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        硬質(zhì)合金在耐材模具上的應(yīng)用

        2022-09-01 07:07:42任宏偉安亞存馬超
        科技創(chuàng)新導(dǎo)報 2022年11期
        關(guān)鍵詞:成本

        任宏偉 安亞存 馬超

        (唐山時創(chuàng)高溫材料股份有限公司 河北唐山 064000)

        1 應(yīng)用背景

        在新冠病毒依然肆虐的當下,全球經(jīng)濟遭到前所未有的打擊,許多企業(yè)破產(chǎn)危機。耐火材料企業(yè)也不例外,出口貿(mào)易萎縮、環(huán)保投入加大、資金流轉(zhuǎn)異常、緊張等諸多挑戰(zhàn)考驗著耐材企業(yè)的生存能力。對于如何在各種不利因素的影響下突圍,提高企業(yè)的核心競爭力是關(guān)鍵。怎樣強化成本管理,最大限度地控制產(chǎn)品的生產(chǎn)成本,減少一切非必要費用的支出,擴大利潤空間,成為了耐火材料行業(yè)生產(chǎn)與發(fā)展的關(guān)鍵性問題。同時,企業(yè)也要提高高端產(chǎn)品市場占有率,提升產(chǎn)品質(zhì)量,加大科研投入,形成核心競爭力[1]。

        耐火材料制品的生產(chǎn)成本,一般來說,包括原材料及燃料水電等動力成本、模具成本、設(shè)備成本、人工成本、輔料成本等。其中,模具成本是定型耐火材料不可忽視的一項重要成本,而且不同企業(yè)的模具成本差別很大,不同企業(yè)噸磚模具成本在200~500 元之間。從一定程度上來說,誰能把噸磚模具成本控制好,誰就會在市場競爭中獲得成本優(yōu)勢。

        滑動水口是連鑄機澆鑄過程中鋼水的控制裝置,能夠精確地調(diào)節(jié)從鋼包到連鑄中間包的鋼水流量,使流入和流出的鋼水達到平衡,從而使連鑄操作更容易控制。滑動水口系統(tǒng)因其可控性好、能提高煉鋼生產(chǎn)效率而得到了迅速發(fā)展[2]。定型耐火材料的成型方式主要有沖壓成型、液壓成型、等靜壓成型、澆注成型。滑動板材及滑動水口(以下分別簡稱“滑板”“水口”)通常采用沖壓成型的方式來壓制半成品,所用模具大都采用普碳鋼材料加工成型。這種材質(zhì)的模具,優(yōu)點是材料價格低廉、加工難度?。蝗秉c是易磨損,使用壽命短。雖然通過滲碳淬火工藝處理,可以在一定程度上增加模具的耐磨度,但其壽命依然不長,而且模具磨損后,出磚阻力大,半成品外形完好度難以保證。因此,普碳鋼材料的模具性價比并不高。隨著同行業(yè)競爭越來越激烈,亟須一種性價比更高的模具替代普碳鋼材料的模具。

        2 模具構(gòu)成

        滑板及水口模具構(gòu)成基本相同,均由浮動臺、成型內(nèi)腔模具及上錘頭構(gòu)成(見圖1),其中,成型內(nèi)腔模具占據(jù)噸磚模具成本的90%。本文也將重點講述成型內(nèi)腔模具。成型內(nèi)腔模具主要由型襯、型底、型蓋、型芯、頂板、加料筒等組成,其中,型襯成本占比最高,占成型內(nèi)腔模具成本的60%;水口模具是型芯,占成型內(nèi)腔模具成本的25%;滑板模具是型底、型蓋,占成型內(nèi)腔模具成本的25%;剩余幾個組件合計占成型內(nèi)腔模具成本的15%。

        圖1 模具示意圖

        現(xiàn)在,大多耐火材料生產(chǎn)公司的成型模具都選用普碳鋼作為原料,加工后,采用滲碳工藝提高模具的硬度,增強耐磨性,達到延長使用壽命的目的。普碳鋼作為模具材料的優(yōu)勢為原料易于采購、易于加工,加上耐火材料成型模具相對于其他模具來說尺寸及精度要求較低,故能滿足其使用條件。但普碳鋼的硬度低、耐磨性差,導(dǎo)致模具使用過程中很容易出現(xiàn)拉痕、軟點等問題,因此其使用壽命不長。以45 號鋼材質(zhì)的模具為例,滲碳之前的硬度僅有20~25HRA,滲碳后的表面硬度基本可以達到50HRC,但是碳層深度只有1mm 左右,遠不及硬質(zhì)合金常溫狀態(tài)下80HRA以上的通體硬度?;谝陨显?,用普碳鋼模具壓制出的滑板、水口半成品外形尺寸存在一定的差異。由于模具老化較快,很可能同一班次的耐材產(chǎn)品指標就存在一定的差異。諸多缺陷決定了普碳鋼材質(zhì)的模具不適用于大批量長期生產(chǎn)的耐材品種。

        3 硬質(zhì)合金材質(zhì)特點

        硬質(zhì)合金由高硬度、高熔點的硬質(zhì)相和潤濕性好、韌性高、熔點相對較低的粘結(jié)相組成。通過選擇合適的原料、組成和工藝參數(shù),可以實現(xiàn)硬質(zhì)合金多種硬度和韌性的組合,使其廣泛應(yīng)用于刀具、模具、礦山工具和耐磨機械零件[3]。硬質(zhì)合金一般選擇用一種到幾種碳化物粉末作為主要成分,再加入鈷、鎳等少量金屬粉末當作粘接劑,經(jīng)粉末冶金法壓制的合金。硬質(zhì)合金改性組織性能及熱穩(wěn)定性[4]更值得進行深入研究。下面,先了解一下硬質(zhì)合金材料的4個顯著特點。

        3.1 硬度、耐磨性高,具有高溫狀態(tài)下硬度不發(fā)生改變的特點

        硬質(zhì)合金硬度在常溫狀態(tài)下可以達到69~81HRC,而且在溫度高達1000℃時依然能具有高硬度,并且具有優(yōu)良的耐磨性。對比高速工具鋼,切削速度可高出4~7倍,壽命長5~80倍不等,可以切削硬度高達50HRC的金屬材料。因此,將它用于滑板水口模具,具有很好的耐磨性,且壓制磚坯時散料易于流動,使成型制坯的密度更加均勻、產(chǎn)品性能更加穩(wěn)定。

        3.2 彈性模量和抗壓強度高

        硬質(zhì)合金材料的彈性模量是4×105~7×105MPa,抗壓強度可以達到6000MPa,都優(yōu)于高速鋼材料。但是硬質(zhì)合金的抗彎強度較低,一般小于3×103MPa。針對該性能,作為模具使用必須考慮其易炸裂問題,后續(xù)將討論如何避免硬質(zhì)合金的炸裂。

        3.3 化學(xué)穩(wěn)定性好

        常溫狀態(tài)下,能很好地抵抗酸、堿的腐蝕,且不易出現(xiàn)氧化現(xiàn)象。

        3.4 線膨脹系數(shù)小

        硬質(zhì)合金常溫工作狀態(tài)下,連續(xù)使用不會出現(xiàn)較大線膨脹,使其作為模具,其制品尺寸較為穩(wěn)定。

        4 常用硬質(zhì)合金種類

        硬質(zhì)合金按照其成分及性能特點分類的話,市場較為常見的主要有三大類:鎢鈷類硬質(zhì)合金、鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金和鎢鈦鈮類硬質(zhì)合金。但在實際生產(chǎn)中,應(yīng)用最廣泛的是鎢鈷類硬質(zhì)合金和鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。

        4.1 鎢鈷類硬質(zhì)合金

        鎢鈷類硬質(zhì)合金主要成分是碳化鎢和鈷,其牌號是由“硬”“鈷”的拼音首字母“YG”和鈷元素含量的百分數(shù)組成的。YG8 表示鈷含量為8%、碳化鎢含量為92%的鎢鈷類硬質(zhì)合金[5]。

        4.2 鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金

        其主要成分是碳化鎢(WC)、碳化鈦(TiC)及鈷(Co)。其牌號由“YT”(“硬”“鈦”兩字漢語拼音首字母)和碳化鈦平均含量組成。例如,YT15 表示平均WTi=15%,其余為碳化鎢和鈷含量的鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金。WC-TiC-Co(YT)類硬質(zhì)合金適于加工塑性材料如鋼材[6]。

        4.3 鎢鈦鉭(鈮)類硬質(zhì)合金

        其主要成分是碳化鎢(WC)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)或碳化鈮(NbC)和鉆。這類硬質(zhì)合金又稱通用硬質(zhì)合金或萬能硬質(zhì)合金,牌號用代號YW(“硬”“萬”兩字漢語拼音首字母)后加序數(shù)表示。

        5 硬質(zhì)合金材料在模具上的應(yīng)用

        我國硬質(zhì)合金工業(yè)已經(jīng)發(fā)生了歷史性變革,綜合實力已經(jīng)得到大幅度提升,其國際競爭力顯著增強,已成為舉世公認的世界硬質(zhì)合金制造大國[7]。高性能的硬質(zhì)合金材料已經(jīng)得到大量的推廣應(yīng)用,硬質(zhì)合金具有強度高、力學(xué)性能好、耐高溫低溫和抗疲勞強度等共性的優(yōu)良特點[8]。但是由于硬質(zhì)合金的成本極高,因此,常用于大批量加工且附加值較高的產(chǎn)品成型中。硬質(zhì)合金模具設(shè)計技術(shù)屬于耐火材料機壓成型用于模具制作領(lǐng)域的實用新型技術(shù)[9]。硬質(zhì)合金模具由于脆性大,整體抗沖擊性差,因此,使用過程中容易出現(xiàn)炸裂現(xiàn)象。針對硬質(zhì)合金的特點,結(jié)合普碳鋼的特性,將二者結(jié)合,既能減少成本投入,又能大幅度地降低模具成本。

        硬質(zhì)合金與普碳鋼結(jié)合方式,本次主要研究兩種,一種為激光噴涂,另一種為合金鑲嵌。二者成本差異不大,都是僅在主要成型位置噴涂(或鑲嵌)合金材料,只要選擇合金材料的性能一樣,使用壽命差異不大。本公司于2020年開始研發(fā)硬質(zhì)合金結(jié)合普碳鋼模具,通過近兩年的試驗,硬質(zhì)合金模具比普碳鋼模具成本可降低5 倍以上。目前,本公司硬質(zhì)合金與普碳鋼結(jié)合的方式主要選用鑲嵌方式,并申請了3項專利。

        6 硬質(zhì)合金模具在我公司的應(yīng)用

        本公司采用了普碳鋼易磨損部位鑲嵌硬質(zhì)合金方式,通過多次改進試驗,最終確定了該鑲嵌方式。試驗第一件硬質(zhì)合金型襯已達到使用壽命,共制坯46 930塊。此型襯原為普碳鋼材質(zhì),市場價格為1668 元,平均壽命為制坯500 塊,單塊磚坯費用為3.34 元。硬質(zhì)合金型襯總費用為31 700元,單塊磚坯費用為0.68元。硬質(zhì)合金型襯的成本降低到普碳鋼型襯成本的20%左右,可以將企業(yè)模具費用整體降低兩倍以上。

        目前,本公司已有8 個品種使用鑲嵌硬質(zhì)合金型襯,覆蓋到公司40%以上的產(chǎn)品,且計劃進一步推廣應(yīng)用。

        7 結(jié)語

        綜上所述,硬質(zhì)合金在耐火材料成型模具的應(yīng)用有以下幾點優(yōu)勢。

        (1)降低模具成本。根據(jù)該材質(zhì)在型襯的實際應(yīng)用數(shù)據(jù)對比,噸磚成本降為普碳鋼材質(zhì)型襯的20%左右。

        (2)提高成型生產(chǎn)效率。隨著模具壽命的提高,有效減少了模具更換的頻率,從而為成型車間高效連續(xù)生產(chǎn)提供支持。

        (3)提高了模具生產(chǎn)效率。模具壽命提高了,相應(yīng)地減少了型襯模具生產(chǎn)中機加工和熱處理的任務(wù)量,為其他普通模具的高效生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件。

        (4)減少模具資金占用。高壽命模具的出現(xiàn),既減少了模具原料的使用量,又降低板料和棒料的庫存,因此有效減少資金占用量。

        (5)提高耐火材料半成品質(zhì)量。硬質(zhì)合金材質(zhì)模具的磨損速率大大降低,保證了模具尺寸穩(wěn)定性,同時為耐火材料半成品指標的穩(wěn)定性提供保障。

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