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简述铸造模具热处理技术未来走势

来源:国际模协 2011-8-4


????? 近年来中国模具以平均15%以上的速度增长,高于中国GDP的平均增值一倍多。根据中国模具工业协会经营管理委员会编制的《全国模具专业厂基本情况》统计,铸造模具约占各类模具总产值5%,每年增长速度高达25%。近年来,铸造模具市场异常活跃,随着中国经济保持持续增长,铸造产业将保持高速增长并带动铸造模具制造工业发展,预计今后铸造模具总体需求还会有很大的发展空间。

  ——铸造模具发展历程

  中国铸造模具工业发展到今天,经历了一个艰辛的历程,直到1976年仍处在落后状态。自1977年以来,由于我国机械、电子、轻工、仪表、交通等工业部门的蓬勃发展,对铸造模具的需求在数量上越来越多,质量要求越来越高,供货期越来越短。因此,引起了我国有关部门对铸造模具工业的高度重视,将模具列为“六五”和“七五”规划重点科研攻关项目,派人出国学习考察,引进国外铸造模具先进技术,制定有关铸造模具国家标准。国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉认为,通过这一系列措施,铸造模具工业有了长足发展,并在某些技术方面有所突破。

  第二汽车制造厂采用新技术、新材料为日本五十铃厂制造了高质量的大型铸造模具,赢得了良好的国际信誉。1980年上海已能制造一模400个型腔的大型热固性塑料封装模,这种铸造模具要求形位误差小,表面粗糙度小于0.1um。随后,家用电器中大型复杂的塑料成型铸造模具也陆续试制成功;平均刃磨寿命达400万冲次、毛刺在0.5um以下的硬质合金级进模也被攻克,这种6工位转子片生产用铸造模具已接近国际先进水平。

  同时,还制造出了10多个工位的精密级进模,以及精度和难度都较高的塑料成型铸造模具,并通过消化引进技术,研制微米级精度的多工位级进模和多型腔塑料成型模。

  此外,铸造模具的计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术也开始了研究,并取得了初步成果。在这个时期,铸造模具工业才真正得到了较大的发展。

  目前,我国铸造模具生产厂点达到了6000多家,职工人数约30万人,生产铸造模具约80万套,标准模架16万多套,我国铸造模具工业已初具规模。据国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉调查,我国铸造模生产厂家集中分布在沿海经济发达省、市以及汽车、摩托车生产基地,工厂规模并不是很大,人数一般不超过300人,年产值不高于5000万人民币,生产效率较高的企业年人均生产率在20-30万元,绝大部分厂家以生产中、小型模具为主,模具的档次为中、低档。

  珠三角地区铸造模生产厂家主要在广东省的广州、东莞、深圳、佛山等地,厂点相对分散。由于经济开放较早,吸收国外先进技术较快,该地区外向型企业较多,有一批台资、港资、日资的模具生产厂商,整体上模具质量较好,模具出口量较大。生产规模较大的专业厂家有:广州市型腔模具制造有限公司。

  华东地区铸造模生产厂家主要在浙江省、江苏省和上海市,该处凭着紧靠我国工业重镇和汽车产业的地域优势,发展势头强劲,面对着外商或合资企业的需求,新建的企业普遍起点较高,员工素质好,发展势头大。

  浙江省铸造模生产厂家主要集中在北仑、宁海、鄞州、余姚等地,近年来该地区发展快,厂房和设备投入很大,不少企业还增加了铸造铸件生产。尤其是被称为“中国铸造模之乡”的宁波北仑区,目前是国内铸造模具生产最密集和商品模供应最多的地区,当地铸造模制造企业400多家,每年销售商品模超7亿元人民币,其中年销量上千万元的企业有16家,而像清林、东岙、恒山模具专业村年产值均在亿元以上。生产规模较大的专业厂家有:宁波市北仑辉煌铸模实业有限公司、宁波车灯电器有限公司、宁波鑫达模具制造有限公司、宁波勋辉电器有限公司、宁波臻至机械模具有限公司、宁波华朔模具机械有限公司、宁波鑫海模具有限公司、宁波诚盛有限公司等。

  江苏省铸造模生产厂家主要集中在苏州、常州、昆山,其中生产量较大的专业厂家有常州康利达顶坚模具有限公司。


  此外,东北的吉林省、辽宁省,中部的湖南省和西部的四川省、重庆市铸造模的产量也不少。如:共立精机(大连)有限公司,现在是一家完全由中国人运作的日本独资企业,该企业内部管理严谨,生产效率较高,借助日本先进制模技术来发展民族品牌。

  在上述地区铸造模生产所需的钢材、电极材料、液压元件及模具各类相关配件品种最齐全和供应最畅通,模架制造、外协机械加工、外协电极制作、热处理协作厂家最为集中。

  全国铸造模生产企业大体可以分为以下几类:

  第一类是铸造模制造专业厂。这类企业服务于全社会,承接各行业所需的各类型的铸造模具,设备较先进,技术较优良,规模相对大些,目前是我国商品模具的主要供应商。

  第二类是隶属于铸造企业的模具车间或分厂。这类企业能贴身服务于本企业,服务及时,对自需模具的产品技术要求清楚,把原来引进的国外模具进行国产化复制,有“近水楼台先得月”的优势,能基本满足本企业模具自给的需要,有些还少量承接企业外的任务,有时也会把一些难度大、时间急的模具发到专业厂去制作。近年来不少铸造厂不再加大制模设备投入和缩小规模,改为以模具维修和保养为主。这类企业其中规模较大的有:重庆渝江新高模具有限公司、大连亚明汽车部件制造有限公司、高腰鸿图模具制造有限公司、南海市文灿铸造有限公司、成都兴光铸造工业有限公司、上海乾通汽车附件有限公司、上海皮尔博格有色零部件有限公司等。

  ——铸造模具转型升级

  模具是技术密集型和劳动密集型结合的产业,中国有优秀的人才,模具钳工技术水平高,劳动力成本低。罗百辉表示,进入WTO后,中国的投资环境得到更大的改善,外商投资可以享受到国民待遇,不再会有外汇平衡、外销配额的问题,所以中国的模具行业将会有更多的中外合资和外方独资模具企业。同时,由于日本、新加坡和中国台湾等国家和地区的制造业生产点外移呈不可逆转之势,更加开放的中国内地自然成为首选,模具企业势必跟进。国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉指出,中国的铸造模具企业要发展,就必须转换机制,发展专业化生产,增强巿场意识,促进铸造模具业的产业结构调整;积极推进行业管理,建立行业管理协调网络;加强技术人才的培养,强化一专多能;广泛采用CAD/CAM/CAE/CAPP技术,提高铸造模具设计和制造水平;大力发展快速制模和快速成形技术、高速加工技术、高速测量技术和逆向工程等新技术、新工艺、新材料;提高铸造模具标准化水平和扩大标准件的使用范围。模具企业必须不断提高自身的技术水平和管理能力,才能在国内模具巿场有立足之地,才能逐步开拓国外模具巿场。

  铸造模具企业要转换机制,发展专业化生产,增强巿场意识,促进铸造模具业的产业结构调整。过去,在计划经济条件下,大型企业内部设有模具分厂(车间),制造能力和技术力量较强,占了国内模具产值的相当比例,除少量标准件外购外,大部分工作量均由模具分厂去完成,致使专业化、标准化程度低。加之受企业管理体制的约束,模具制造周期长,不能适应巿场要求。近年来,各模具厂普遍加大设备投入,提升技术水平和制模能力,模具的质量有了转大的提高。在罗百辉看来,国内中、小型模具的制作完全可以满足国内的需求,大型、复杂、精密的铸造模具依赖进口的状况较大地得到改善;中、低档模具供大于求,大型且要求高的铸造模进口不少;出口的铸造模量年年递增;国内商品化模具总量已经超过一半,自产自用的模具已不再占主导地位。

  十一五期间,中国铸造模具业已经逐步融入世界贸易一体化中。通过彻底的改革将计划经济的影响消除,为此,模具的商品化程度也将大幅度提高,国企股份制改造的步伐将加快,私营和个体企业的发展,使模具工业的企业结构发生较大变化。模具行业社会化大合作和专业化将加强,这是抵御加入世界贸易组织冲击的有效措施。传统的企业内的模具车间将有一部分通过改制成为独立核算的新经济实体,而大部分将被逐步淘汰,更多模具企业将走上专业化的道路,在本身专长的产品上保持优势,走专而精的道路,这样才能在竞争中得以生存和发展。过去那些没有专长项目、包括所有类型的模具企业,造成设备、人才、资金等分散,这些企业将逐步在相对优势的项目上做强,得到发展,而将非专长的项目淘汰。模具的标准化也将进一步推行,模具的标准零件生产企业也将会得到快速的发展。

  十二五期间,要继续推进行业管理,构筑行业管理协调网络,建立公平、合理的铸造模具价格体系。进一步规范模具巿场,规范的巿场经济对质量的要求更为严格,质量就是巿场。


  现代制模的质量依赖于物化因素,再现能力强,整体水平容易控制。现代制模采用并行方式进行,设计和制造基于共同的数学模型,可以在模具总体工艺方案指导下通过公共数据库并行通信,相互协调,共享信息,以减少重复劳动,缩短加工周期。

  提高铸造模具设计和制造水平,主要包括:广泛采用CAD/CAM/CAE/CAPP技术;工艺和工装设计一体化;提高大型、精密、复杂、长寿命模具的设计和制造水平;大力发展快速制模和快速成形技术(RPM);发展高速加工技术、发展高速测量技术和逆向工程(RP);采用优质铸模材料,提高表面处理技术;提高铸造模具标准化水平和扩大标准件的使用范围。

  不断引进先进制造技术和先进设备,在零件测绘方面,一般不再用拓印法、样板法,而采用三坐标测量仪和激光扫描仪等先进测量设备和测量技术,测绘零件不仅准确、迅速,而且可将所测数据和图形直接输入计算机,建立各种文件,显示零件的三维模型和二维图形。在设计方面,由于CAD的普遍应用,许多企业和工厂已经甩掉了图板或正在甩掉图板,等三维造型软件的大力推广,不仅可为CNC编程和集成提供保证,还可以在设计时进行装配干涉的检查,保证设计和工艺的合理性。在加工方面,数控机床的广泛使用不仅保证了铸造模具零件的加工精度和质量,而且以高切削速度、高进给速度和高加工质量为主要特征的加工技术,比传统的切削加工效率提高几倍甚至十几倍。一些上规模、上水平的铸造模具厂不断涌现,一些无技术、无水准、设备简陋的手工作坊逐步被淘汰出局,使我国的铸造模具工业又有了长足的发展。国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉分析指出,在这种形势下,我们应该把铸造模具生产中的精度问题突出出来,推动我国的铸造模具工业进入一个新的发展阶段,充分发挥铸造模具工业在国民经济中的重要作用。与时俱进,使我国的国民经济获得高速发展,加速实现四个现代化,成为一个经济大国、科技强国。

  ——铸造模具发展前景

  近年来中国模具以平均15%以上的速度增长,高于中国GDP的平均增值一倍多。根据中国模具工业协会经营管理委员会编制的《全国模具专业厂基本情况》统计,铸造模具约占各类模具总产值5%,每年增长速度高达25%。国际模具及五金塑胶产业供应商协会负责人罗百辉分析认为,铸造模具工业高速增长的原因主要是我国汽车、摩托车工业高速发展,推动铸造模生产快速增长。众所周知,铸造件应用的范围很广,几乎涉及到所有工业领域,其中汽车零件的铸造件以其数量之大、品种之多、要求之严、品质之高以及有色金属材料用量之大名列首位,在整个铸造产业中占最大的份额。

  当前,正值我国汽车、摩托车工业进入高速增长期,产量连续多年大幅度增长,位居全球第一,尤其是与铸造工业关联密切的轿车增长最快,急剧地增大对复杂、大型、精密铸造模的需求,因而作为铸造工业的重要支撑──铸造模具产业获得了前所未有的发展机遇。可以预测,未来几年我国铸造模的生产仍将获得主要来自国内汽车工业的强劲推力。

  相对东南亚及中东等国家,中国模具在技术、质量及价格上占有优势,出口前景看好。而外资企业进入中国,其模具的返销及出口也将成为中国模具出口的重要组成部分。罗百辉表示,由于中国模具生产成本大大低于国外,随着模具制造技术的完善和质量的提高,不仅可以减少模具的进口,而且有可能逐步开拓出口巿场,向国外出口更多的模具。十二五期间,模具进口在短期内将继续保持增长势头,模具出口将会有很大发展。

  经济全球化浪潮中,产业发展过程的国际分工正在形成,基于成本的压力,外商大量在我国采购铸造件,甚至还在中国设立铸造生产基地,可以预见,未来一段较长时间内,我国仍会承担着国际有色金属铸件及制品的生产制造任务。另一方面由于模具同仁的不懈努力,我国铸造模制作水平和能力有了很大提高,模具质量与先进工业国的差距逐步缩小,价格低廉驱使国外采购量剧增,巨大的海外模具市场的需求对我国模具产业兴旺起着推动作用。

  铸造模具市场异常活跃,随着中国经济保持持续增长,铸造产业将保持高速增长并带动铸造模具制造工业发展,预计今后铸造模具总体需求还会有很大的发展空间。


  ——盘点中国模具热处理技术进步三大表现
  热处理工艺一般包括加热、保温、冷却三个过程,有时只有加热和冷却两个过程。这些过程互相衔接,不可间断。加热是热处理的重要工序之一。金属热处理的加热方法很多,最早是采用木炭和煤作为热源,进而应用液体和气体燃料。电的应用使加热易于控制,且无环境污染。利用这些热源可以直接加热,也可以通过熔融的盐或金属,以至浮动粒子进行间接加热。

  金属加热时,工件暴露在空气中,常常发生氧化、脱碳(即钢铁零件表面碳含量降低),这对于热处理后零件的表面性能有很不利的影响。因而金属通常应在可控气氛或保护气氛中、熔融盐中和真空中加热,也可用涂料或包装方法进行保护加热。

  加热温度是热处理工艺的重要工艺参数之一,选择和控制加热温度,是保证热处理质量的主要问题。加热温度随被处理的金属材料和热处理的目的不同而异,但一般都是加热到相变温度以上,以获得高温组织。另外转变需要一定的时间,因此当金属工件表面达到要求的加热温度时,还须在此温度保持一定时间,使内外温度一致,使显微组织转变完全,这段时间称为保温时间。采用高能密度加热和表面热处理时,加热速度极快,一般就没有保温时间,而化学热处理的保温时间往往较长。

  冷却也是热处理工艺过程中不可缺少的步骤,冷却方法因工艺不同而不同,主要是控制冷却速度。一般退火的冷却速度最慢,正火的冷却速度较快,淬火的冷却速度更快。但还因钢种不同而有不同的要求,例如空硬钢就可以用正火一样的冷却速度进行淬硬。

  金属热处理工艺大体可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理三大类。根据加热介质、加热温度和冷却方法的不同,每一大类又可区分为若干不同的热处理工艺。同一种金属采用不同的热处理工艺,可获得不同的组织,从而具有不同的性能。钢铁是工业上应用最广的金属,而且钢铁显微组织也最为复杂,因此钢铁热处理工艺种类繁多。

  整体热处理是对工件整体加热,然后以适当的速度冷却,以改变其整体力学性能的金属热处理工艺。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

  退火是将工件加热到适当温度,根据材料和工件尺寸采用不同的保温时间,然后进行缓慢冷却,目的是使金属内部组织达到或接近平衡状态,获得良好的工艺性能和使用性能,或者为进一步淬火作组织准备。正火是将工件加热到适宜的温度后在空气中冷却,正火的效果同退火相似,只是得到的组织更细,常用于改善低碳材料的切削性能,也有时用于对一些要求不高的零件作为最终热处理。

  淬火是将工件加热保温后,在水、油或其它无机盐、有机水溶液等淬冷介质中快速冷却。淬火后钢件变硬,但同时变脆。为了降低钢件的脆性,将淬火后的钢件在高于室温而低于650℃的某一适当温度进行长时间的保温,再进行冷却,这种工艺称为回火。退火、正火、淬火、回火是整体热处理中的“四把火”,其中的淬火与回火关系密切,常常配合使用,缺一不可。

  “四把火”随着加热温度和冷却方式的不同,又演变出不同的热处理工艺。为了获得一定的强度和韧性,把淬火和高温回火结合起来的工艺,称为调质。某些合金淬火形成过饱和固溶体后,将其置于室温或稍高的适当温度下保持较长时间,以提高合金的硬度、强度或电性磁性等。这样的热处理工艺称为时效处理。

  把压力加工形变与热处理有效而紧密地结合起来进行,使工件获得很好的强度、韧性配合的方法称为形变热处理;在负压气氛或真空中进行的热处理称为真空热处理,它不仅能使工件不氧化,不脱碳,保持处理后工件表面光洁,提高工件的性能,还可以通入渗剂进行化学热处理。


  表面热处理是只加热工件表层,以改变其表层力学性能的金属热处理工艺。为了只加热工件表层而不使过多的热量传入工件内部,使用的热源须具有高的能量密度,即在单位面积的工件上给予较大的热能,使工件表层或局部能短时或瞬时达到高温。表面热处理的主要方法有火焰淬火和感应加热热处理,常用的热源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感应电流、激光和电子束等。

  化学热处理是通过改变工件表层化学成分、组织和性能的金属热处理工艺。化学热处理与表面热处理不同之处是后者改变了工件表层的化学成分。化学热处理是将工件放在含碳、氮或其它合金元素的介质(气体、液体、固体)中加热,保温较长时间,从而使工件表层渗入碳、氮、硼和铬等元素。渗入元素后,有时还要进行其它热处理工艺如淬火及回火。化学热处理的主要方法有渗碳、渗氮、渗金属。

  模具的制造精度:组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形,从而降低模具的精度,甚至报废。

  模具的强度:热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好,造成被处理模具强度(硬度)达不到设计要求。

  模具的工作寿命:热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等,导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降,影响模具的工作寿命。

  模具的制造成本:作为模具制造过程的中间环节或最终工序,热处理造成的开裂、变形超差及性能超差,大多数情况下会使模具报废,即使通过修补仍可继续使用,也会增加工时,延长交货期,提高模具的制造成本。

  正是热处理技术与模具质量有十分密切的关联性,使得这二种技术在现代化的进程中,相互促进,共同提高。近年来,国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。罗百辉介绍说,热处理是机械零件和工模具制造过程中的重要工序之一。它可以控制工件的各种性能,如耐磨、耐腐蚀、磁性能等。还可以改善毛坯的组织和应力状态,以利于进行各种冷、热加工。例如白口铸铁经过长时间退火处理可以获得可锻铸铁,提高塑性;齿轮采用正确的热处理工艺,使用寿命可以比不经热处理的齿轮成倍或几十倍地提高;另外,价廉的碳钢通过渗入某些合金元素就具有某些价昂的合金钢性能,可以代替某些耐热钢、不锈钢;工模具则几乎全部需要经过热处理方可使用。

  1.物理冶金基础研究成就突出

  上海交通大学开发了金属相变理论和强韧化机理的研究,对马氏体、贝氏体的组织形态、精细结构、预相变机制,形状记忆合金与超塑合金中相变机制都进行了深入研究。控制渗碳、渗氮和热过程温度、应力场的计算机模拟也是上海交通大学上世纪八十年代以来工作的突出方面。

  哈尔滨工业大学多年来在雷延权教授领导下坚持了金属形变强化的理论和实践的研究,对一定温度和形变度下的金属再结晶规律,形变热处理後不同组织和性能之间的关系变化有许多重要结论,并在此基础上引导和开发了一系列化学热处理方法。形变热处理应用的典型例子是汽轮机叶片和柴油机连杆的锻後余热淬火,既可节约电能,又能提高性能。哈尔滨工业大学还在金属基复合材料、双相钢、铜基和铁基形状记忆合金和陶瓷韧化以及金属和合金的离子镀和离子注入等方面取得了突出成就。

  2.热处理生产技术的进步

  深圳市模具技术学会专家委员罗百辉认为,热处理生产技术的进步反映在渗碳技术的进步,真空热处理技术的普及,感应加热的广泛应用,化学热处理、离子热处理、镭射和电子束热处理等技术均获得成功应用,热处理质量规范控制、热处理专业化生产等方面均获得迅速发展,热处理设备制造技术水平明显提升等。

  3.热处理标准化工作新局面

  实行改革开放政策以前,热处理标准的基础是很薄弱的。改革开放以来,特别是在提出等效采用国际标准方针後,包括热处理标准在内的标准工作出现了新的局面。政府各部门的标准化机构都设专人负责热处理标准化工作。

  经过近30年的努力,已制修订出76项国标和行标。其中绝大部分内容是热处理通用技术标准和工艺标准,不包括产品质量标准,大多数是国标的热处理通用技术标准使得在国内和国际贸易谈判中对金属材料经热处理後的组织和性能有了一个能公认的品质优劣的判据,产品的质量检验方法也有了一个共同的准绳。新制订的热处理工艺标准可用来严格控制生产条件(设备仪表精度、可靠性与维护、温度、炉气、加热和冷却介质等),是实现热处理生产全面质量管理的有效措施。

  近几年由全国热标委会组织开展的针对热处理专业厂的达标验收活动提高了企业贯彻热处理标准的积极性,改善了企业的生产管理和质量管理、提高了企业的信誉、效益和核心竞争能力。

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