因瓦合金模具 市場(chǎng)調研報告
1 模具作為工業(yè)生產(chǎn)的工藝裝備，隨時(shí)產(chǎn)品精細化發(fā)展，當今制造模具的新材料新工藝層次不窮。本次調研主要針對 因瓦合金模具進(jìn)行說(shuō)明。
本文主要闡述模具 國內外發(fā)展現狀，國內主要使用單位，模具優(yōu)劣勢，技術(shù)特點(diǎn)，應用前景。
注：本報告整合了多家權威機構的數據資源和專(zhuān)家資源,從眾多數據中提煉出了精當、真正有價(jià)值的情報,并結合了產(chǎn)品所處的環(huán)境,從理論到實(shí)踐、宏觀(guān)與微觀(guān)等多個(gè)角度進(jìn)行研究分析,其結論和觀(guān)點(diǎn)力求達到前瞻性、實(shí)用性和可行性的統一。
Ni36Fe 因瓦合金是一種非常重要的鎳合金功能金屬材料，屬于特殊合金的膨脹合金系列。膨脹合金是指在應用中對膨脹系數僅有特定要求的一類(lèi)精密合金。它在精密合金中占有很大比重，不僅應用數量大、產(chǎn)品價(jià)值也較高。它在電子工業(yè)中的應用非常廣泛，電子管、晶體管集成電路以及電容、繼電器等都要用到膨脹合金，近年來(lái)電子電工工業(yè)的迅速發(fā)展，膨脹合金使用量很大。在復材模具領(lǐng)域應用屬于老材料新用途。
復合材料具有密度小、強度高、疲勞性能好等系列特點(diǎn)，應用于航空航天產(chǎn)品中能夠帶來(lái)多方面綜合效益，如減輕機體結構、延長(cháng)維護間隔和降低運營(yíng)成本等。這些優(yōu)點(diǎn)使得復合材料日漸成為大型飛機制造的基本材料之一。復合材料的制備技術(shù)也成為國產(chǎn)大型飛機研發(fā)中的關(guān)鍵性技術(shù)之。與傳統的模具制造材料如碳鋼、鋁合金相比，Invar合金的熱膨脹系數與復合材料的相近，采用其作為復合材料制件的成
2 型模具可解決因模具材料與復合材料熱膨脹系數差異所導致的型面超差與尺寸精度超差問(wèn)題，并且具有良好的結構穩定性及真空穩定性。另一方面，與石墨、碳纖維等模具材料相比，Invar 合金的原材料及其模具結構制造成本要低得多。因此，在航空復合材料模具制造領(lǐng)域開(kāi)始越來(lái)越多地采用 Invar 合金。
國際以法國殷菲為龍頭代表，型號 Invar36，國內近似有 4J36、4J32。
1 、國內外發(fā)展現狀 航空和航天領(lǐng)域都需使用低膨脹高溫合金，但在這兩個(gè)領(lǐng)域使用的側重點(diǎn)不同。航空領(lǐng)域，由于具有高強度和低膨脹等特性，低膨脹高溫合金能?chē)栏窨刂瓢l(fā)動(dòng)機轉動(dòng)部件和靜止部件間的間隙和公差，提高能量輸出和燃油效率。航空工業(yè)上低膨脹高溫合金主要用于渦輪發(fā)動(dòng)機機匣、渦輪外環(huán)以及封嚴圈、蜂窩支撐環(huán)等零部件的制造，以縮小葉片與機匣、封套之間的間隙，降低燃氣損失，提高發(fā)動(dòng)機的推力和效率。高強度增加了合金的強度:密度比以降低飛機發(fā)動(dòng)機重量，低膨脹高溫合金廣泛用于燃氣輪機和蒸汽渦輪的密封環(huán)、外環(huán)、隔熱環(huán)、軸、機匣、葉片、護罩、緊固件和其它結構部件。如 CFM-56、V-2500、F101、F119 等發(fā)動(dòng)機都大量使用了低膨脹高溫合金，有的用量已達到發(fā)動(dòng)機重量的 25%。因瓦合金相對應的國內典型牌號為 4J36合金，含 35．0％～37．0％Ni、余為 Fe 的低膨脹合金，在． 60～l00℃溫度范圍內具有很小的膨脹系數，居里點(diǎn)較高，低溫組織穩定性良好。該合金具有非常廣泛的應用領(lǐng)域，在應用中得到不斷發(fā)展。
3 國內外因瓦合金性能對比，第一~三排分別對一個(gè)牌號為法國Invar 36、國內 4J36、國內 4J32。
2 、國內主要使用單位 （1）航空工業(yè)昌河飛機工業(yè)（集團）有限責任公司。—承制因瓦合金模具飛機水平面承扭盒，產(chǎn)品外形 3 000 mmX 580 mm×200 mm； （2）航空工業(yè)西安飛機工業(yè)（集團）有限責任公司。ARJ 翼梢機翼類(lèi)模具—因瓦合金，產(chǎn)品外形尺寸為 1 500 mm×2 400 mm，最大拱高達 300 mm； （3）湖南航天環(huán)宇通信科技股份有限公司。
國內因瓦合金模具產(chǎn)品圖示例如下：
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3 、模具優(yōu)勢 因瓦合金（Invariable Alloy），因瓦合金的熱膨脹系數僅為 2.2×10- 6/℃左右，遠低于目前已知的任何一種金屬的熱膨脹系數，且經(jīng)
5 適當的回火、壓延或旋展后熱膨脹系數接近零。
因瓦合金與復合材料產(chǎn)品的熱膨脹性能相匹配，焊接性能好、耐溫性能好、使用壽命長(cháng)，被認為是最具有競爭力的一種模具材料，也是近年來(lái)國外大量使用的一種模具材料。
4 、技術(shù)特點(diǎn) （1 ）焊接：
因瓦合金模具的加工成形成為一大難題，焊接成為較為通用的一種方法。對于大型復雜的焊接結構，構件結構、焊接工藝、施焊條件等對焊后構件的變形及殘余應力分布有很大的影響；在焊接過(guò)程中，焊接參數控制不當易出現氣孔、縮松、咬邊等缺陷，嚴重影響焊接質(zhì)量。大量研究表明，傳統的針對厚板材料的多層多道電弧焊存在焊縫晶粒粗大、熔深較淺、焊后變形嚴重及生產(chǎn)效率低等問(wèn)題。在 Invar合金厚板焊接過(guò)程中，由于母材較高的 Ni 元素含量導致熔池液態(tài)金屬流動(dòng)性差，故極易產(chǎn)生未焊透、根部未熔合等缺陷，焊件殘余應力較大。一 光纖激光一 MIG 復合焊作為一種新型高效的焊接工藝，采用激光和 MIG 電弧作為雙重熱源同時(shí)作用在一個(gè)熔池中，通過(guò)激光引導并穩定電弧。同時(shí)，電弧又能夠提高焊件對激光的吸收率，增強熔滴過(guò)渡橋接能力。復合焊技術(shù)既充分發(fā)揮了弧焊和激光焊的優(yōu)勢，又彌補了各自的不足，能較好地滿(mǎn)足 Invar 合金模具的生產(chǎn)加工需求，極具應用前景。
?。? ）高精度模具加工 高精度模具的加工，是先在模具基體上加工出一定形狀的型腔，
6 然后再進(jìn)行最終研磨加工，以達到表面粗糙度(Ra<0．1 m)的要求．模具型腔的加工分粗加工、半粗加工和加工．拔模斜度的加工是模具加工所特有的．就現有的加工能力來(lái)說(shuō)，這些加工很難 100％地用 C ／CAM 系統來(lái)完成．仿形加工和 NC 加工是模具加工中有代表性的兩種加工的方法。
?。? ）模具的研磨與拋光情況 研磨、拋光的主要目的是去除形狀加工中形成的加工變質(zhì)層，使表面光滑平整．其加工分為兩個(gè)階段，即除去切削波紋痕跡的光整加工和提高表面質(zhì)量降低粗糙度 Ry 值的鏡面加工。在鏡面加工中，要求模具的尺寸精度和形狀精度不能降低，特別是尖角和拐角處不能產(chǎn)生崩碎和塌邊，這道工序一般用砂布進(jìn)行手工拋光。
模具是加工工具，所以它的精加工質(zhì)量比一般零件更重要，模具的研磨分手工研磨和機械研磨兩大類(lèi)。手工研磨主要有砂布研磨、油石研磨、金剛研磨膏研磨和毛氈研磨四種。用手工研磨，加工效率低，還要求操作者具有一定的加工技巧；防止不受操作者的限制，并提高加工效率，已開(kāi)發(fā)了多種機械研磨裝置，如回轉研磨裝置、超聲波研磨裝置及電解研磨裝置等．超聲波研磨通過(guò)控制振幅，可以進(jìn)行無(wú)波紋研磨，操作性好且加工時(shí)間僅為手工操作時(shí)間的 20％．回轉研磨和超聲波研磨都是利用機械方法去除加工表面的凸起部分，而電解研磨是用化學(xué)方法溶解工件表面的凸起部分，以達到加工表面的目的．電解研磨方法與其他方法相比，不僅加工時(shí)間短，而且不會(huì )產(chǎn)生硬化層；由于工具磨損小，特別適合于細孔和窄縫的研磨。
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組合使用方案 通過(guò)分析仿形加工、NC 加工各自的特點(diǎn)，提出構建一種系統，將兩者有機地結合起來(lái)，以適應模具的加工．在模具型腔表面研磨、拋光過(guò)程中為提高加工效率可將各種方法融合在一起，在保證加工質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)率。盡管現在模具精度要求越來(lái)越高，材料越來(lái)越難加工，但隨著(zhù) CAD AM 技術(shù)的不斷發(fā)展及各種新加工技術(shù)的不斷涌現，所加工出的模具質(zhì)量將越來(lái)越高，完全可以滿(mǎn)足產(chǎn)品的需要。
5 、應用前景 因瓦合金因低膨脹系數使得能在很寬的溫度范圍內保持固定 長(cháng)度，因此在航空航天領(lǐng)域為主要應用案例，目前模具精度可達到均方根 18μm。
根據目前國內航空產(chǎn)品對高精度高質(zhì)量要求的提高，每年模具因瓦合金模具投入費用為 6 億人民幣（數據源于 2018 年“中國國際復合材料展覽會(huì )” ）并保持 20%速度的遞增，到十四五期間將達到 40-50億規模，隨著(zhù)航天、軍工、高精度民用行業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)規模將繼續增大。
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