板式换热器常用模具材料及提高模具寿命的研究

文/姚炜莹，齐兴，单林杰，郝开开，刘一凡·上海蓝滨石化设备有限责任公司

模具是制造板式传热元件的主要装备，模具材料不仅直接影响板式传热元件的成形质量，而且制约模具的使用寿命。本文通过对板式传热元件模具材料及提高模具使用寿命技术的研究，掌握选择板式传热元件模具材料的方法及提高模具寿命的核心技术。

面对能源消耗日益增加，世界各国都面对着节约能源、减少能耗的压力。热交换器具有节省能源，减少能耗和保护环境的独特优势，并且在各种行业中得到了很好的支持。板式换热器是一种高能效间壁式换热设备，具有传热效率高、耐腐蚀、不易结垢、便于清理、使用寿命长、结构紧凑等特点,在“双碳”目标下具有长远的发展潜力。

板式换热器的核心部件是波纹板片，由模具冷冲压而成(图1)，波纹板片的形状多样，包括人字形波纹、水平平直波纹和斜波纹等，见图2。随着板式换热器应用的不断扩大，波纹板的材料由最初的不锈钢、铜逐步扩展为超级不锈钢、双相钢、钛材等。由于板材自身的屈强比等金属特性造成板材成形愈加困难，为保证成形可靠性及稳定性，模具选材及寿命在其中起到关键性的作用。

图1 板片压制用模具结构

图2 板式换热器波纹形式

板式传热元件模具材料选择原则

目前市场上常见模具材料可以分为热作模具钢、塑料模具钢、冷作模具钢和玻璃模具钢等。由于这些材料性能各不相同，如果设计模具时选材不当，不但会造成波纹板成形质量差，也会造成模具过早失效、使用寿命短等问题。据统计，因模具材料选择不当导致波纹板压制失效约占总失效数的35%，导致模具过早失效占失效模具数的45%。因此，合理地选择模具材料至关重要。

满足板片成形后性能需求

光板经过冲压成为波纹板后，不仅要求板片减薄量小于板片实际厚度的20%，且表面不允许有微裂纹，同时整张板片也不能出现扭曲、翘曲等。模具材料若是选择不当，会引起上述现象的产生，造成板束组装困难，因此在选择模具材料时应考虑板片成形后性能需求。

满足模具的使用性能和加工性能要求

在模具的使用过程中会受到各种因素的影响，包括工件的塑性变形、模具之间的摩擦力，周期性的冲击力和弯曲应力。这些因素都会对模具的性能产生重要影响。模具材料加工工艺性能主要体现在切削、磨削、抛光、冷拔、淬硬和淬透以及热处理变形等方面。在模具的制造过程中，加工、热处理和装配等费用通常占据了总成本的大部分。

满足经济性要求

在制造模具时，除了考虑多种加工方法外，还应注重模具的经济性，即尽可能减少所需费用，主要包括加工费、原材料费、设计费和专用工具费。因此在选择材料时，设计者应该全面了解整个制造过程，并从多个来源选择经济实惠的材料。

板式传热元件模具选材的具体考虑因素

模具的工作条件

板式传热元件采用一次冷冲压成形，板幅较大，因此模具在工作过程中会受较大的冲击载荷作用以及型腔表面与坯料之间的剧烈摩擦，为了保证模具的良好耐磨性、可加工性，适宜的刚度、强度和韧性，通常会选用冷作模具钢；当材料冷冲压成形较为困难时，也会采用热冲压成形，因模具在工作过程中主要受到温度交变载荷的作用，需具有良好的热疲劳性、热稳定性、回火稳定性，此时通常选择热作模具钢。

模具的结构因素

⑴模具的尺寸。由于板式传热元件尺寸大小随着应用场合不同而发生变化，板宽受压机开档尺寸限制通常在2m以下，板长受压机吨位限制一般在3m以下，因此模具尺寸也各不相同，其中大型模具在进行热处理加工时其受热和冷却速度不均匀，较难淬透，整个截面上的组织和性能不易均匀。⑵模具的精度。由于波纹板的成形质量受模具精度的影响较大，所以我们通常选择能够减小数控加工对其影响甚微甚至无影响的模具钢材料。

模具的应用寿命

一般情况下，开发波纹板冲压模具，若此板型应用前景广泛，则模具材料选择高性能的材料，若是个别项目而言，则采用经济的材料。

模具的制造因素

应根据模具制造时所采用的加工方法和加工工艺的不同，在满足加工工艺性能要求的前提下，还应考虑到加工装备和加工技术水平。

影响板式换热器模具使用寿命的因素

材料性能

板式换热器模具的寿命主要取决于模具材料的性能，而模具材料的选择对于模具的使用寿命也有着重要的影响。在制造模具时，如果使用Cr12MoV 钢，易出现咬合、拉毛的现象以及无法热处理等问题，将导致传热元件波深不符合要求、板片不平整、翘曲、模具寿命短等情况。如果采用42CrMo 型钢等硬质合金材料就能减少上述缺陷的发生，从而提高板式传热元件成形精度，延长模具寿命。

模具材料的硬度

模具材料的硬度通常是指抗压强度、耐磨性以及抗咬合能力，若硬度过高，不仅会导致材料韧性减弱，而且也会导致冷热疲劳抗力和磨削性能减低，进而导致模具断裂、变形和磨损等问题。若模具硬度过低，则会导致板片波纹深度达不到标准值、板片成形质量与理论状态相差甚大，甚至板片无法成形，因此模具硬度必须进行适当控制。在板式传热元件模具中，常见的故障类型包括模具断裂、变形和磨损，这些故障通常是由硬度过高引起的。

模具材料的冶金质量

模具材料的冶金质量对模具性能影响巨大，特别是对于含碳和合金元素含量较高的材料制成的大型模具，这些因素会导致非金属同化化学成分不均匀、碳化物偏析、非金属夹杂物等问题，从而容易导致高碳高合金钢模具淬裂而造成微裂纹，经过热处理后形成较大的裂纹。因此选择合适的模具材料和设计方案对于保证模具的高质量和可靠性至关重要。

模具的热处理工艺

模具热处理方式主要包括软化退火、消除应力退火、淬火和回火、析出硬化、渗氮处理等。上述热处理方法对模具性能和使用寿命都有重要影响，热处理不当会导致淬火变形、开裂和早期断裂。截至目前，板式传热元件模具的热处理往往在精加工完成后进行，之后进行抛光修模，确保模具的性能和使用寿命。

模具加工工艺

板式传热元件模具的制造通常需要使用切削和磨削两种技术来完成。加工工艺是制造板式传热元件模具的关键因素，它会影响模具的耐磨性、断裂抗力和强度，如果加工方法和工艺不当，模具的质量可能会受到影响。因此，在生产过程中，我们必须确保加工工艺的正确性和质量。

⑴切削加工的影响。若模具的切削加工处理不当会造成模具表面粗糙，影响产品成形质量。⑵磨削加工的影响。如果磨削加工处理不当，或许会造成磨削裂纹以及磨削烧伤，这将降低模具的疲劳强度和抗断裂性能。

提高模具使用寿命的关键因素

影响板式传热元件模具寿命的因素繁多，因此进行板式换热器模具设计时需全方位考虑，争取设计出性价比最高的模具以确保其经济实惠。

正确选择模具材料

由于板式换热器传热元件是通过上下模的相互挤压而成的，且上模的工作载荷比下模更苛刻，上模比下模材料的材质要求更高。因此选择模具材料应以上模的要求来确定。

合理的结构设计

在实践及生产过程中，模具的使用寿命与合理的结构设计息息相关。模具设计时应注重精确导向，并且充分考虑上下模间距，如果设计间距不合理，将导致上下模具局部咬合过度，加剧磨损，降低使用寿命。

严格的模具制造及装配工艺

模具的使用寿命与模具制造及装配工艺之间紧密相连，通常来说，模具制造精度越高，其使用寿命也就越长。在装配模具时，我们必须严格控制上下模之间的间隙，以减少磨损。这样可以确保模具的质量和精度。

正确的冲压模具使用

经过大量的分析及实践表明，选用高精度液压机和合适的压制力都可以有效增加模具的使用时间。

良好的润滑条件

润滑是冲压过程工艺中不可或缺的环节，它不仅能够保证成形质量，提高表面精度，还能减缓模具磨损，减少摩擦热和缓冲压力，延长模具的使用寿命。冲压过程中的润滑通常采用冲压件表面覆膜、模具表面加工涂层等方式。

正确的维护

板式换热器模具使用完后，首先应对模具全面进行检查，明确上下模的磨损程度、波纹形状是否完好无损以及是否因冲压而造成模具变形，若模具有上述缺陷，采用油石、砂纸、补焊等适当的办法进行修补或者重新加工修模。若无上述缺陷，则可采用给整套模具涂抹润滑油、薄膜包覆等方式防止模具生锈，延长模具使用寿命。

其次，模具必须严格按照放置要求进行存放，以下2 点需要注意：⑴上下模之间保留足够的间隙，间隙大小以模具材质及模具使用要求为准，这样做可以最大程度保护模具刃口，以避免其损坏；⑵若模具长期不使用，必须密封保存，妥善保护。

板式传热元件模具材料的选择

综合上述的模具材料选择原则、具体考虑因素以及市场上现有的模具材料，若板片形状复杂、截面尺寸较大则选用高碳高铬模具钢，如Cr12、Cr6WV、Cr4W2Mo 等钢。若模具使用频率低，产品质量要求不高时也可选用12CrMo、15CrMo 及低碳钢材料等；如果模具形状简单且尺寸在300mm×300mm以内，可选择使用Cr12MoV 等模具钢，但是，如果模具外观质量要求较高，并且板片原材料硬度较高，成形较为困难、平整度差，可选用具有高镜面抛光性能的进口钢材，例如P20+Ni 和NAK80 等，不需要后续热处理。若波纹板为双相钢、超级不锈钢等材料，成形困难、平整度差，也可采用热作模具钢进行热冲压成形，常用模具材料如3Cr3Mo2MnV、5Cr4Mo2W2VSi、5Cr4WMo2V 等。

结束语

总之，选择合适板式传热元件模具材料能有效的保证成形可靠性、稳定性以及成形精度，还能有效的延长模具寿命，降低制造成本，为板式换热器的生产制造奠定坚实的基础。