硬質(zhì)合金在耐材模具上的應(yīng)用

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(dāng)下，全球經(jīng)濟(jì)遭到前所未有的打擊，許多企業(yè)破產(chǎn)危機(jī)。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(qiáng)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(fèi)用的支出，擴(kuò)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(jī)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(dá)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(diǎn)是材料價格低廉、加工難度小；缺點(diǎn)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(diǎn)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(qiáng)耐磨性，達(dá)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(diǎn)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(dá)到50HRC，但是碳層深度只有1mm 左右，遠(yuǎn)不及硬質(zhì)合金常溫狀態(tài)下80HRA以上的通體硬度。基于以上原因，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(biāo)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(diǎn)

硬質(zhì)合金由高硬度、高熔點(diǎn)的硬質(zhì)相和潤濕性好、韌性高、熔點(diǎn)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(jī)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(dāng)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(jìn)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(diǎn)。

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(diǎn)

硬質(zhì)合金硬度在常溫狀態(tài)下可以達(dá)到69～81HRC，而且在溫度高達(dá)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(dá)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(qiáng)度高

硬質(zhì)合金材料的彈性模量是4×105～7×105MPa，抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到6000MPa，都優(yōu)于高速鋼材料。但是硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)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(diǎn)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?jǐn)?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(qiáng)，已成為舉世公認(rèn)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(qiáng)度高、力學(xué)性能好、耐高溫低溫和抗疲勞強(qiáng)度等共性的優(yōu)良特點(diǎn)［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(jī)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(diǎn)，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(jìn)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(dá)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(fèi)用為3.34 元。硬質(zhì)合金型襯總費(fèi)用為31 700元，單塊磚坯費(fèi)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(fèi)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(jìn)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(diǎn)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(jī)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(biāo)的穩(wěn)定性提供保障。