TWM557265U

TWM557265U - 多層鑽尾模具

Info

Publication number: TWM557265U
Application number: TW106216452U
Authority: TW
Inventors: 林國成; 林慶維; 林宜良
Original assignee: 承昌鎢鋼製品有限公司
Priority date: 2017-11-06
Filing date: 2017-11-06
Publication date: 2018-03-21

Abstract

本創作為一種多層鑽尾模具，其包含：第一層，具有抗磨特性，第二層，具有韌性，第三層亦具有抗磨特性，其中上述之第二層位於第一層與第三層之間，且其韌性較第一與第二層大。

Description

多層鑽尾模具

本創作涉及一種多層梯度鑽尾模具，特別是指一種使用硬質合金，具有兩層或以上異質材料組成的分層結構，使其得以兼顧強度與韌性，同時滿足加工過程中耐磨損與耐衝擊的需求。

模具，為一工業上生產各式機具或工程用零附件的工具，以模具加工金屬的方式為將加熱後的金屬原料置於一定形狀的模穴內，受衝擊應力或壓力而塑形至所欲形狀的加工方法。其優點是鍛件形狀與尺寸精度良好，複製性佳，適合生產大批量的中小型的零附件，例如用於機密儀器的零附件，即對其公差精度有著嚴格的要求。然而國內模具的材料或技術長期被歐美等先進國家所掌握，國內產業取得技術難度不易，無形中生產技術受制於人，因此模具的研發，包含所用之材料與製程方法，對於台灣發展精密加工有其急迫性。

硬質合金材料，結合了陶瓷的高硬度與金屬的韌性，在現代工業被廣泛用於二次加工業。其高硬度耐衝擊的特性被用來取代鑽石材料與較軟的高速鋼，應用於車削刀具與沖壓模具上。其用作沖壓模具時機械性質直接由接觸面的損耗決定了硬質合金的壽命，且因為硬質合金硬度太高不適合作修復精整，因此製作出來的成品精度會下降，當模具磨耗太過嚴重時就必須要報廢，然則其實際發生損傷的僅是模具加工面的表面層，將整個模具報廢即造成資源上的浪費。但若直接提升材料硬度提升材料抗磨耗能力，則會犧牲衝擊強度和破裂韌性，材料會直接在加工時裂開，甚至可能造成生命財產危害。

現有技術會使用表面改質的方式盡可能提昇表面硬度，如氧化物陶瓷鍍膜或是氮碳化鈦表面硬焊，常見的黃色硬質合金模具就是經過表面處理的硬質合金模具。也有使用表面擴散技術進行塊材表面改質。但是這些製程都需要額外的設備方能達到，徒增硬質合金的加工成本，此外硬化層也僅有表面的薄薄一層，與硬質合金表面也擁有介面的問題，可能會在加工零件時剝落，對模具壽命的改善效果有限。

另一種技術是將兩種材料組合在一起，將材料以粉體方式分段進行壓模後燒結，或是以將材料粉體以高溫熔射成型方式，將模具與加工材料接觸的的部位使用硬度較高較耐磨的材料，而材料的中身段則使用破裂韌性較好的材料，使模具整體能有足夠的強度能夠忍受間斷的衝擊，這樣的材料被稱作梯度硬質合金。

請參閱圖1.a與圖1.b，用於製造梯度硬質合金的金屬材料，係由粉體結晶顆粒所組成，每個晶粒內部的原子排列方式有一定的規則，當粉體在鍛造的過程中所受外力(11a)作用所產生的應力超過降伏強度時，原子即產生永久性的相對位移，在所受外力(11a)移除後也不會恢復原來的狀態。以上述施加外力(11a)，使金屬材料產生塑形變形的機制係由剪應力(13a)所引起，其產生的塑形變形有圖1.a的滑動(10a)與圖1.b的雙晶(11b)兩種型式：滑動(10a)，指物體因受剪應力(13a)作用，當剪應力(13a)大小超過某一臨界值時，物體相鄰的兩部份沿橫軸方向的滑動面(15a)發生相互移動的現象；雙晶(10b)，指以某一介面為分隔面，一邊的結晶產生旋轉，另一邊則無變化，此介面則稱為雙晶面(11b)。

前述以鍛造的加工藉由衝擊或擠壓的方法，將金屬粉體材料塑形，可達到模具所需的機械特性與形狀，由於金屬粉體材料在鑄壓過程中被強迫塑形，因而可使金屬粉體材料在製作的過程中被細密化、均質化、韌性與耐衝擊性的機械性質，以使製作出的模具符合加工中所需的強度。

在先前技術，中國專利CN100506436C中，揭露了一種形成一工作層具有強度梯度連續變化的材料模具，以達到改善前述兼顧模具韌性與強度的目的。然則與壓力方向平行的連續強度梯度變化，有可能於加工過程中，因為梯度分佈不均，而有使模具垂直方向因為受力不同而產生形變不均的風險。此外，現有使用梯度結構的技術，一般只在模具與壓模機加工表面強化一耐磨層，而未考量模具與壓模機部位，同樣在施壓後可能造成的磨耗與變形，影響到製作成品的精度。

有鑑於上述習知技術的缺點，根據本創作之一實施例，提出一種提升硬質合金性質的鑽尾模具，該鑽尾模具可具有雙層或多層硬質合金，其包含一基體，以提供加工過程中鑽尾模具的支撐，該基體進一步包含第一層，具有抗磨特性，以下第一層可稱抗磨層；一第二層，鄰接該第一層，該第二層之韌性較該第一層大，以下第二層可稱韌性層。該抗磨層與加工材料和加工機台接觸的部分為較硬與耐磨的硬質合金；韌性層為韌性較佳之硬質合金，以耐受加工機台的衝擊外力，使其具有不至於因衝擊外力過大導致基體破裂，其中該抗磨層之硬度大於該韌性層；一加工部，位於抗磨層，以加工零附件。

根據本創作之內容，該抗磨層之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)或其它微量元素1-3%。

根據本創作之內容，該韌性層之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)或其它微量元素1-3%。

根據本創作之實施例，鑽尾模具中之碳化鎢粒徑大小為0.5-15μm。

根據本創作之內容，該抗磨層之硬度與韌性層之硬度為非連續變化。

根據本創作之一實施例，該加工部為一「T」字構型凹槽，水平鋪設於鑽尾模具抗磨層，以容納加工之材料。

根據本創作之另一實施例，提出一種提升硬質合金性質的鑽尾模具，該鑽尾模具可具有雙層或多層硬質合金，其包含一基體，以提供加工過程中鑽尾模具的支撐，該基體包含具有抗磨特性之第一層與第三層，第一層與第三層間為具有韌性的第二層，其中，第一層和第二層與加工材料或加工機台接觸，其材質為較硬與耐磨的硬質合金；該中間之第二層為韌性較佳之硬質合金，以耐受加工機台的衝擊外力，使其具有不至於因衝擊外力過大導致基體破裂，其中該第一層和第三層之硬度大於第二層；一加工部，位於一抗磨層上，以加工零附件。

根據本創作之內容，第一層與第二之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)或其它微量元素1-3%。

根據本創作之內容，該中間韌性層之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)或其它微量元素1-3%。

以上所述係用以說明本創作之目的、技術手段以及其可達成之功效，相關領域內熟悉此技術之人可以經由以下實施例之示範與伴隨之圖式說明及申請專利範圍更清楚明瞭本發明。

10a‧‧‧滑動

15a‧‧‧滑動面

11a‧‧‧外力

10b‧‧‧雙晶

13a‧‧‧剪應力

11b‧‧‧雙晶面

20‧‧‧鑽尾模具

30a‧‧‧雙層鑽尾模具

30b‧‧‧多層鑽尾模具

35b‧‧‧第三層

21‧‧‧基體

31a‧‧‧抗磨層

31b‧‧‧第一層

40a‧‧‧雙區塊鑽尾模具

23‧‧‧加工部

33a‧‧‧韌性層

33b‧‧‧第二層

40b‧‧‧多區塊鑽尾模具

圖1.a係為顯示以硬質合金製作模具過程中，其金屬粉體材料受外力作用引起的滑動情形。

圖1.b係為顯示以硬質合金製作模具過程中，其金屬粉體材料受外力作用引起的雙晶情形。

圖2係為本創作鑽尾模具之結構立體圖。

圖3.a係顯示本創作鑽尾模具之雙層梯度結構圖。

圖3.b係顯示本創作鑽尾模具之三層梯度結構。

圖4.a係顯示本創作鑽尾模具之雙區塊梯度結構。

圖4.b係顯示本創作鑽尾模具之多區塊梯度結構。

本新型將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述。下列描述提供本新型特定的施行細節，俾使閱者徹底瞭解這些實施例之實行方式。然該領域之熟習技藝者須瞭解本發明亦可在不具備這些細節之條件下實行。此外，文中不會對一些已熟知之結構或功能或是作細節描述，以避免各種實施例間不必要相關描述之混淆，以下描述中使用之術語將以最廣義的合理方式解釋，即使其與本新型某特定實施例之細節描述一起使用。

根據本創作之一實施例，提出一種提升硬質合金性質的鑽尾模具(20)，該鑽尾模具(20)可具有雙層或多層硬質合金，請參閱圖2與圖3.a，該鑽尾模具(20)包含一基體(21)，以提供加工過程中鑽尾模具(20)的支撐，該基體(21)進一步包含第一層之抗磨層(31a)與第二層之韌性層(33a)，該抗磨層(31a)與加工材料和加工機台接觸的部分為較硬與耐磨的硬質合金；該韌性層(33a)為韌性較佳之硬質合金，以耐受加工機台的衝擊外力，使其不至於因加工過程中所受衝擊外力過大導致基體(21)破裂，其中該抗磨層(31a)之硬度大於該下部韌性料層(33a)；一加工部(23)，位於抗磨層(31a)上，以加工零附件。

根據本創作之另一實施例，請參閱圖4.a，該鑽尾模具(20)為雙區塊鑽尾模具(40a)，該抗磨層(31a)可位於韌性層(33a)之一側，該韌性層(33a)鄰接該抗磨層(31a)。該抗磨層(31a)與加工材料和加工機台接觸的部分為較硬與耐磨的硬質合金；該韌性層(33a)為韌性較佳之硬質合金，以耐受加工機台的衝擊外力，其抗磨層(31a)與韌性層(33a)所使用之材料成份範圍與雙層鑽尾模具(30a)相同。

根據本創作之一實施例，該鑽尾模具(20)為雙層鑽尾模具(30a)，參照圖3.a，其中上述之抗磨層(31a)之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢 (WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)或其它微量元素1-3%。

根據本創作之一實施例，該鑽尾模具(20)為雙層鑽尾模具(30a)，該韌性層(33a)之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)1-3%或其它微量元素。

根據本創作內容，該基體(21)所用硬質合金之主成份為碳化鎢(WC)，為黑色六方晶體，有金屬光澤，用於鍛造模具的粉體則呈細灰色，可用於鍛造時衝擊或擠壓的方式成形，其硬度與密度大約是鋼的兩倍，接近金剛石，楊氏模量約為530-700Gpa，並具有極高的熔點(2870℃)，因此普遍用於工業機械、切割工具、磨料、儀器零件與模具。由粉末所燒結碳化鎢模具非常耐磨，並且也可承受比標準高速鋼模具更高的溫度，即便於實際加工的過程中溫度上升，其硬度亦能維持穩定。

然而，碳化鎢本身缺乏足夠的韌性，而此對於鍛造模具是必不可少的性能，是故為了利用碳化鎢的硬度並使其兼具韌性，本創作以硬質合金所製作之鑽尾模具(20)在不同的實施例中，添加包含其他質地較軟的金屬作為接著劑，如鈷、鎳和鉻等等，鑽尾模具(20)在壓模的過程中，儘管成型壓力極高，碳化鎢粉粒也不會變形或破碎，但接著劑可藉由高壓進入碳化鎢粉粒的縫隙中，從而起到固定碳化鎢粉粒的作用，壓模的壓力越高則鑽尾模具(20)的成型能越緊密；此外，通過調整鑽尾模具(20)層與層之間的成份和微觀結構可根據模具製造零附件的需要以制定其機械性能，根據本創作一實施例，在硬質合金中加入一定量的釕或其它微量元素，則可在不降低強度下調整其韌性，鑽尾模具(20)依所生產的零附件，如噴砂機噴嘴、封膠模具、不銹鋼螺絲、不鏽鋼螺帽、螺絲束腳模具、耐衝擊套片等等所需的機械性能各不相同。

在本創作中，可依據鈷(CO)於各層中的比例，以調整硬質合金中的韌性與硬度，在本創作一實施例中，抗磨層(31a)的成分可為鈷(CO)8%，碳化鎢(WC)89%，碳化鉻(Cr₃C₂)3%或其它微量元素；韌性層(33a)的成分可為鈷(CO)10%，碳化鎢(WC)87%，碳化鉻(Cr₃C₂)3%，如此可使抗磨層(31a)之硬度大於韌性層(33a)，而韌性層(33a)之韌度大於抗磨層(31a)。

根據本創作之實施例，鑽尾模具(20)中添加碳化鉻以控制燒結時的碳化鎢粒徑大小。在燒結過程中，碳化鎢粉粒為了形成一完全密實的材料，需在液相燒結的過程中，通過溶解再析出的過程結合並長大，而為了控制其粒徑的大小與長大的速度，則需添加碳化鉻，其亦可為但不限於碳化釩(VC)、碳化鈦(TiC)、碳化鉭(TaC)和碳化鈮(NbC)等微量元素。

根據本創作之實施例，鑽尾模具(20)中之碳化鎢粒徑大小為0.5-15μm。

根據本創作之內容，上述之抗磨層(31a)與韌性層(33a)之硬度梯度為非連續變化。該非連續變化的硬度梯度除可使鑽尾模具(20)的上抗磨層(31a)與加工機具接觸的部分能耐磨損外，其韌性層(33a)之韌性也能耐受加工機具的衝擊外力，同時每層梯度分佈平均，能使鑽尾模具(20)之受加工機具外力方向受力平均，從而使產出之零附件擁有較佳之公差精度，亦能延長鑽尾模具(20)的使用壽命。其中上述之抗磨層(31a)與韌性層(33a)之梯度可為成份梯度，或是粒徑梯度。

根據本創作之一實施例，該抗磨層(31a)之硬度(HRA)為80-95。

根據本創作之再一實施例，該韌性層(33a)之硬度(HRA)為80-95。

請參閱圖2，根據本創作之一實施例，該加工部(23)為一「T」字構型凹槽，設於鑽尾模具(20)結構包含抗磨層(31a)，該「T」字構型凹槽從鑽尾模具(20)之一側至另一側，並在兩側之間垂直延伸，以容納加工之材料。

根據本創作之另一實施例，該加工部(23)不限於一「T」字構型凹槽，可由欲製造的零附件形狀進行調整，如噴砂機噴嘴、封膠模具、不銹鋼螺絲、不鏽鋼螺帽、螺絲束腳模具、耐衝擊套片等等。

根據本創作之另一實施例，該鑽尾模具(20)可具有雙層或多層硬質合金之多層結構，請參閱圖2與圖3.b，該鑽尾模具(20)之基體(21)進一步包含具有抗磨特性之第一層(31b)，具有抗磨特性之第三層(35b)與中間具有韌性之韌性層(33b)，其中，該第一層(31b)和第三層(35b)與加工材料和加工機台接觸的部分為較硬與耐磨的硬質合金；該中間韌性層(33b)為韌性較佳之硬質合金，以耐受加工機台的衝擊外力，使其不至於因加工過程中所受衝擊外力過大導致基體(21)破裂，其中本實施例之第一層(31b)與第三層(35b)之硬度大於第二層(33b)。一加工部(23)，位於第一層(31b)上，以加工零附件。

根據本創作之另一實施例，請參閱圖4.b，該鑽尾模具(20)為多區塊鑽尾模具(40b)，該第一層(31b)可位於第二層(33b)之一側，該第二層(33b)鄰接該第一層(31b)，第三層(35b)位於第二層(31b)下方。該第一層(33a)和第三層(35b)與加工材料和加工機台接觸的部分為較硬與耐磨的硬質合金；該第三層(35b)為韌性較佳之硬質合金，以耐受加工機台的衝擊外力，其中第一層(31b)、第三層(35b)和第二層(33b)所使用之材料成份範圍與多層鑽尾模具(30b)相同。

根據本創作之一實施例，該鑽尾模具(20)為多層鑽尾模具(30b)，本實施例之第一層(31b)與第三層(35b)之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)1-3%或其它微量元素。

根據本創作之一實施例，該鑽尾模具(20)為多層鑽尾模具(30b)，該第二層(33b)之成份範圍為：鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)1-3%或其它微量元素。

在本創作中，可依據鈷(CO)於各層中的比例，以調整硬質合金中的韌性與硬度，在本創作一實施例中，第一層(31b)與第三層(35b)的成分可為鈷(CO)8%，碳化鎢(WC)89%，碳化鉻(Cr₃C₂)3%或其它微量元素；第二層(33b)的成分可為鈷(CO)10%，碳化鎢(WC)87%，碳化鉻(Cr₃C₂)3%，如此可使第一層(31b)與第三層(35b)之硬度大於第二層(33b)，而第二層(33b)之韌度大於第一層(31b) 與第三層(35b)。

根據本創作之內容，本實施例之第一層(31b)、第三層(35b)與第二層(33b)之硬度梯度為非連續變化。該非連續變化的硬度梯度除可使第一層(31b)和第三層(35b)與加工機具接觸的部分能耐磨損外，其中間第二層(33b)之韌性也能耐受加工機具的衝擊外力，同時每層梯度分佈平均，能使鑽尾模具(20)之受加工機具外力方向受力平均，從而使產出之零附件擁有較佳之公差精度，亦能延長鑽尾模具(20)的使用壽命。其中，第一層(31b)、第三層(35b)與第二層(33b)之梯度可為成份梯度，或是粒徑梯度。

根據本創作之一實施例，該第一層(31b)之硬度(HRA)為80-95。

根據本創作之一實施例，該第二層(33b)之硬度(HRA)為80-95。

根據本創作之再一實施例，該第三層(35b)之硬度(HRA)為80-95。

根據本創作之實施例，雙層鑽尾模具(30a)之具體使用方法，為兩個雙層鑽尾模具(30a)設於抗磨層(31a)之加工部(23)於填入加工材料後，使兩加工部(23)相互施予一外力相互衝擊，使加工材料塑型為所欲零附件之形狀，而完成的零附件在兩雙層鑽尾模具(30a)打開後從中間落下。

根據本創作之另一實施例，多層鑽尾模具(30b)之具體使用方法，為兩多層鑽尾模具(30b)設於第一層(31b)之加工部(23)於填入加工材料後，使兩加工部(23)相互施予一外力相互衝擊，使加工材料塑型為所欲零附件之形狀，而完成的零附件在兩多層鑽尾模具(30b)打開後從中間落下。

Claims

一種多層鑽尾模具，其包含：一第一層，具有抗磨特性；以及，一第二層，鄰接該第一層，該第二層之韌性較該第一層大。
如請求項1所述之多層鑽尾模具，更包含一第三層，緊鄰該第二層，該第三層具有抗磨特性。
如請求項2所述之多層鑽尾模具，其中該第一層與該第三層包含鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)1-3%或其它微量元素。
如請求項1所述之多層鑽尾模具，其中該第二層包含鈷(CO)5-26%，碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)1-3%或其它微量元素。
如請求項2所述之多層鑽尾模具，其中該第一層與該第三層之硬度大於該第二層之硬度。
一種多層鑽尾模具，其包含：一第一層，具有抗磨特性；一第二層，鄰接該第一層，該第二層之韌性較該第一層大；以及，一第三層，鄰接該第二層，具有抗磨特性，該第二層之韌性較該第三層大；其中該第一層與該第三層之硬度大於該第二層之硬度。
如請求項6所述之多層鑽尾模具，其中該第二層包含碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)1-3%或其它微量元素。
如請求項6所述之多層鑽尾模具，其中該第一層與該第三層包含碳化鎢(WC)73-94%，碳化鉻(Cr₃C₂)1-3%或其它微量元素。
如請求項7或8所述之多層鑽尾模具，其中之第一層及第三層包含鈷。
如請求項7或8所述之多層鑽尾模具，其中之第二層包含鈷。