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科技新聞

簡述鑄造模具熱處理技術未來走勢

【世界機械網】時間：2011-08-04　來源：本站整理　【收藏本頁】

近年來中國模具以平均15%以上的速度增長，高于中國GDP的平均增值一倍多。根據中國模具工業協會經營管理委員會編制的《全國模具專業廠基本情況》統計，鑄造模具約占各類模具總產值5%，每年增長速度高達25%。近年來，鑄造模具市場異常活躍，隨著中國經濟保持持續增長，鑄造產業將保持高速增長并帶動鑄造模具制造工業發展，預計今后鑄造模具總體需求還會有很大的發展空間。

　　——鑄造模具發展歷程

　　中國鑄造模具工業發展到今天，經歷了一個艱辛的歷程，直到1976年仍處在落后狀態。自1977年以來，由于我國機械、電子、輕工、儀表、交通等工業部門的蓬勃發展，對鑄造模具的需求在數量上越來越多，質量要求越來越高，供貨期越來越短。因此，引起了我國有關部門對鑄造模具工業的高度重視，將模具列為“六五”和“七五”規劃重點科研攻關項目，派人出國學習考察，引進國外鑄造模具先進技術，制定有關鑄造模具國家標準。國際模具及五金塑膠產業供應商協會負責人羅百輝認為，通過這一系列措施，鑄造模具工業有了長足發展，并在某些技術方面有所突破。

　　第二汽車制造廠采用新技術、新材料為日本五十鈴廠制造了高質量的大型鑄造模具，贏得了良好的國際信譽。1980年上海已能制造一模400個型腔的大型熱固性塑料封裝模，這種鑄造模具要求形位誤差小，表面粗糙度小于0.1um。隨后，家用電器中大型復雜的塑料成型鑄造模具也陸續試制成功；平均刃磨壽命達400萬沖次、毛刺在0.5um以下的硬質合金級進模也被攻克，這種6工位轉子片生產用鑄造模具已接近國際先進水平。

　　同時，還制造出了10多個工位的精密級進模，以及精度和難度都較高的塑料成型鑄造模具，并通過消化引進技術，研制微米級精度的多工位級進模和多型腔塑料成型模。

　　此外，鑄造模具的計算機輔助設計（CAD）和計算機輔助制造（CAM）技術也開始了研究，并取得了初步成果。在這個時期，鑄造模具工業才真正得到了較大的發展。

　　目前，我國鑄造模具生產廠點達到了6000多家，職工人數約30萬人，生產鑄造模具約80萬套，標準模架16萬多套，我國鑄造模具工業已初具規模。據國際模具及五金塑膠產業供應商協會負責人羅百輝調查，我國鑄造模生產廠家集中分布在沿海經濟發達省、市以及汽車、摩托車生產基地，工廠規模并不是很大，人數一般不超過300人，年產值不高于5000萬人民幣，生產效率較高的企業年人均生產率在20-30萬元，絕大部分廠家以生產中、小型模具為主，模具的檔次為中、低檔。

　　珠三角地區鑄造模生產廠家主要在廣東省的廣州、東莞、深圳、佛山等地，廠點相對分散。由于經濟開放較早，吸收國外先進技術較快，該地區外向型企業較多，有一批臺資、港資、日資的模具生產廠商，整體上模具質量較好，模具出口量較大。生產規模較大的專業廠家有：廣州市型腔模具制造有限公司。

　　華東地區鑄造模生產廠家主要在浙江省、江蘇省和上海市，該處憑著緊靠我國工業重鎮和汽車產業的地域優勢，發展勢頭強勁，面對著外商或合資企業的需求，新建的企業普遍起點較高，員工素質好，發展勢頭大。

　　浙江省鑄造模生產廠家主要集中在北侖、寧海、鄞州、余姚等地，近年來該地區發展快，廠房和設備投入很大，不少企業還增加了鑄造鑄件生產。尤其是被稱為“中國鑄造模之鄉”的寧波北侖區，目前是國內鑄造模具生產最密集和商品模供應最多的地區，當地鑄造模制造企業400多家，每年銷售商品模超7億元人民幣，其中年銷量上千萬元的企業有16家，而像清林、東岙、恒山模具專業村年產值均在億元以上。生產規模較大的專業廠家有：寧波市北侖輝煌鑄模實業有限公司、寧波車燈電器有限公司、寧波鑫達模具制造有限公司、寧波勛輝電器有限公司、寧波臻至機械模具有限公司、寧波華朔模具機械有限公司、寧波鑫海模具有限公司、寧波誠盛有限公司等。

　　江蘇省鑄造模生產廠家主要集中在蘇州、常州、昆山，其中生產量較大的專業廠家有常州康利達頂堅模具有限公司。

　　此外，東北的吉林省、遼寧省，中部的湖南省和西部的四川省、重慶市鑄造模的產量也不少。如：共立精機（大連）有限公司，現在是一家完全由中國人運作的日本獨資企業，該企業內部管理嚴謹，生產效率較高，借助日本先進制模技術來發展民族品牌。

　　在上述地區鑄造模生產所需的鋼材、電極材料、液壓元件及模具各類相關配件品種最齊全和供應最暢通，模架制造、外協機械加工、外協電極制作、熱處理協作廠家最為集中。

　　全國鑄造模生產企業大體可以分為以下幾類：

　　第一類是鑄造模制造專業廠。這類企業服務于全社會，承接各行業所需的各類型的鑄造模具，設備較先進，技術較優良，規模相對大些，目前是我國商品模具的主要供應商。

　　第二類是隸屬于鑄造企業的模具車間或分廠。這類企業能貼身服務于本企業，服務及時，對自需模具的產品技術要求清楚，把原來引進的國外模具進行國產化復制，有“近水樓臺先得月”的優勢，能基本滿足本企業模具自給的需要，有些還少量承接企業外的任務，有時也會把一些難度大、時間急的模具發到專業廠去制作。近年來不少鑄造廠不再加大制模設備投入和縮小規模，改為以模具維修和保養為主。這類企業其中規模較大的有：重慶渝江新高模具有限公司、大連亞明汽車部件制造有限公司、高腰鴻圖模具制造有限公司、南海市文燦鑄造有限公司、成都興光鑄造工業有限公司、上海乾通汽車附件有限公司、上海皮爾博格有色零部件有限公司等。

　　——鑄造模具轉型升級

　　模具是技術密集型和勞動密集型結合的產業，中國有優秀的人才，模具鉗工技術水平高，勞動力成本低。羅百輝表示，進入WTO后，中國的投資環境得到更大的改善，外商投資可以享受到國民待遇，不再會有外匯平衡、外銷配額的問題，所以中國的模具行業將會有更多的中外合資和外方獨資模具企業。同時，由于日本、新加坡和中國臺灣等國家和地區的制造業生產點外移呈不可逆轉之勢，更加開放的中國內地自然成為首選，模具企業勢必跟進。國際模具及五金塑膠產業供應商協會負責人羅百輝指出，中國的鑄造模具企業要發展，就必須轉換機制，發展專業化生產，增強巿場意識，促進鑄造模具業的產業結構調整；積極推進行業管理，建立行業管理協調網絡；加強技術人才的培養，強化一專多能；廣泛采用CAD/CAM/CAE/CAPP技術，提高鑄造模具設計和制造水平；大力發展快速制模和快速成形技術、高速加工技術、高速測量技術和逆向工程等新技術、新工藝、新材料；提高鑄造模具標準化水平和擴大標準件的使用范圍。模具企業必須不斷提高自身的技術水平和管理能力，才能在國內模具巿場有立足之地，才能逐步開拓國外模具巿場。

　　鑄造模具企業要轉換機制，發展專業化生產，增強巿場意識，促進鑄造模具業的產業結構調整。過去，在計劃經濟條件下，大型企業內部設有模具分廠（車間），制造能力和技術力量較強，占了國內模具產值的相當比例，除少量標準件外購外，大部分工作量均由模具分廠去完成，致使專業化、標準化程度低。加之受企業管理體制的約束，模具制造周期長，不能適應巿場要求。近年來，各模具廠普遍加大設備投入，提升技術水平和制模能力，模具的質量有了轉大的提高。在羅百輝看來，國內中、小型模具的制作完全可以滿足國內的需求，大型、復雜、精密的鑄造模具依賴進口的狀況較大地得到改善；中、低檔模具供大于求，大型且要求高的鑄造模進口不少；出口的鑄造模量年年遞增；國內商品化模具總量已經超過一半，自產自用的模具已不再占主導地位。

　　十一五期間，中國鑄造模具業已經逐步融入世界貿易一體化中。通過徹底的改革將計劃經濟的影響消除，為此，模具的商品化程度也將大幅度提高，國企股份制改造的步伐將加快，私營和個體企業的發展，使模具工業的企業結構發生較大變化。模具行業社會化大合作和專業化將加強，這是抵御加入世界貿易組織沖擊的有效措施。傳統的企業內的模具車間將有一部分通過改制成為獨立核算的新經濟實體，而大部分將被逐步淘汰，更多模具企業將走上專業化的道路，在本身專長的產品上保持優勢，走專而精的道路，這樣才能在競爭中得以生存和發展。過去那些沒有專長項目、包括所有類型的模具企業，造成設備、人才、資金等分散，這些企業將逐步在相對優勢的項目上做強，得到發展，而將非專長的項目淘汰。模具的標準化也將進一步推行，模具的標準零件生產企業也將會得到快速的發展。

　　十二五期間，要繼續推進行業管理，構筑行業管理協調網絡，建立公平、合理的鑄造模具價格體系。進一步規范模具巿場，規范的巿場經濟對質量的要求更為嚴格，質量就是巿場。

　　現代制模的質量依賴于物化因素，再現能力強，整體水平容易控制。現代制模采用并行方式進行，設計和制造基于共同的數學模型，可以在模具總體工藝方案指導下通過公共數據庫并行通信，相互協調，共享信息，以減少重復勞動，縮短加工周期。

　　提高鑄造模具設計和制造水平，主要包括：廣泛采用CAD/CAM/CAE/CAPP技術；工藝和工裝設計一體化；提高大型、精密、復雜、長壽命模具的設計和制造水平；大力發展快速制模和快速成形技術（RPM）；發展高速加工技術、發展高速測量技術和逆向工程（RP）；采用優質鑄模材料，提高表面處理技術；提高鑄造模具標準化水平和擴大標準件的使用范圍。

　　不斷引進先進制造技術和先進設備，在零件測繪方面，一般不再用拓印法、樣板法，而采用三坐標測量儀和激光掃描儀等先進測量設備和測量技術，測繪零件不僅準確、迅速，而且可將所測數據和圖形直接輸入計算機，建立各種文件，顯示零件的三維模型和二維圖形。在設計方面，由于CAD的普遍應用，許多企業和工廠已經甩掉了圖板或正在甩掉圖板，等三維造型軟件的大力推廣，不僅可為CNC編程和集成提供保證，還可以在設計時進行裝配干涉的檢查，保證設計和工藝的合理性。在加工方面，數控機床的廣泛使用不僅保證了鑄造模具零件的加工精度和質量，而且以高切削速度、高進給速度和高加工質量為主要特征的加工技術，比傳統的切削加工效率提高幾倍甚至十幾倍。一些上規模、上水平的鑄造模具廠不斷涌現，一些無技術、無水準、設備簡陋的手工作坊逐步被淘汰出局，使我國的鑄造模具工業又有了長足的發展。國際模具及五金塑膠產業供應商協會負責人羅百輝分析指出，在這種形勢下，我們應該把鑄造模具生產中的精度問題突出出來，推動我國的鑄造模具工業進入一個新的發展階段，充分發揮鑄造模具工業在國民經濟中的重要作用。與時俱進，使我國的國民經濟獲得高速發展，加速實現四個現代化，成為一個經濟大國、科技強國。

　　——鑄造模具發展前景

　　近年來中國模具以平均15%以上的速度增長，高于中國GDP的平均增值一倍多。根據中國模具工業協會經營管理委員會編制的《全國模具專業廠基本情況》統計，鑄造模具約占各類模具總產值5%，每年增長速度高達25%。國際模具及五金塑膠產業供應商協會負責人羅百輝分析認為，鑄造模具工業高速增長的原因主要是我國汽車、摩托車工業高速發展，推動鑄造模生產快速增長。眾所周知，鑄造件應用的范圍很廣，幾乎涉及到所有工業領域，其中汽車零件的鑄造件以其數量之大、品種之多、要求之嚴、品質之高以及有色金屬材料用量之大名列首位，在整個鑄造產業中占最大的份額。

　　當前，正值我國汽車、摩托車工業進入高速增長期，產量連續多年大幅度增長，位居全球第一，尤其是與鑄造工業關聯密切的轎車增長最快，急劇地增大對復雜、大型、精密鑄造模的需求，因而作為鑄造工業的重要支撐──鑄造模具產業獲得了前所未有的發展機遇。可以預測，未來幾年我國鑄造模的生產仍將獲得主要來自國內汽車工業的強勁推力。

　　相對東南亞及中東等國家，中國模具在技術、質量及價格上占有優勢，出口前景看好。而外資企業進入中國，其模具的返銷及出口也將成為中國模具出口的重要組成部分。羅百輝表示，由于中國模具生產成本大大低于國外，隨著模具制造技術的完善和質量的提高，不僅可以減少模具的進口，而且有可能逐步開拓出口巿場，向國外出口更多的模具。十二五期間，模具進口在短期內將繼續保持增長勢頭，模具出口將會有很大發展。

　　經濟全球化浪潮中，產業發展過程的國際分工正在形成，基于成本的壓力，外商大量在我國采購鑄造件，甚至還在中國設立鑄造生產基地，可以預見，未來一段較長時間內，我國仍會承擔著國際有色金屬鑄件及制品的生產制造任務。另一方面由于模具同仁的不懈努力，我國鑄造模制作水平和能力有了很大提高，模具質量與先進工業國的差距逐步縮小，價格低廉驅使國外采購量劇增，巨大的海外模具市場的需求對我國模具產業興旺起著推動作用。

　　鑄造模具市場異常活躍，隨著中國經濟保持持續增長，鑄造產業將保持高速增長并帶動鑄造模具制造工業發展，預計今后鑄造模具總體需求還會有很大的發展空間。

　　——盤點中國模具熱處理技術進步三大表現
　　熱處理工藝一般包括加熱、保溫、冷卻三個過程，有時只有加熱和冷卻兩個過程。這些過程互相銜接，不可間斷。加熱是熱處理的重要工序之一。金屬熱處理的加熱方法很多，最早是采用木炭和煤作為熱源，進而應用液體和氣體燃料。電的應用使加熱易于控制，且無環境污染。利用這些熱源可以直接加熱，也可以通過熔融的鹽或金屬，以至浮動粒子進行間接加熱。

　　金屬加熱時，工件暴露在空氣中，常常發生氧化、脫碳(即鋼鐵零件表面碳含量降低)，這對于熱處理后零件的表面性能有很不利的影響。因而金屬通常應在可控氣氛或保護氣氛中、熔融鹽中和真空中加熱，也可用涂料或包裝方法進行保護加熱。

　　加熱溫度是熱處理工藝的重要工藝參數之一，選擇和控制加熱溫度，是保證熱處理質量的主要問題。加熱溫度隨被處理的金屬材料和熱處理的目的不同而異，但一般都是加熱到相變溫度以上，以獲得高溫組織。另外轉變需要一定的時間，因此當金屬工件表面達到要求的加熱溫度時，還須在此溫度保持一定時間，使內外溫度一致，使顯微組織轉變完全，這段時間稱為保溫時間。采用高能密度加熱和表面熱處理時，加熱速度極快，一般就沒有保溫時間，而化學熱處理的保溫時間往往較長。

　　冷卻也是熱處理工藝過程中不可缺少的步驟，冷卻方法因工藝不同而不同，主要是控制冷卻速度。一般退火的冷卻速度最慢，正火的冷卻速度較快，淬火的冷卻速度更快。但還因鋼種不同而有不同的要求，例如空硬鋼就可以用正火一樣的冷卻速度進行淬硬。

　　金屬熱處理工藝大體可分為整體熱處理、表面熱處理和化學熱處理三大類。根據加熱介質、加熱溫度和冷卻方法的不同，每一大類又可區分為若干不同的熱處理工藝。同一種金屬采用不同的熱處理工藝，可獲得不同的組織，從而具有不同的性能。鋼鐵是工業上應用最廣的金屬，而且鋼鐵顯微組織也最為復雜，因此鋼鐵熱處理工藝種類繁多。

　　整體熱處理是對工件整體加熱，然后以適當的速度冷卻，以改變其整體力學性能的金屬熱處理工藝。鋼鐵整體熱處理大致有退火、正火、淬火和回火四種基本工藝。

　　退火是將工件加熱到適當溫度，根據材料和工件尺寸采用不同的保溫時間，然后進行緩慢冷卻，目的是使金屬內部組織達到或接近平衡狀態，獲得良好的工藝性能和使用性能，或者為進一步淬火作組織準備。正火是將工件加熱到適宜的溫度后在空氣中冷卻，正火的效果同退火相似，只是得到的組織更細，常用于改善低碳材料的切削性能，也有時用于對一些要求不高的零件作為最終熱處理。

　　淬火是將工件加熱保溫后，在水、油或其它無機鹽、有機水溶液等淬冷介質中快速冷卻。淬火后鋼件變硬，但同時變脆。為了降低鋼件的脆性，將淬火后的鋼件在高于室溫而低于650℃的某一適當溫度進行長時間的保溫，再進行冷卻，這種工藝稱為回火。退火、正火、淬火、回火是整體熱處理中的“四把火”，其中的淬火與回火關系密切，常常配合使用，缺一不可。

　　“四把火”隨著加熱溫度和冷卻方式的不同，又演變出不同的熱處理工藝。為了獲得一定的強度和韌性，把淬火和高溫回火結合起來的工藝，稱為調質。某些合金淬火形成過飽和固溶體后，將其置于室溫或稍高的適當溫度下保持較長時間，以提高合金的硬度、強度或電性磁性等。這樣的熱處理工藝稱為時效處理。

　　把壓力加工形變與熱處理有效而緊密地結合起來進行，使工件獲得很好的強度、韌性配合的方法稱為形變熱處理；在負壓氣氛或真空中進行的熱處理稱為真空熱處理，它不僅能使工件不氧化，不脫碳，保持處理后工件表面光潔，提高工件的性能，還可以通入滲劑進行化學熱處理。

　　表面熱處理是只加熱工件表層，以改變其表層力學性能的金屬熱處理工藝。為了只加熱工件表層而不使過多的熱量傳入工件內部，使用的熱源須具有高的能量密度，即在單位面積的工件上給予較大的熱能，使工件表層或局部能短時或瞬時達到高溫。表面熱處理的主要方法有火焰淬火和感應加熱熱處理，常用的熱源有氧乙炔或氧丙烷等火焰、感應電流、激光和電子束等。

　　化學熱處理是通過改變工件表層化學成分、組織和性能的金屬熱處理工藝。化學熱處理與表面熱處理不同之處是后者改變了工件表層的化學成分。化學熱處理是將工件放在含碳、氮或其它合金元素的介質(氣體、液體、固體)中加熱，保溫較長時間，從而使工件表層滲入碳、氮、硼和鉻等元素。滲入元素后，有時還要進行其它熱處理工藝如淬火及回火。化學熱處理的主要方法有滲碳、滲氮、滲金屬。

　　模具的制造精度：組織轉變不均勻、不徹底及熱處理形成的殘余應力過大造成模具在熱處理后的加工、裝配和模具使用過程中的變形，從而降低模具的精度，甚至報廢。

　　模具的強度：熱處理工藝制定不當、熱處理操作不規范或熱處理設備狀態不完好，造成被處理模具強度(硬度)達不到設計要求。

　　模具的工作壽命：熱處理造成的組織結構不合理、晶粒度超標等，導致主要性能如模具的韌性、冷熱疲勞性能、抗磨損性能等下降，影響模具的工作壽命。

　　模具的制造成本：作為模具制造過程的中間環節或最終工序，熱處理造成的開裂、變形超差及性能超差，大多數情況下會使模具報廢，即使通過修補仍可繼續使用，也會增加工時，延長交貨期，提高模具的制造成本。

　　正是熱處理技術與模具質量有十分密切的關聯性，使得這二種技術在現代化的進程中，相互促進，共同提高。近年來，國際模具熱處理技術發展較快的領域是真空熱處理技術、模具的表面強化技術和模具材料的預硬化技術。羅百輝介紹說，熱處理是機械零件和工模具制造過程中的重要工序之一。它可以控制工件的各種性能，如耐磨、耐腐蝕、磁性能等。還可以改善毛坯的組織和應力狀態，以利于進行各種冷、熱加工。例如白口鑄鐵經過長時間退火處理可以獲得可鍛鑄鐵，提高塑性；齒輪采用正確的熱處理工藝，使用壽命可以比不經熱處理的齒輪成倍或幾十倍地提高；另外，價廉的碳鋼通過滲入某些合金元素就具有某些價昂的合金鋼性能，可以代替某些耐熱鋼、不銹鋼；工模具則幾乎全部需要經過熱處理方可使用。

　　1.物理冶金基礎研究成就突出

　　上海交通大學開發了金屬相變理論和強韌化機理的研究，對馬氏體、貝氏體的組織形態、精細結構、預相變機制，形狀記憶合金與超塑合金中相變機制都進行了深入研究。控制滲碳、滲氮和熱過程溫度、應力場的計算機模擬也是上海交通大學上世紀八十年代以來工作的突出方面。

　　哈爾濱工業大學多年來在雷延權教授領導下堅持了金屬形變強化的理論和實踐的研究，對一定溫度和形變度下的金屬再結晶規律，形變熱處理後不同組織和性能之間的關系變化有許多重要結論，并在此基礎上引導和開發了一系列化學熱處理方法。形變熱處理應用的典型例子是汽輪機葉片和柴油機連桿的鍛後余熱淬火，既可節約電能，又能提高性能。哈爾濱工業大學還在金屬基復合材料、雙相鋼、銅基和鐵基形狀記憶合金和陶瓷韌化以及金屬和合金的離子鍍和離子注入等方面取得了突出成就。

　　2.熱處理生產技術的進步

　　深圳市模具技術學會專家委員羅百輝認為，熱處理生產技術的進步反映在滲碳技術的進步，真空熱處理技術的普及，感應加熱的廣泛應用，化學熱處理、離子熱處理、鐳射和電子束熱處理等技術均獲得成功應用，熱處理質量規范控制、熱處理專業化生產等方面均獲得迅速發展，熱處理設備制造技術水平明顯提升等。

　　3.熱處理標準化工作新局面

　　實行改革開放政策以前，熱處理標準的基礎是很薄弱的。改革開放以來，特別是在提出等效采用國際標準方針後，包括熱處理標準在內的標準工作出現了新的局面。政府各部門的標準化機構都設專人負責熱處理標準化工作。

　　經過近30年的努力，已制修訂出76項國標和行標。其中絕大部分內容是熱處理通用技術標準和工藝標準，不包括產品質量標準，大多數是國標的熱處理通用技術標準使得在國內和國際貿易談判中對金屬材料經熱處理後的組織和性能有了一個能公認的品質優劣的判據，產品的質量檢驗方法也有了一個共同的準繩。新制訂的熱處理工藝標準可用來嚴格控制生產條件(設備儀表精度、可靠性與維護、溫度、爐氣、加熱和冷卻介質等)，是實現熱處理生產全面質量管理的有效措施。

　　近幾年由全國熱標委會組織開展的針對熱處理專業廠的達標驗收活動提高了企業貫徹熱處理標準的積極性，改善了企業的生產管理和質量管理、提高了企業的信譽、效益和核心競爭能力。

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