以9072MPa的高壓力成型法制成的陶瓷擠壓模，將AISI 4340鋼在1200℃溫度下，以擠壓比為80進(jìn)行擠壓加工，得到了良好的效果。表7-17所列為日本用作擠壓模時使用效果良好的陶瓷材料。