稀有金属 2004,(01),217-220 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.054

热挤压生产紫铜电脑散热片实验分析

颜建辉 蔡薇

南方冶金学院材料与化学工程学院,湖南科技大学机电工程学院,南方冶金学院材料与化学工程学院 江西赣州341000 ,湖南湘潭411201 ,江西赣州341000

摘 要：

以紫铜电脑散热片产品为研究对象 , 通过对平模、锥模、前置保护分流模和替代式保护分流模等 4种不同类型的模具进行结构和参数优化设计 , 利用热挤压一次成型的方法来进行紫铜电脑散热片实验 , 并用XL 3 0扫描电镜观察前置式保护分流模焊合室和铜型材焊合部位微观组织形貌。挤压结果表明 :平模、锥模和前置保护分流模成型质量较好 , 而替代式保护分流模挤压失败 ;紫铜焊合处没看到明显的焊缝 , 在焊合区得到较为致密的组织 , 与基体组织无明显差别 , 焊合状况较好 ;热挤压一次成型法生产紫铜型材是可行的

关键词：

紫铜电脑散热片;挤压模具;高温挤压成型;焊合质量;

中图分类号： TG376

收稿日期：2003-09-15

Experimental Analysis of Producing Computer Radiator by Hot Extrusion Process

Abstract：

Taking pure copper computer radiating heat product as researched object, hot extrusion processes with four types of special dies were tested. The results show that the extrusion quality of even die, cone die and pre protection die are better, but that of the replace die is worse. The welding quality of pure copper is better and the microstructure is compact through observing the welding microstructure characteristic with SEM. It is feasible to produce other pure copper product by hot extrusion process.

Keyword：

pure copper computer radiator; extrusion die; extrusion forming; welding quality;

Received： 2003-09-15

随着技术的进步, 电脑CPU的主频在不断提高。 主频的提高在提升了电脑运算功能的同时, 也大大增加了发热量, 用紫铜散热片代替铝及铝合金散热片, 可以提高电脑散热效率, 能很好地满足电脑高频工作的要求 ^[1] 。 目前, 随着世界对电脑的需求扩大, 高效紫铜电脑散热器的需求也越来越大, 世界上许多国家也正在致力于用不同的方法来开发和研制紫铜电脑散热器。 因此, 研究和生产紫铜电脑散热器具有较广泛的市场前景, 对国民经济和社会的发展有很大的使用价值。 目前, 铜及铜合金型材只限于一些简单的管、 棒材或铜排, 生产方法一般是用平模挤压实心材或带穿孔针的挤压机生产管材, 或者通过挤压、 轧制、 拉拔等技术来生产 ^[2,3,4] 。 根据作者文献检索, 国内外对一些较复杂的铜及铜合金异型材高温挤压技术成型方面的问题研究较少, 特别是对高效电脑铜材散热片研究尚未见报导。 本文旨在用不同的模具结构对电脑散热片的高温挤压成型作初步探讨性地研究。

1 模具结构特点分析

实验采用较简单的、 带多悬臂结构紫铜电脑散热片产品 (图1) 为研究对象。 由于紫铜高温挤压力较大, 且产品带有大的悬臂, 模具容易在悬臂的根部产生断裂、 压塌等早期失效。 作者设计了以下4种不同的模具结构作探索性比较研究, 模具材质为3Cr2W8V。

1.1 平模和锥模结构

平模和锥模模具结构分别如图2, 3所示。

图1 紫铜电脑散热片产品

Fig.1 Pure copper computer radiating heat product

图2 平模

Fig.2 Even die

图3 锥模

Fig.3 Cone die

1.2 前置保护分流结构

根据产品的特点, 采用2个分流孔的分流模, 模具结构和参数如图4所示。 其特点是在带焊合室的平模前面加上1个分流模 (上模) , 由于分流桥对悬臂的遮挡作用, 承受了部分挤压力, 减少了挤压力对下模悬臂的直接冲击作用, 使下模悬臂的受力大大减小。

1.3 替代式保护分流结构

根据产品截面形状的特点, 采用2个分流孔的分流模。 下模有1个矩形型孔, 没有悬臂。 模芯上设计了4个2 mm的小槽, 它起导流和对产品成型的作用。 这种结构是取消下模的悬臂, 而用上模的舌头取而代之, 在悬臂的根部处, 用上模舌头与下模空腔互相配合, 构成完整的模具结构, 将下模悬臂所受的力全部转换到上模的模桥上, 从而保证了模具悬臂的强度, 型孔是由模芯和下模的模孔共同组成的。 模具结构设计和参数如图5所示。

图4 前置式保护分流模上模 (a) 和下模 (b)

Fig.4 Top die (a) and bottom die (b) of pre-protection type die

2 挤压成型实验

挤压设备为300 t立式油压挤压机。 挤压工艺参数为: 紫铜锭 (Φ85 mm×100 mm) 加热温度 920 ℃, 挤压速度控制在15～25 mm·s^-1之间, 挤压筒加热温度为450 ℃, 模具预热温度为400 ℃。

3 结果与分析

3.1 挤压载荷与行程的关系

图6为4种模具的挤压载荷与行程的关系曲线图。 不论是用哪种类型的模具挤压, 其载荷与行程曲线的形状基本上是一致的。 通过挤压实验可知: 平模在挤压行程达到3 mm左右时, 挤压力达到最大; 锥形模在挤压行程达到7 mm左右时挤压力达到最大; 而前置式模具在挤压行程达到12 mm左右时, 载荷达到最大值。 这3种模具从这一时刻起, 制品开始被挤出。 载荷急剧升高的行程, 是坯料充满模具焊合室和产品刚挤出的过程。 而替代式模具在挤压过程时, 挤压力指针表急剧升高而超过挤压机极限载荷, 金属只是填充满了模具的焊合室, 而产品没被挤压出来, 导致挤压失败。

图5 替代式保护分流模上模 (a) 和下模 (b)

Fig.5 Top die (a) and bottom die (b) of replace type protection die

图6 挤压载荷与行程的关系曲线

Fig.6 Relation curve of the extrusion pressure and the route of travel

(1) 替代式模; (2) 前置式模; (3) 普通平模; (4) 锥形模

3.2 各种模具挤压时挤压力的比较

挤压时实际挤压力如表1所示, 挤压同一产品所需的挤压力因模具结构不同而不一样。 替代式模所需要的挤压力最大, 前置保护分流模次之, 然后是普通平模, 最小的是锥模。

(1) 分流模、 平模及锥模的比较: 从结构上来说, 由于分流模比平模、 锥模多增加分流和焊合2个过程, 故分流模比平模和锥模所需的挤压力要大。

(2) 替代式保护分流模和前置式保护分流模的比较: 替代式模具结构有模芯, 且模芯上有多条成型的小槽, 金属在模芯的小槽中所需填充和焊合的力较大, 在焊合室中成型就比较困难, 所需的挤压力要大。

(3) 普通平模和锥模的比较: 普通平模成型时, 由于在模具的端面与挤压筒和铸锭之间存在较大的“死区”, 阻碍金属的流动, 故挤压力要大; 而锥模的“死区”较小, 锥形腔还可起导流的作用, 故所需的挤压力相对来说要小些。

表1 挤压时实际挤压力  下载原图

Table 1 Actual extrusion pressure

表1 挤压时实际挤压力

3.3 4种类型模具挤压成型状况分析

经前置式保护分流模分流焊合成型后, 用XL-30扫描电镜观察模具焊合室和铜型材焊合部位微观组织形貌, 其焊合部位没有焊缝, 在焊合区可得到较为致密的组织, 与基体组织无明显差别, 焊合状况较好。

通过实验, 各种模具成型情况分析如下: (1) 平模挤出的产品质量基本上符合产品标准, 由于悬臂处直接受到挤压力的冲击作用, 模具的悬臂处出现了轻微的塌陷。 (2) 锥模挤出的产品质量基本上符合产品标准, 虽然悬臂处也直接受到挤压力的冲击作用, 但由于它的挤压力稍微小一些 (相对平模) , 模具的悬臂处未出现明显的塌陷。 (3) 前置保护分流模挤出的产品质量符合产品标准, 模具的悬臂处也未出现任何塌陷及其它变形。 虽然所需要的挤压力较大, 但由于分流桥对悬臂的遮挡起了保护作用, 且承担了大部分压力, 故模具悬臂未出现任何变形。 (4) 替代式模具成型较困难。 其中一套模具出现模具纵向、 横向开裂, 芯头在根部断裂。 主要是由于芯头上有4条小槽, 成型填充困难, 使焊合室的金属流出模孔的阻力增大; 同时由于产品的壁厚悬殊较大, 金属在芯头的四周流动很不均匀, 引起芯头受力很不均匀, 对芯头产生很大的剪切力和扭矩, 导致芯头从根部断裂。 另一套模具芯头根部未产生断裂, 但由于挤压力超过挤压极限负荷, 从而导致挤压失败。

4 结 论

1. 在所设计的4种模具挤压中, 锥模所需的挤压力最小, 平模次之, 然后是前置保护分流模和替代式分流模。

2. 通过减小悬臂承受的压力、 受力面积和转化悬臂的受力形式等结构优化设计, 可以使悬臂的受力和变形减小, 提高了模具的强度, 保证了挤压制品的质量。

3. 通过4种模具挤压实验比较可知: 平模、 锥模和前置保护分流模成型质量较好。 而替代式保护分流模由于紫铜在模芯中的小槽处很难焊合且所需挤压力很大, 导致挤压焊合失败和模具材料开裂。

4. 从用分流模挤压来看, 紫铜在焊合室中是能够完全焊合的, 用XL-30扫描电镜观察焊合室部位和产品焊合处, 其组织致密, 与基体组织无明显差别, 分辨不出焊合缝, 焊合质量较好, 说明用分流模具进行热挤压生产电脑散热器是可行的, 并可推广到挤压其它实心铜材或中空铜材产品。

参考文献

[1] 　文　图.　电脑散热技术 (一) [J].微型计算机, 2002, 14 (7) :31.

[2] 　谢建新, 刘静安.　金属挤压理论与技术[M].北京:冶金工业出版社, 2001.70.

[3] 　张志彤.　我国铜加工产业技术现状及发展对策[J].有色金属加工, 2002, 31 (3) :1.

[4] 　王祝堂, 田荣璋.　铜合金及其加工手册[M].长沙:中南大学出版社, 2002.233