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硬質合金刀具發展的現狀與展望

2016-1-18 來源：臨沂職（zhí）業學院作者：王守峰

摘要：文章闡述了當（dāng）前硬質合金刀具發展的狀況，包（bāo）括硬質合（hé）金刀具晶粒更加細化，硬度強度（dù）均有（yǒu）提高（gāo），成型和磨削技術有了改善，並針對當前的狀況討論了中國（guó）硬質合金所麵臨的問題，提出了我國硬質合金刀具改革的方向。

關鍵詞：硬質合金；刀具； WC 晶粒度（dù）；非可再生資（zī）源

機械製造業是全球重要的支柱性經濟產業（yè），而刀具又是製（zhì）約機械製造業生產力水平的重要因素，因此發展機械製造業，就（jiù）必須（xū）發展刀具的研究和製（zhì）造。世界刀具的市場總額（é）為 1

10 億美元，硬質合金刀具占其（qí）中份額的 80％，而國（guó）內這一比例則高達 90％。其主要原因（yīn）現在加工材料總的機械性（xìng）能（néng）的（de）提高，使過去用的工具鋼和高速鋼不能滿足要求，因此人們越來越青睞於切削（xuē）性能較工具（jù）鋼和高速（sù）鋼更為優異的硬質合（hé）金刀具。硬質合金由（yóu） Schroter 於1926 年首先發明，發展速度（dù）較快,1947 年世界硬質（zhì）合金產量還（hái）隻有 1600t，現今世界硬質（zhì）合金產量（liàng）已經（jīng）超過 38000t，且硬（yìng）質（zhì）合（hé）金刀具的硬（yìng）度已（yǐ）達 89～93HRA，在 1000℃的高溫下仍具有較好的紅硬性，其耐用度是高速鋼刀具的幾十倍。

1 硬質合（hé）金刀具的發展現狀

1.1 合金刀具晶粒細化（huà），硬度和強度均有所提高（gāo）

根據（jù）硬質合金碳化鎢平均晶粒度（dù）的大小（xiǎo），將硬質合金分為：納米晶粒硬（yìng）質合金（粒度<0.2um）；亞（yà）微（wēi）米晶粒硬質合金（0.2um<粒度<0.5um）；亞微米晶粒硬質合金（0.5um<粒度<0.8um)；細晶粒硬質合金（0.8um<粒度<2.0um)；中晶粒硬質合金（2.0um<粒度<5.0um）；粗晶（jīng）粒硬質合金（5.0um<粒度<6.0um）；超粗晶粒硬質（zhì）合金（粒度>6.0um）。科（kē）研人員通過大量研究發現,硬質合（hé）金在粘結相含量不變的（de）情況下,當碳化鎢晶粒度減少到 1 μ m 以下時其（qí）合金的硬度和強度都有有提高,而且隨著晶粒度進一步減小,硬度和強（qiáng）度提高幅度會更加明顯，因此超細晶粒合金（jīn）刀具越（yuè）來越得（dé）到人們的青睞。

超細晶粒硬質合金前提是需要有優質超細碳化鎢（wū）粉末，目前國內外應用較成熟的方法是低溫順氫還原製取超細鎢粉，經（jīng）低溫碳化（huà）後（hòu）得到超細 WC 粉，但此方法的生產效率隻有普通 WC 粉末生產效率的十分之一。

由於（yú）燒結過程中會發（fā）生晶粒地（dì）長大，所以要通過一定（dìng）的方法來抑製晶粒長（zhǎng）大，一般通過兩種途徑：一方麵，改進燒結方式，燒結是硬質合金生成（chéng）過程（chéng）的最後一道工序,也是最基本、最關鍵的一道工序（xù），通過適當的燒結方式，如通低壓燒結、過熱等靜壓技術，使液態的Co 更（gèng）加（jiā）充分流動，分布更加均勻，潤濕性能更好，通過降低縮結溫度和縮短燒結時（shí）間，控製（zhì） WC 的生長（zhǎng）。另一方麵，就是在合金粉末中加入一（yī）些抑製劑，這些抑製劑在燒結過程中可以有效地抑製晶粒長大並獲（huò）得均勻超細地晶粒。一般用的抑製劑多數時 VC 和 Cr3C2 等，一（yī）般認為（wéi）它們所起的抑製作用有以下三種：（1）一部分 VC、Cr3C2 晶粒生長抑製劑吸附在 WC晶粒的表麵，形成的小晶（jīng）粒，降低了 WC 的表麵能（néng），通過降低 WC 晶粒之間的表麵能來抑製 WC 晶粒的長大：（2）一部分 VC、Cr3C2 晶粒生（shēng）長抑製劑溶解在（zài）液相（xiàng）的 Co 裏，從而降（jiàng）低了（le） WC 在 Co 的溶解度，阻止（zhǐ）了 WC 通過（guò）液相重（chóng）結晶的長大；（3）剩餘部（bù）分（fèn）的 VC、Cr3C2 晶粒生（shēng）長（zhǎng）抑製劑沿 WC 晶界偏聚，阻礙了 WC 晶界（jiè）的偏移，防止（zhǐ） WC 顆粒發生長大。

1.2 成型技術和（hé）磨削（xuē）技術的改善（shàn）提升了硬質合（hé）金的製（zhì）造水平

現在由於擠（jǐ）壓設備，擠壓工藝（yì）和（hé）模具設計以及擠壓（yā）用成型劑的重大進步，不（bú）但可以擠（jǐ）壓（yā）出晶粒小於 0.5um 直徑 40mm 的大棒材，而且可以擠壓帶單孔，雙孔（kǒng）和雙（shuāng）螺線內冷孔的複雜型（xíng）材（cái），為實現硬質合金刀具高效冷卻和排屑順利的突破奠定了良好的基礎，並且由於高精（jīng）度的三（sān）軸聯動、五軸聯動的工具磨床的普及與應用，可以加工出的（de）刀具更加多樣化，先進的全自動刀具（jù）製造單元 CAE 仿真係統（tǒng），可以在計算機（jī）上模擬刀具磨（mó）削的全部過程，並分析在加工過程中可能出現（xiàn）的問題顯現出來，經過修正後，將將磨削的數控程（chéng）序、砂輪數據和磨削參數傳送（sòng）到數控（kòng）工具磨床進（jìn）行加工，實現了從初始胚料到（dào）成品刀具的全自動加（jiā）工。

1.3 塗層材料有了改變

近年來（lái），CVD 塗層變化不大，主（zhǔ）要還（hái）是以前 TiC，TiC/TiN 、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN、TiC/Al2O3/TiN 等，但是又增加了 TiCN/Al2O3，TiCN/TiC/TiN，TiCN/TiC/Al2O3，TiCN/Al2O3/TiN ,TiCN/TiC/Al2O3/TiN,TiCN/Al2O3/TiCN/TiN,TiC/TiCN/TiN,TiN/TiCN/TiN 等，改變了以 TiC 為底層是傳統（tǒng）的做法，現在多用 TiCN 為底層，也（yě）有用 TiN 為底層的，主要作用是增加塗（tú）層（céng）與基體的粘結性。

PVD 除了以前使（shǐ）用的 TiN 材料，現在又新興了 TiAlN 和 AlTiN 塗層（céng）材（cái）料，其使用效（xiào）果要優於 TiN 塗層材料。

2 硬質合金的資源回收（shōu）利用（yòng）逐（zhú）步發展

由於硬質合金刀具的主要材料是（shì） W、Co 等非（fēi）可再生資源，其經濟價值（zhí）和製造（zào）成本都非常高，因此對廢舊硬質合金刀具資源回收是非常有價值和意義。以前硬質合金的產（chǎn）量小，W、Co 需求量小（xiǎo），價格也相對較低，而現在由於硬質合金刀具的需求量增大，W、Co 資源不斷減少，因此對硬質合金刀具的資源回收利（lì）用，各國都已提上日程。現階段已有的回收工藝歸結起來主要有四種：

一是高（gāo）溫處理法，有硝石熔融法（fǎ）、空氣氧化燒結法、通（tōng）氧煆燒法等；二是機械破碎法（fǎ），有冷碎粉碎法、熱碎粉碎（suì）法、鋅熔法等；三是化（huà）學處理法，有金屬（shǔ）多價鹽處理法、氯化法（fǎ）、磷酸浸出法、鹽酸處理法等（děng）；四是電化學法，有（yǒu）以堿（jiǎn）作（zuò）電介質、以鹽酸或硫（liú）酸、硝（xiāo）酸作電介（jiè）質的不同工藝路線；還有用通高壓氧、以氨水（shuǐ）或胺溶液浸取法；羰基化合物法和水蒸氣升華三氧化（huà）鎢的（de）分（fèn）解法等等。

3 我國硬質合金刀具發展（zhǎn）所遇到的問題

我國硬質合金刀（dāo）具工（gōng）業和一些工業發達（dá）的國家差距正在逐步縮小，但是（shì）在發（fā）展的過程中遇到了一些（xiē）不容忽視的問題：產業結構（gòu）和產品結構不合理，硬質合金廠家沒有獨有特色的產品；生（shēng）產設備落後，技術含量低，產品主要集中在中低檔產（chǎn）品上，高檔產品（pǐn）一（yī）直牢牢地掌握在發達工業（yè）國家手中；由於一些國外（wài）大型的硬質（zhì）合（hé）金廠如瑞典山特維克、美國肯納、德國瓦（wǎ）爾特、日本富士精工等來我國創辦獨（dú）資和控股公司，使得市場（chǎng）競爭程度加劇；以前對於鎢礦的亂采濫挖和低價出口，和對資源回收利用不夠重視，中國的鎢儲存量特別是高品味鎢精礦已經不（bú）多，出現原材料（liào）供應出（chū）現緊張（zhāng）狀況。

4 結語

世界硬質合金刀具（jù）正向著超細雙高方向發展（zhǎn），科學技術含量越來越高，我國應該加緊改善產（chǎn）業結構和產品結構，在產品研發和（hé）資源回收上（shàng）要加大力度（dù），企業和企業之間（jiān），企業和高校之間相互交流，共同發展，並吸收引進國外先進（jìn）的技（jì）術和設備，總結（jié）經驗，拓寬銷售渠道、完善售後服務，打造企（qǐ）業自己的特色品牌，爭取在高檔產品中占有一席之地。

參考文獻

[1] 胡學（xué）.整體合金刀具的產業現狀與（yǔ）發展趨勢[J].硬質合金,2004(4):249-251.

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[3] 餘立新,胡惠勇.世界硬質合金材料技術新（xīn）進展[J].硬質合金,2006(1):52-57.

作（zuò）者簡介：王守峰（1980- ），男，碩士，主要從事硬質合金的生產及研究。

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