硬質(zhì)合金刀具發(fā)展的現(xiàn)狀與展望
2016-1-18 來(lái)源：臨沂職業(yè)學(xué)院 作者：王守峰
摘要：文章闡述了當(dāng)前硬質(zhì)合金刀具發(fā)展的狀況，包括硬質(zhì)合金刀具晶粒更加細(xì)化，硬度強(qiáng)度均有提高，成型和磨削技術(shù)有了改善，并針對(duì)當(dāng)前的狀況討論了中國(guó)硬質(zhì)合金所面臨的問(wèn)題，提出了我國(guó)硬質(zhì)合金刀具改革的方向。
關(guān)鍵詞：硬質(zhì)合金；刀具； WC 晶粒度； 非可再生資源
機(jī)械制造業(yè)是全球重要的支柱性經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)，而刀具又是制約機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)力水平的重要因素，因此發(fā)展機(jī)械制造業(yè)，就必須發(fā)展刀具的研究和制造。世界刀具的市場(chǎng)總額為 1
10 億美元，硬質(zhì)合金刀具占其中份額的 80％，而國(guó)內(nèi)這一比例則高達(dá) 90％。其主要原因現(xiàn)在加工材料總的機(jī)械性能的提高，使過(guò)去用的工具鋼和高速鋼不能滿足要求，因此人們?cè)絹?lái)越青睞于切削性能較工具鋼和高速鋼更為優(yōu)異的硬質(zhì)合金刀具。硬質(zhì)合金由 Schroter 于1926 年首先發(fā)明，發(fā)展速度較快,1947 年世界硬質(zhì)合金產(chǎn)量還只有 1600t，現(xiàn)今世界硬質(zhì)合金產(chǎn)量已經(jīng)超過(guò) 38000t，且硬質(zhì)合金刀具的硬度已達(dá) 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(zhì)合金刀具的發(fā)展現(xiàn)狀
1.1 合金刀具晶粒細(xì)化，硬度和強(qiáng)度均有所提高
根據(jù)硬質(zhì)合金碳化鎢平均晶粒度的大小，將硬質(zhì)合金分為：納米晶粒硬質(zhì)合金（粒度<0.2um）；亞微米晶粒硬質(zhì)合金（0.2um<粒度<0.5um）；亞微米晶粒硬質(zhì)合金（0.5um<粒度<0.8um)；細(xì)晶粒硬質(zhì)合金（0.8um<粒度<2.0um)；中晶粒硬質(zhì)合金（2.0um<粒度<5.0um）；粗晶粒硬質(zhì)合金（5.0um<粒度<6.0um）；超粗晶粒硬質(zhì)合金（粒度>6.0um）。科研人員通過(guò)大量研究發(fā)現(xiàn),硬質(zhì)合金在粘結(jié)相含量不變的情況下,當(dāng)碳化鎢晶粒度減少到 1 μ m 以下時(shí)其合金的硬度和強(qiáng)度都有有提高,而且隨著晶粒度進(jìn)一步減小,硬度和強(qiáng)度提高幅度會(huì)更加明顯，因此超細(xì)晶粒合金刀具越來(lái)越得到人們的青睞。
超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金前提是需要有優(yōu)質(zhì)超細(xì)碳化鎢粉末，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較成熟的方法是低溫順氫還原制取超細(xì)鎢粉，經(jīng)低溫碳化后得到超細(xì) WC 粉，但此方法的生產(chǎn)效率只有普通 WC 粉末生產(chǎn)效率的十分之一。
由于燒結(jié)過(guò)程中會(huì)發(fā)生晶粒地長(zhǎng)大，所以要通過(guò)一定的方法來(lái)抑制晶粒長(zhǎng)大，一般通過(guò)兩種途徑：一方面，改進(jìn)燒結(jié)方式，燒結(jié)是硬質(zhì)合金生成過(guò)程的最后一道工序,也是最基本、最關(guān)鍵的一道工序，通過(guò)適當(dāng)?shù)臒Y(jié)方式，如通低壓燒結(jié)、過(guò)熱等靜壓技術(shù)，使液態(tài)的Co 更加充分流動(dòng)，分布更加均勻，潤(rùn)濕性能更好，通過(guò)降低縮結(jié)溫度和縮短燒結(jié)時(shí)間，控制 WC 的生長(zhǎng)。另一方面，就是在合金粉末中加入一些抑制劑，這些抑制劑在燒結(jié)過(guò)程中可以有效地抑制晶粒長(zhǎng)大并獲得均勻超細(xì)地晶粒。一般用的抑制劑多數(shù)時(shí) VC 和 Cr3C2 等，一般認(rèn)為它們所起的抑制作用有以下三種：（1）一部分 VC、Cr3C2 晶粒生長(zhǎng)抑制劑吸附在 WC晶粒的表面，形成的小晶粒，降低了 WC 的表面能，通過(guò)降低 WC 晶粒之間的表面能來(lái)抑制 WC 晶粒的長(zhǎng)大：（2）一部分 VC、Cr3C2 晶粒生長(zhǎng)抑制劑溶解在液相的 Co 里，從而降低了 WC 在 Co 的溶解度，阻止了 WC 通過(guò)液相重結(jié)晶的長(zhǎng)大；（3）剩余部分的 VC、Cr3C2 晶粒生長(zhǎng)抑制劑沿 WC 晶界偏聚，阻礙了 WC 晶界的偏移，防止 WC 顆粒發(fā)生長(zhǎng)大。
1.2 成型技術(shù)和磨削技術(shù)的改善提升了硬質(zhì)合金的制造水平
現(xiàn)在由于擠壓設(shè)備，擠壓工藝和模具設(shè)計(jì)以及擠壓用成型劑的重大進(jìn)步，不但可以擠壓出晶粒小于 0.5um 直徑 40mm 的大棒材，而且可以擠壓帶單孔，雙孔和雙螺線內(nèi)冷孔的復(fù)雜型材，為實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金刀具高效冷卻和排屑順利的突破奠定了良好的基礎(chǔ)， 并且由于高精度的 三軸聯(lián)動(dòng)、五軸聯(lián)動(dòng)的工具磨床的普及與應(yīng)用，可以加工出的刀具更加多樣化，先進(jìn)的全自動(dòng)刀具制造單元 CAE 仿真系統(tǒng)，可以在計(jì)算機(jī)上模擬刀具磨削的全部過(guò)程，并分析在加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題顯現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)修正后，將將磨削的數(shù)控程序、砂輪數(shù)據(jù)和磨削參數(shù)傳送到數(shù)控工具磨床進(jìn)行加工，實(shí)現(xiàn)了從初始胚料到成品刀具的全自動(dòng)加工。
1.3 涂層材料有了改變
近年來(lái)，CVD 涂層變化不大，主要還是以前 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(xiàn)在多用 TiCN 為底層，也有用 TiN 為底層的，主要作用是增加涂層與基體的粘結(jié)性。
PVD 除了以前使用的 TiN 材料， 現(xiàn)在又新興了 TiAlN 和 AlTiN 涂層材料，其使用效果要優(yōu)于 TiN 涂層材料。
2 硬質(zhì)合金的資源回收利用逐步發(fā)展
由于硬質(zhì)合金刀具的主要材料是 W、Co 等非可再生資源，其經(jīng)濟(jì)價(jià)值和制造成本都非常高，因此對(duì)廢舊硬質(zhì)合金刀具資源回收是非常有價(jià)值和意義。以前硬質(zhì)合金的產(chǎn)量小，W、Co 需求量小，價(jià)格也相對(duì)較低，而現(xiàn)在由于硬質(zhì)合金刀具的需求量增大，W、Co 資源不斷減少，因此對(duì)硬質(zhì)合金刀具的資源回收利用，各國(guó)都已提上日程。現(xiàn)階段已有的回收工藝歸結(jié)起來(lái)主要有四種：
一是高溫處理法，有硝石熔融法、空氣氧化燒結(jié)法、通氧煅燒法等；二是機(jī)械破碎法，有冷碎粉碎法、熱碎粉碎法、鋅熔法等；三是化學(xué)處理法，有金屬多價(jià)鹽處理法、氯化法、磷酸浸出法、鹽酸處理法等；四是電化學(xué)法，有以堿作電介質(zhì)、以鹽酸或硫酸、硝酸作電介質(zhì)的不同工藝路線；還有用通高壓氧、以氨水或胺溶液浸取法；羰基化合物法和水蒸氣升華三氧化鎢的分解法等等。
3 我國(guó)硬質(zhì)合金刀具發(fā)展所遇到的問(wèn)題
我國(guó)硬質(zhì)合金刀具工業(yè)和一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家差距正在逐步縮小，但是在發(fā)展的過(guò)程中遇到了一些不容忽視的問(wèn)題：產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不合理，硬質(zhì)合金廠家沒(méi)有獨(dú)有特色的產(chǎn)品；生產(chǎn)設(shè)備落后，技術(shù)含量低，產(chǎn)品主要集中在中低檔產(chǎn)品上，高檔產(chǎn)品一直牢牢地掌握在發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家手中；由于一些國(guó)外大型的硬質(zhì)合金廠如瑞典山特維克、美國(guó)肯納、德國(guó)瓦爾特、日本富士精工等來(lái)我國(guó)創(chuàng)辦獨(dú)資和控股公司，使得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)程度加劇；以前對(duì)于鎢礦的亂采濫挖和低價(jià)出口，和對(duì)資源回收利用不夠重視，中國(guó)的鎢儲(chǔ)存量特別是高品味鎢精礦已經(jīng)不多，出現(xiàn)原材料供應(yīng)出現(xiàn)緊張狀況。
4 結(jié)語(yǔ)
世界硬質(zhì)合金刀具正向著超細(xì)雙高方向發(fā)展，科學(xué)技術(shù)含量越來(lái)越高，我國(guó)應(yīng)該加緊改善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在產(chǎn)品研發(fā)和資源回收上要加大力度，企業(yè)和企業(yè)之間，企業(yè)和高校之間相互交流，共同發(fā)展，并吸收引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)和設(shè)備，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，拓寬銷售渠道、完善售后服務(wù)，打造企業(yè)自己的特色品牌，爭(zhēng)取在高檔產(chǎn)品中占有一席之地。
參考文獻(xiàn)
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[3] 余立新,胡惠勇.世界硬質(zhì)合金材料技術(shù)新進(jìn)展[J].硬質(zhì)合金,2006(1):52-57.
作者簡(jiǎn)介：王守峰（1980- ），男 ，碩士，主要從事硬質(zhì)合金的生產(chǎn)及研究。
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