我國硬質(zhì)合金模具的技術(shù)現(xiàn)狀與市場分析
2014-9-16 9:12:49 點擊：
我國硬質(zhì)合金模具的技術(shù)現(xiàn)狀與市場分析
硬質(zhì)合金自本世紀(jì)20年代初由德國科學(xué)家發(fā)明以來，以其“widia”（似金剛石）的名稱面市，并首先制作鎢絲拉伸模得到工業(yè)應(yīng)用，取代了當(dāng)時價格昂貴的金剛石拉伸模。我國硬質(zhì)合金起步雖晚，但發(fā)展迅速。目前，硬質(zhì)合金模具基本上已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。從近幾年發(fā)展情況來看，我國硬質(zhì)合金模具的研究和設(shè)計的理論已更深入也更科學(xué)，應(yīng)用也更廣泛。
一、硬質(zhì)合金模具的種類
我國硬質(zhì)合金模具根據(jù)用途可分為四類；第一類為硬質(zhì)合金拉絲模具，這類模具占硬質(zhì)合金模具的絕大部分。我國目前拉絲模的主要牌號YG8、YG6、YG3，其次是YG15、YG6X、YG3X，近幾年來主要硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家也研制一些新牌號，如用于高速拉絲的新牌號YL，還有從國外引進的拉絲模牌號CS05（YLO．5），CG20（YL20），CG40（YL30）；ZK10、ZK20／ZK30。
第二類模具是冷鐓冷沖模、整形模，主要牌號有YC20C、YG20、YG15、CT35以及株洲硬質(zhì)合金廠的新牌號YJT30和中南工大粉末冶金廠的 MO15。
第三類模具是用于磁性材
料生產(chǎn)的無磁合金模，還有一些廠在研制生產(chǎn)。如YSN系列的YSN（包括20、25、30、35、40）以及鋼結(jié)無磁模牌號TMF。如自貢硬質(zhì)合金廠的YWC無磁合金。
第四類為熱作模，這類合金暫無標(biāo)準(zhǔn)牌號，市場需要在增加。有些廠家正在研制開發(fā)，如YD40及上海材料所的旋鍛模用CNW。
上述四類模具由于開發(fā)時間不同、材質(zhì)的適應(yīng)性有限、推廣措施跟不上等原因，市場上的銷售量差別很大。
二、硬質(zhì)合金模具的使用技術(shù)現(xiàn)狀
同樣材質(zhì)的硬質(zhì)合金毛坯，在加工制成模具后，其使用壽命有的長，有的則很短。經(jīng)解剖分析后，發(fā)現(xiàn)問題出在設(shè)計、加工、組裝以及焊接等上。
1、硬質(zhì)合金模具設(shè)計技術(shù)狀況
拉絲模是一結(jié)構(gòu)較簡單的模具。80年代以前我國一直沿用前蘇聯(lián)的“直線型”理論設(shè)計，80年代后才有部分廠家引用50年代就提出了的“圓滑過渡”技術(shù)理論。 近年來，我國學(xué)者對拉絲模進行了角度設(shè)計和環(huán)溝磨損的理論分析，提出了最大、最小拉拔角的概念，分析了金屬在拉伸變形過程中對模具產(chǎn)生不均勻磨損的機理。廣東工學(xué)院的研究人員對冷鐓小規(guī)格螺釘用硬質(zhì)合金模具進行了解剖分析，得出國產(chǎn)模具壽命低（200—400萬次）而日本模具壽命高（900—1000萬次）的秘密所在，其關(guān)鍵技術(shù)是在角度的設(shè)計上。即日本模在模芯底部與模套內(nèi)孔底面中心接觸部位采用了雙凸面設(shè)計。它的優(yōu)點是能使受力最大的中心部位保證緊密壓靠，四周留下的空隙又可供過盈配合時，儲藏從孔壁擠出的多余金屬。沈陽橋梁廠對冷鐓M12螺母用的硬質(zhì)合金凹模，由原來的六角設(shè)計改為六瓣編裝鑲套組合起來使用。其平均壽命 50萬件／模，高的達 120萬件／模。筆者認(rèn)為這種設(shè)計比較合理，一是因為它比整體結(jié)構(gòu)設(shè)計模節(jié)約硬質(zhì)合金；二是它裝配簡單；三是模具更換容易，損壞一瓣可更換一瓣。
2．加工與裝配技術(shù)對硬質(zhì)合金模具的影向
硬質(zhì)合金模具的尺寸精度和形位精度是靠磨削來實現(xiàn)的。由于對硬質(zhì)合金的磨削力是對一般鋼材磨削力的2—3倍。所以要求磨床的動力要大，剛性要高，就我國目前的機床水平，還沒有加工硬質(zhì)合金的專用磨床。故常造成加工誤差，誤差的累積效應(yīng)將嚴(yán)重的損傷模具的使用壽命。在電火花加工過程中，由于放電的瞬間模具材料受到高達10000 C左右的高溫作用和液體介質(zhì)的作用，會使表層發(fā)生金相組織的變化，還有可能滲碳（工作液中的碳），滲金屬（銅鎢電極），甚至出現(xiàn)顯微裂紋等，無疑影響壽命。鑲套是為了使合金能承受更大的沖擊和擠壓負(fù)荷，不論是熱壓鑲套還是冷壓鑲套，間隙要求都很嚴(yán)。一般冷壓鑲套選擇0．03—0．05mm的過盈量，熱壓鑲套為 0．08—0．10mm，型腔套的加溫取700—800C，硬質(zhì)合金取300C左右。熱壓完成后，放人600C箱式爐中保溫Zh，以消除應(yīng)力。
硬質(zhì)合金的焊接也是一項關(guān)鍵技術(shù)，一般采用釬焊的較多。湖南省冶金材料研究所曾為西安飛機發(fā)動機制造公司研制了一種鎳基釬焊料，在真空爐中釬焊硬質(zhì)合金收到良好效果。
三、非標(biāo)硬質(zhì)合全和新型硬質(zhì)合金模具應(yīng)用現(xiàn)狀
1．非標(biāo)硬質(zhì)合金模具毛坯應(yīng)用狀況
所謂非標(biāo)是指未列于國家標(biāo)準(zhǔn)中的異型毛坯。這方面用得較多的是無磁模、級進模等。
無磁模一般選YG15或YG20硬質(zhì)合金制作。如四川899廠就用 YG15來制軟磁壓模。江西光學(xué)儀器總廠就用YG20和 YG20C作軟磁鏡面沖載模。在沖載鎳基合金IJ50時，鏡面平行度＜0．005mm，粗糙度Ra＜0．2卜m，改用沖載技術(shù)后比研磨加工效率要高出幾十倍。自貢無線電一廠用YWC無磁硬質(zhì)合金作軟磁材料成型模，壽命達50—100萬次。無論是單工位還是多工位級進模，大多選YG15、YG20和YG20C為主，也有選鋼結(jié)合金的。如上海手表廠用硬質(zhì)合金制作的分輪片組合級進模，在 300—400次／min的沖速下工作了216萬次，生產(chǎn)高精度合格產(chǎn)品400萬個。定子級進模也以300次／min的速度生產(chǎn)合格產(chǎn)品近 100萬個。南京長江機器廠的電機定、轉(zhuǎn)子鐵芯沖模刃磨1次可沖50萬次，總壽命達5000—6000萬次。江蘇華晶電子集團的硬質(zhì)合金多工位級進模，在沖速400－600次／min下沖裁引線框架材料，總壽命約5000萬次。大連電機廠的電器插件產(chǎn)品級進沖裁模，改用國產(chǎn)硬質(zhì)合金后，使用壽命在7000萬次以上，時間達 2年多。
近些年來，粉末冶金制品成形模、整形模也開始選用硬質(zhì)合金材料。如YGS成形模每付可壓70萬件產(chǎn)品，而鋼模僅1000次／副，高鉻鋼5000件／副。滬州長江機械廠用YGS做雙金屬軸套整形模，壽命達 100萬件以上，而GCr15鋼模壽命僅 1000件。
四．新型硬質(zhì)合全模具材料的開發(fā)
在開發(fā)新型硬質(zhì)合金材料上，前幾年以鐵鎳代鉆為熱門。如湖南省冶金材料所開發(fā)的相當(dāng)于 YG、YG20、YG25的高強韌性硬質(zhì)合金，在用于冷鐓模、冷擠壓模等方面收到較好的效果。天津硬質(zhì)合金研究所也以鐵鎳代鉆研制了相當(dāng)YG（15—20）的硬質(zhì)合金模具材料，在標(biāo)準(zhǔn)件的滾鍛、鋼球冷鐓方面與YG20效果相當(dāng)。近幾年來新的研究熱門是細(xì)晶、超細(xì)晶，甚至納米晶硬質(zhì)合金和梯度硬質(zhì)合金。梯度硬質(zhì)合金又有成分梯度、組織結(jié)構(gòu)梯度等，此外也有用金屬熔液滲透處理方法來生產(chǎn)梯度硬質(zhì)合金的，如梯度硬質(zhì)合金頂錘等。細(xì)晶和超細(xì)晶硬質(zhì)合金也已面市，如細(xì)晶YGS拉絲模在拉制＜φlmm的鋼絲時，是一般拉絲模的3倍。此外，還有鑲鑄、鑲嵌硬質(zhì)合金熱作模具，在軋管與線材軋制方面取得了很好的效果。
五、硬質(zhì)合金模具市場分析
模具是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的重要裝備。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，許多由切削加工的零件和產(chǎn)品，越來越多的被模制成分件所代替，因此模具市場潛力很大。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，2000年我國共進口模具9．77億美元，折合人民幣80億元。硬質(zhì)合金模具市場，相應(yīng)硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的增長而遞增。1．硬質(zhì)合金頂錘
目前，我國人造金剛石年產(chǎn)量已達600Mg（0．3Gcar），按每生產(chǎn)2000g（10kcar）人造金剛石消耗頂錘 10 kg計算，頂錘年消耗在3000t左右，若考慮技術(shù)進步因素，年消耗也在1500、2000t。
2．硬質(zhì)合金拉絲模
我國鋼鐵產(chǎn)量已過億噸，線材產(chǎn)量也達 1800萬t，加之銅鋁線材的迅速發(fā)展，拉絲模的需求占硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的6％-7％，應(yīng)在500t左右，考慮技術(shù)進步和鋼結(jié)合金的部分替代，也應(yīng)在400t范圍。
3．冷鐓、冷沖、成形和整形等模具
由于我國機械、電器、微電機等工業(yè)的迅速發(fā)展，高速沖床的大量引進，估計這類模具的市場容量在100—150t。
4．無磁模
近幾年，我國研制了一系列無磁模具，由于制作上的難度和價格昂貴等因素，推廣速度慢，據(jù)估算需求在 15t以內(nèi)。
5．熱作硬質(zhì)合金
高速線材軋機軋輥是一種帶軋槽或軋孔的制品，工作時，1000—1100C的鋼坯以70—120m／min的速度穿過，使之受到高溫高頻次的熱應(yīng)力作用，因而它是一種易損部件。目前我國不同規(guī)模的這類生產(chǎn)線有30 多條，估計需求量在100—150t。
硬質(zhì)合金自本世紀(jì)20年代初由德國科學(xué)家發(fā)明以來，以其“widia”（似金剛石）的名稱面市，并首先制作鎢絲拉伸模得到工業(yè)應(yīng)用，取代了當(dāng)時價格昂貴的金剛石拉伸模。我國硬質(zhì)合金起步雖晚，但發(fā)展迅速。目前，硬質(zhì)合金模具基本上已系列化和標(biāo)準(zhǔn)化。從近幾年發(fā)展情況來看，我國硬質(zhì)合金模具的研究和設(shè)計的理論已更深入也更科學(xué)，應(yīng)用也更廣泛。
一、硬質(zhì)合金模具的種類
我國硬質(zhì)合金模具根據(jù)用途可分為四類；第一類為硬質(zhì)合金拉絲模具，這類模具占硬質(zhì)合金模具的絕大部分。我國目前拉絲模的主要牌號YG8、YG6、YG3，其次是YG15、YG6X、YG3X，近幾年來主要硬質(zhì)合金生產(chǎn)廠家也研制一些新牌號，如用于高速拉絲的新牌號YL，還有從國外引進的拉絲模牌號CS05（YLO．5），CG20（YL20），CG40（YL30）；ZK10、ZK20／ZK30。
第二類模具是冷鐓冷沖模、整形模，主要牌號有YC20C、YG20、YG15、CT35以及株洲硬質(zhì)合金廠的新牌號YJT30和中南工大粉末冶金廠的 MO15。
第三類模具是用于磁性材
料生產(chǎn)的無磁合金模，還有一些廠在研制生產(chǎn)。如YSN系列的YSN（包括20、25、30、35、40）以及鋼結(jié)無磁模牌號TMF。如自貢硬質(zhì)合金廠的YWC無磁合金。
第四類為熱作模，這類合金暫無標(biāo)準(zhǔn)牌號，市場需要在增加。有些廠家正在研制開發(fā)，如YD40及上海材料所的旋鍛模用CNW。
上述四類模具由于開發(fā)時間不同、材質(zhì)的適應(yīng)性有限、推廣措施跟不上等原因，市場上的銷售量差別很大。
二、硬質(zhì)合金模具的使用技術(shù)現(xiàn)狀
同樣材質(zhì)的硬質(zhì)合金毛坯，在加工制成模具后，其使用壽命有的長，有的則很短。經(jīng)解剖分析后，發(fā)現(xiàn)問題出在設(shè)計、加工、組裝以及焊接等上。
1、硬質(zhì)合金模具設(shè)計技術(shù)狀況
拉絲模是一結(jié)構(gòu)較簡單的模具。80年代以前我國一直沿用前蘇聯(lián)的“直線型”理論設(shè)計，80年代后才有部分廠家引用50年代就提出了的“圓滑過渡”技術(shù)理論。 近年來，我國學(xué)者對拉絲模進行了角度設(shè)計和環(huán)溝磨損的理論分析，提出了最大、最小拉拔角的概念，分析了金屬在拉伸變形過程中對模具產(chǎn)生不均勻磨損的機理。廣東工學(xué)院的研究人員對冷鐓小規(guī)格螺釘用硬質(zhì)合金模具進行了解剖分析，得出國產(chǎn)模具壽命低（200—400萬次）而日本模具壽命高（900—1000萬次）的秘密所在，其關(guān)鍵技術(shù)是在角度的設(shè)計上。即日本模在模芯底部與模套內(nèi)孔底面中心接觸部位采用了雙凸面設(shè)計。它的優(yōu)點是能使受力最大的中心部位保證緊密壓靠，四周留下的空隙又可供過盈配合時，儲藏從孔壁擠出的多余金屬。沈陽橋梁廠對冷鐓M12螺母用的硬質(zhì)合金凹模，由原來的六角設(shè)計改為六瓣編裝鑲套組合起來使用。其平均壽命 50萬件／模，高的達 120萬件／模。筆者認(rèn)為這種設(shè)計比較合理，一是因為它比整體結(jié)構(gòu)設(shè)計模節(jié)約硬質(zhì)合金；二是它裝配簡單；三是模具更換容易，損壞一瓣可更換一瓣。
2．加工與裝配技術(shù)對硬質(zhì)合金模具的影向
硬質(zhì)合金模具的尺寸精度和形位精度是靠磨削來實現(xiàn)的。由于對硬質(zhì)合金的磨削力是對一般鋼材磨削力的2—3倍。所以要求磨床的動力要大，剛性要高，就我國目前的機床水平，還沒有加工硬質(zhì)合金的專用磨床。故常造成加工誤差，誤差的累積效應(yīng)將嚴(yán)重的損傷模具的使用壽命。在電火花加工過程中，由于放電的瞬間模具材料受到高達10000 C左右的高溫作用和液體介質(zhì)的作用，會使表層發(fā)生金相組織的變化，還有可能滲碳（工作液中的碳），滲金屬（銅鎢電極），甚至出現(xiàn)顯微裂紋等，無疑影響壽命。鑲套是為了使合金能承受更大的沖擊和擠壓負(fù)荷，不論是熱壓鑲套還是冷壓鑲套，間隙要求都很嚴(yán)。一般冷壓鑲套選擇0．03—0．05mm的過盈量，熱壓鑲套為 0．08—0．10mm，型腔套的加溫取700—800C，硬質(zhì)合金取300C左右。熱壓完成后，放人600C箱式爐中保溫Zh，以消除應(yīng)力。
硬質(zhì)合金的焊接也是一項關(guān)鍵技術(shù)，一般采用釬焊的較多。湖南省冶金材料研究所曾為西安飛機發(fā)動機制造公司研制了一種鎳基釬焊料，在真空爐中釬焊硬質(zhì)合金收到良好效果。
三、非標(biāo)硬質(zhì)合全和新型硬質(zhì)合金模具應(yīng)用現(xiàn)狀
1．非標(biāo)硬質(zhì)合金模具毛坯應(yīng)用狀況
所謂非標(biāo)是指未列于國家標(biāo)準(zhǔn)中的異型毛坯。這方面用得較多的是無磁模、級進模等。
無磁模一般選YG15或YG20硬質(zhì)合金制作。如四川899廠就用 YG15來制軟磁壓模。江西光學(xué)儀器總廠就用YG20和 YG20C作軟磁鏡面沖載模。在沖載鎳基合金IJ50時，鏡面平行度＜0．005mm，粗糙度Ra＜0．2卜m，改用沖載技術(shù)后比研磨加工效率要高出幾十倍。自貢無線電一廠用YWC無磁硬質(zhì)合金作軟磁材料成型模，壽命達50—100萬次。無論是單工位還是多工位級進模，大多選YG15、YG20和YG20C為主，也有選鋼結(jié)合金的。如上海手表廠用硬質(zhì)合金制作的分輪片組合級進模，在 300—400次／min的沖速下工作了216萬次，生產(chǎn)高精度合格產(chǎn)品400萬個。定子級進模也以300次／min的速度生產(chǎn)合格產(chǎn)品近 100萬個。南京長江機器廠的電機定、轉(zhuǎn)子鐵芯沖模刃磨1次可沖50萬次，總壽命達5000—6000萬次。江蘇華晶電子集團的硬質(zhì)合金多工位級進模，在沖速400－600次／min下沖裁引線框架材料，總壽命約5000萬次。大連電機廠的電器插件產(chǎn)品級進沖裁模，改用國產(chǎn)硬質(zhì)合金后，使用壽命在7000萬次以上，時間達 2年多。
近些年來，粉末冶金制品成形模、整形模也開始選用硬質(zhì)合金材料。如YGS成形模每付可壓70萬件產(chǎn)品，而鋼模僅1000次／副，高鉻鋼5000件／副。滬州長江機械廠用YGS做雙金屬軸套整形模，壽命達 100萬件以上，而GCr15鋼模壽命僅 1000件。
四．新型硬質(zhì)合全模具材料的開發(fā)
在開發(fā)新型硬質(zhì)合金材料上，前幾年以鐵鎳代鉆為熱門。如湖南省冶金材料所開發(fā)的相當(dāng)于 YG、YG20、YG25的高強韌性硬質(zhì)合金，在用于冷鐓模、冷擠壓模等方面收到較好的效果。天津硬質(zhì)合金研究所也以鐵鎳代鉆研制了相當(dāng)YG（15—20）的硬質(zhì)合金模具材料，在標(biāo)準(zhǔn)件的滾鍛、鋼球冷鐓方面與YG20效果相當(dāng)。近幾年來新的研究熱門是細(xì)晶、超細(xì)晶，甚至納米晶硬質(zhì)合金和梯度硬質(zhì)合金。梯度硬質(zhì)合金又有成分梯度、組織結(jié)構(gòu)梯度等，此外也有用金屬熔液滲透處理方法來生產(chǎn)梯度硬質(zhì)合金的，如梯度硬質(zhì)合金頂錘等。細(xì)晶和超細(xì)晶硬質(zhì)合金也已面市，如細(xì)晶YGS拉絲模在拉制＜φlmm的鋼絲時，是一般拉絲模的3倍。此外，還有鑲鑄、鑲嵌硬質(zhì)合金熱作模具，在軋管與線材軋制方面取得了很好的效果。
五、硬質(zhì)合金模具市場分析
模具是現(xiàn)代工業(yè)中不可缺少的重要裝備。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，許多由切削加工的零件和產(chǎn)品，越來越多的被模制成分件所代替，因此模具市場潛力很大。據(jù)海關(guān)統(tǒng)計，2000年我國共進口模具9．77億美元，折合人民幣80億元。硬質(zhì)合金模具市場，相應(yīng)硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的增長而遞增。1．硬質(zhì)合金頂錘
目前，我國人造金剛石年產(chǎn)量已達600Mg（0．3Gcar），按每生產(chǎn)2000g（10kcar）人造金剛石消耗頂錘 10 kg計算，頂錘年消耗在3000t左右，若考慮技術(shù)進步因素，年消耗也在1500、2000t。
2．硬質(zhì)合金拉絲模
我國鋼鐵產(chǎn)量已過億噸，線材產(chǎn)量也達 1800萬t，加之銅鋁線材的迅速發(fā)展，拉絲模的需求占硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的6％-7％，應(yīng)在500t左右，考慮技術(shù)進步和鋼結(jié)合金的部分替代，也應(yīng)在400t范圍。
3．冷鐓、冷沖、成形和整形等模具
由于我國機械、電器、微電機等工業(yè)的迅速發(fā)展，高速沖床的大量引進，估計這類模具的市場容量在100—150t。
4．無磁模
近幾年，我國研制了一系列無磁模具，由于制作上的難度和價格昂貴等因素，推廣速度慢，據(jù)估算需求在 15t以內(nèi)。
5．熱作硬質(zhì)合金
高速線材軋機軋輥是一種帶軋槽或軋孔的制品，工作時，1000—1100C的鋼坯以70—120m／min的速度穿過，使之受到高溫高頻次的熱應(yīng)力作用，因而它是一種易損部件。目前我國不同規(guī)模的這類生產(chǎn)線有30 多條，估計需求量在100—150t。
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