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硬質合金刀具發展的現狀與展望
添加時間:2019-02-26
前的狀況討論了中國硬質合金所面臨的問題,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; 非可再生資源 
  機械制造業是全球重要的支柱性經濟產業,而刀具又是制約機械制造業生產力水平的重要因素,因此發展機械制造業,就必須發展刀具的研究和制造。世界刀具的市場總額為110億美元,硬質合金刀具占其中份額的80%,而國內這一比例則高達90%。其主要原因是現在加工材料總的機械性能的提高,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于切削性能較工具鋼和高速鋼更為優異的硬質合金刀具。硬質合金由Schroter于1926年首先發明,發展速度較快,1947年世界硬質合金產量還只有1600t,現今世界硬質合金產量已經超過38000t,且硬質合金刀具的硬度已達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 硬質合金刀具的發展現狀 
  1.1 合金刀具晶粒細化,硬度和強度均有所提高 
  按照硬質合金WC平均晶粒度的大小,硬質合金可以分為:納米晶粒硬質合金(WC粒度6.0um)。人們通過大量研究發現,在硬質合金粘結相含量不變的情況下,當WC晶粒度減少到1 μm以下時,合金的硬度和強度均有提高,并且隨著晶粒度進一步減小,提高幅度更加明顯,因此超細晶粒合金刀具越來越得到人們的青睞。 
  生產綜合性能良好的超細晶粒硬質合金前提是需要有優質超細碳化鎢粉末,目前國內外應用較成熟的方法是低溫順氫還原制取超細鎢粉,經低溫碳化后得到超細WC粉,但此方法的生產效率只有普通WC粉末生產效率的十分之一。 
  由于燒結過程中會發生晶粒地長大,所以要通過一定的方法來抑制一般通過兩種途徑來抑制WC晶粒的長大:一方面,改進燒結方式,燒結是硬質合金生成過程的最后一道工序,也是最基本、最關鍵的一道工序,通過適當的燒結方式,如通過熱等靜壓、低壓燒結等技術,使液態Co的流動更加充分,分布更加均勻,對WC的潤濕更好,適當降低燒結溫度和縮短燒結溫度和縮短燒結時間,從而控制WC的生長。另一方面,就是在WC-Co粉末中加入一些抑制晶粒長大的抑制劑,通過這些抑制劑在燒結過程中有效地抑制晶粒長大來獲得均勻超細地晶粒。一般用的抑制劑多數時VC和Cr3C2等,一般認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,通過降低WC晶粒之間的表面能來抑制WC晶粒的長大;(2)一部分VC、Cr3C2晶粒生長抑制劑在液相Co溶解,降低了WC在Co的溶解度,減緩了WC通過液相重結晶的長大;(3)剩余部分的VC、Cr3C2晶粒生長抑制劑沿WC晶界偏聚,阻礙了WC晶界的偏移,防止WC顆粒發生長大。 
  1.2 成型技術和磨削技術的改善提升了硬質合金的制造水平 
  現在由于擠壓用成型劑,擠壓設備,擠壓工藝和模具設計的重大進步,不僅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,雙孔和雙螺線內冷孔的型材,為實現整體硬質合金刀具高效冷卻和順利排屑的重大突破奠定了良好的基礎,并且由于高精度CNC 三軸聯動、五軸聯動的工具磨床的應用與普及,可以加工出的刀具更加多樣化,先進的全自動刀具制造單元可以在計算機上模擬刀具磨削的全過程,然后將磨削的數控程序、砂輪數據和磨削參數傳送到數控工具磨床進行現場加工,實現了從初級棒材到成品刀具的全自動加工。 
  1.3 涂層材料有了改變 
  近年來,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為底層是傳統的做法,現在多用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性。PVD除了以前使用的TiN材料,現在又新興了TiAlN和AlTiN涂層材料,其使用效果要優于TiN涂層材料。 
  2 硬質合金資源回收利用發展起來 
  由于制備硬質合金刀具的主要材料是W、Co等非可再生資源,其經濟價值和制造成本都非常高,因此對廢舊硬質合金刀具進行資源回收是非常有價值和意義的。以前硬質合金的產量小,W、Co需求量小,價格也相對較低,而現在由于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開始發展起來。目前已有的回收工藝主要有:一是所謂的高溫處理法,其中有:硝石熔融法、空氣氧化燒結法、通氧煅燒法等;二是機械破碎法,其中有:冷碎粉碎法、熱碎粉碎法、鋅熔法等;三是化學處理法,其中有金屬多價鹽處理法、氯化法、磷酸浸出法、鹽酸處理法等;四是電化學法,有以堿作電介質、以鹽酸或硫酸、硝酸作電介質的不同工藝路線;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 我國硬質合金刀具發展所遇到的問題 
  我國硬質合金刀具工業和一些工業發達的國家差距正在逐步縮小,但是在發展的過程中遇到了一些不容忽視的問題:產業結構和產品結構不合理,硬質合金廠家沒有獨有特色的產品;生產設備落后,技術含量低,產品主要集中在中低檔產品上,高檔產品一直牢牢地掌握在發達工業國家手中;由于一些國外大型的硬質合金廠如瑞典山特維克、美國肯納、德國瓦爾特、日本富士精工等來我國創辦獨資和控股公司,使得市場競爭程度加劇;以前對于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多,出現原材料供應出現緊張狀況。 
  4 結語 
  世界硬質合金刀具正向著超細雙高方向發展,科學技術含量越來越高,我國應該加緊改善產業結構和產品結構,在產品研發和資源回收上要加大力度,企業和企業之間,企業和高校之間相互交流,共同發展,并吸收引進國外先進的技術和設備,總結經驗,拓寬銷售渠道、完善售后服務,打造企業自己的特色品牌,爭取在高檔產品中占有一席之地。 
  參考文獻 
  [1] 胡學.整體合金刀具的產業現狀與發展趨勢[J].硬質合金,2004(4): 249-251. 
  [2] 周建華,盧偉民.國內外硬質合金生產現狀及近期發展動向分析[J].稀有金屬與硬質合金.2006(1):36-41. 
  [3] 余立新,胡惠勇.世界硬質合金材料技術新進展[J].硬質合金,2006 (1):52-57. 
  作者簡介:王守峰(1980- ),男,碩士,主要從事硬質合金的生產及研究。