我國硬質合金模具的技術現(xiàn)狀與市場分析
2014-9-16 9:12:49 點擊：
我國硬質合金模具的技術現(xiàn)狀與市場分析
硬質合金自本世紀20年代初由德國科學家發(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)應用，取代了當時價格昂貴的金剛石拉伸模。我國硬質合金起步雖晚，但發(fā)展迅速。目前，硬質合金模具基本上已系列化和標準化。從近幾年發(fā)展情況來看，我國硬質合金模具的研究和設計的理論已更深入也更科學，應用也更廣泛。
一、硬質合金模具的種類
我國硬質合金模具根據(jù)用途可分為四類；第一類為硬質合金拉絲模具，這類模具占硬質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）以及鋼結無磁模牌號TMF。如自貢硬質合金廠的YWC無磁合金。
第四類為熱作模，這類合金暫無標準牌號，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、材質的適應性有限、推廣措施跟不上等原因，市場上的銷售量差別很大。
二、硬質合金模具的使用技術現(xiàn)狀
同樣材質的硬質合金毛坯，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)問題出在設計、加工、組裝以及焊接等上。
1、硬質合金模具設計技術狀況
拉絲模是一結構較簡單的模具。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”技術理論。 近年來，我國學者對拉絲模進行了角度設計和環(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。廣東工學院的研究人員對冷鐓小規(guī)格螺釘用硬質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，其關鍵技術是在角度的設計上。即日本模在模芯底部與模套內孔底面中心接觸部位采用了雙凸面設計。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螺母用的硬質合金凹模，由原來的六角設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。筆者認為這種設計比較合理，一是因為它比整體結構設計模節(jié)約硬質合金；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．加工與裝配技術對硬質合金模具的影向
硬質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，還沒有加工硬質合金的專用磨床。故常造成加工誤差，誤差的累積效應將嚴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荷，不論是熱壓鑲套還是冷壓鑲套，間隙要求都很嚴。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，以消除應力。
硬質合金的焊接也是一項關鍵技術，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合金收到良好效果。
三、非標硬質合全和新型硬質合金模具應用現(xiàn)狀
1．非標硬質合金模具毛坯應用狀況
所謂非標是指未列于國家標準中的異型毛坯。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硬質合金制作。如四川899廠就用 YG15來制軟磁壓模。江西光學儀器總廠就用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，也有選鋼結合金的。如上海手表廠用硬質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．新型硬質合全模具材料的開發(fā)
在開發(fā)新型硬質合金材料上，前幾年以鐵鎳代鉆為熱門。如湖南省冶金材料所開發(fā)的相當于 YG、YG20、YG25的高強韌性硬質合金，在用于冷鐓模、冷擠壓模等方面收到較好的效果。天津硬質合金研究所也以鐵鎳代鉆研制了相當YG（15—20）的硬質合金模具材料，在標準件的滾鍛、鋼球冷鐓方面與YG20效果相當。近幾年來新的研究熱門是細晶、超細晶，甚至納米晶硬質合金和梯度硬質合金。梯度硬質合金又有成分梯度、組織結構梯度等，此外也有用金屬熔液滲透處理方法來生產(chǎn)梯度硬質合金的，如梯度硬質合金頂錘等。細晶和超細晶硬質合金也已面市，如細晶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。硬質合金模具市場，相應硬質合金總產(chǎn)量的增長而遞增。1．硬質合金頂錘
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，若考慮技術進步因素，年消耗也在1500、2000t。
2．硬質合金拉絲模
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合金總產(chǎn)量的6％-7％，應在500t左右，考慮技術進步和鋼結合金的部分替代，也應在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。
5．熱作硬質合金
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。
硬質合金自本世紀20年代初由德國科學家發(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)應用，取代了當時價格昂貴的金剛石拉伸模。我國硬質合金起步雖晚，但發(fā)展迅速。目前，硬質合金模具基本上已系列化和標準化。從近幾年發(fā)展情況來看，我國硬質合金模具的研究和設計的理論已更深入也更科學，應用也更廣泛。
一、硬質合金模具的種類
我國硬質合金模具根據(jù)用途可分為四類；第一類為硬質合金拉絲模具，這類模具占硬質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）以及鋼結無磁模牌號TMF。如自貢硬質合金廠的YWC無磁合金。
第四類為熱作模，這類合金暫無標準牌號，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、材質的適應性有限、推廣措施跟不上等原因，市場上的銷售量差別很大。
二、硬質合金模具的使用技術現(xiàn)狀
同樣材質的硬質合金毛坯，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)問題出在設計、加工、組裝以及焊接等上。
1、硬質合金模具設計技術狀況
拉絲模是一結構較簡單的模具。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”技術理論。 近年來，我國學者對拉絲模進行了角度設計和環(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。廣東工學院的研究人員對冷鐓小規(guī)格螺釘用硬質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，其關鍵技術是在角度的設計上。即日本模在模芯底部與模套內孔底面中心接觸部位采用了雙凸面設計。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螺母用的硬質合金凹模，由原來的六角設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。筆者認為這種設計比較合理，一是因為它比整體結構設計模節(jié)約硬質合金；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．加工與裝配技術對硬質合金模具的影向
硬質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，還沒有加工硬質合金的專用磨床。故常造成加工誤差，誤差的累積效應將嚴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荷，不論是熱壓鑲套還是冷壓鑲套，間隙要求都很嚴。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，以消除應力。
硬質合金的焊接也是一項關鍵技術，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合金收到良好效果。
三、非標硬質合全和新型硬質合金模具應用現(xiàn)狀
1．非標硬質合金模具毛坯應用狀況
所謂非標是指未列于國家標準中的異型毛坯。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硬質合金制作。如四川899廠就用 YG15來制軟磁壓模。江西光學儀器總廠就用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，也有選鋼結合金的。如上海手表廠用硬質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．新型硬質合全模具材料的開發(fā)
在開發(fā)新型硬質合金材料上，前幾年以鐵鎳代鉆為熱門。如湖南省冶金材料所開發(fā)的相當于 YG、YG20、YG25的高強韌性硬質合金，在用于冷鐓模、冷擠壓模等方面收到較好的效果。天津硬質合金研究所也以鐵鎳代鉆研制了相當YG（15—20）的硬質合金模具材料，在標準件的滾鍛、鋼球冷鐓方面與YG20效果相當。近幾年來新的研究熱門是細晶、超細晶，甚至納米晶硬質合金和梯度硬質合金。梯度硬質合金又有成分梯度、組織結構梯度等，此外也有用金屬熔液滲透處理方法來生產(chǎn)梯度硬質合金的，如梯度硬質合金頂錘等。細晶和超細晶硬質合金也已面市，如細晶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。硬質合金模具市場，相應硬質合金總產(chǎn)量的增長而遞增。1．硬質合金頂錘
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，若考慮技術進步因素，年消耗也在1500、2000t。
2．硬質合金拉絲模
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合金總產(chǎn)量的6％-7％，應在500t左右，考慮技術進步和鋼結合金的部分替代，也應在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。
5．熱作硬質合金
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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