硬质合金刀具发展的现状与展望
2016-1-18 来源：临沂职业学院 作者：王守峰
摘要：文章阐述了当前硬质合金刀具发展的状况，包括硬质合金刀具晶粒更加细化，硬度强度均有提高，成型和磨削技术有了改善，并针对当前的状况讨论了中国硬质合金所面临的问题，提出了我国硬质合金刀具改革的方向。
关键词：硬质合金；刀具； WC 晶粒度； 非可再生资源
机械制造业是全球重要的支柱性经济产业，而刀具又是制约机械制造业生产力水平的重要因素，因此发展机械制造业，就必须发展刀具的研究和制造。世界刀具的市场总额为 1
10 亿美元，硬质合金刀具占其中份额的 80％，而国内这一比例则高达 90％。其主要原因现在加工材料总的机械性能的提高，使过去用的工具钢和高速钢不能满足要求，因此人们越来越青睐于切削性能较工具钢和高速钢更为优异的硬质合金刀具。硬质合金由 Schroter 于1926 年首先发明，发展速度较快,1947 年世界硬质合金产量还只有 1600t，现今世界硬质合金产量已经超过 38000t，且硬质合金刀具的硬度已达 89～93HRA，在 1000℃的高温下仍具有较好的红硬性，其耐用度是高速钢刀具的几十倍。
1 硬质合金刀具的发展现状
1.1 合金刀具晶粒细化，硬度和强度均有所提高
根据硬质合金碳化钨平均晶粒度的大小，将硬质合金分为：纳米晶粒硬质合金（粒度<0.2um）；亚微米晶粒硬质合金（0.2um<粒度<0.5um）；亚微米晶粒硬质合金（0.5um<粒度<0.8um)；细晶粒硬质合金（0.8um<粒度<2.0um)；中晶粒硬质合金（2.0um<粒度<5.0um）；粗晶粒硬质合金（5.0um<粒度<6.0um）；超粗晶粒硬质合金（粒度>6.0um）。科研人员通过大量研究发现,硬质合金在粘结相含量不变的情况下,当碳化钨晶粒度减少到 1 μ m 以下时其合金的硬度和强度都有有提高,而且随着晶粒度进一步减小,硬度和强度提高幅度会更加明显，因此超细晶粒合金刀具越来越得到人们的青睐。
超细晶粒硬质合金前提是需要有优质超细碳化钨粉末，目前国内外应用较成熟的方法是低温顺氢还原制取超细钨粉，经低温碳化后得到超细 WC 粉，但此方法的生产效率只有普通 WC 粉末生产效率的十分之一。
由于烧结过程中会发生晶粒地长大，所以要通过一定的方法来抑制晶粒长大，一般通过两种途径：一方面，改进烧结方式，烧结是硬质合金生成过程的最后一道工序,也是最基本、最关键的一道工序，通过适当的烧结方式，如通低压烧结、过热等静压技术，使液态的Co 更加充分流动，分布更加均匀，润湿性能更好，通过降低缩结温度和缩短烧结时间，控制 WC 的生长。另一方面，就是在合金粉末中加入一些抑制剂，这些抑制剂在烧结过程中可以有效地抑制晶粒长大并获得均匀超细地晶粒。一般用的抑制剂多数时 VC 和 Cr3C2 等，一般认为它们所起的抑制作用有以下三种：（1）一部分 VC、Cr3C2 晶粒生长抑制剂吸附在 WC晶粒的表面，形成的小晶粒，降低了 WC 的表面能，通过降低 WC 晶粒之间的表面能来抑制 WC 晶粒的长大：（2）一部分 VC、Cr3C2 晶粒生长抑制剂溶解在液相的 Co 里，从而降低了 WC 在 Co 的溶解度，阻止了 WC 通过液相重结晶的长大；（3）剩余部分的 VC、Cr3C2 晶粒生长抑制剂沿 WC 晶界偏聚，阻碍了 WC 晶界的偏移，防止 WC 颗粒发生长大。
1.2 成型技术和磨削技术的改善提升了硬质合金的制造水平
现在由于挤压设备，挤压工艺和模具设计以及挤压用成型剂的重大进步，不但可以挤压出晶粒小于 0.5um 直径 40mm 的大棒材，而且可以挤压带单孔，双孔和双螺线内冷孔的复杂型材，为实现硬质合金刀具高效冷却和排屑顺利的突破奠定了良好的基础， 并且由于高精度的 三轴联动、五轴联动的工具磨床的普及与应用，可以加工出的刀具更加多样化，先进的全自动刀具制造单元 CAE 仿真系统，可以在计算机上模拟刀具磨削的全部过程，并分析在加工过程中可能出现的问题显现出来，经过修正后，将将磨削的数控程序、砂轮数据和磨削参数传送到数控工具磨床进行加工，实现了从初始胚料到成品刀具的全自动加工。
1.3 涂层材料有了改变
近年来，CVD 涂层变化不大，主要还是以前 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，改变了以 TiC 为底层是传统的做法，现在多用 TiCN 为底层，也有用 TiN 为底层的，主要作用是增加涂层与基体的粘结性。
PVD 除了以前使用的 TiN 材料， 现在又新兴了 TiAlN 和 AlTiN 涂层材料，其使用效果要优于 TiN 涂层材料。
2 硬质合金的资源回收利用逐步发展
由于硬质合金刀具的主要材料是 W、Co 等非可再生资源，其经济价值和制造成本都非常高，因此对废旧硬质合金刀具资源回收是非常有价值和意义。以前硬质合金的产量小，W、Co 需求量小，价格也相对较低，而现在由于硬质合金刀具的需求量增大，W、Co 资源不断减少，因此对硬质合金刀具的资源回收利用，各国都已提上日程。现阶段已有的回收工艺归结起来主要有四种：
一是高温处理法，有硝石熔融法、空气氧化烧结法、通氧煅烧法等；二是机械破碎法，有冷碎粉碎法、热碎粉碎法、锌熔法等；三是化学处理法，有金属多价盐处理法、氯化法、磷酸浸出法、盐酸处理法等；四是电化学法，有以碱作电介质、以盐酸或硫酸、硝酸作电介质的不同工艺路线；还有用通高压氧、以氨水或胺溶液浸取法；羰基化合物法和水蒸气升华三氧化钨的分解法等等。
3 我国硬质合金刀具发展所遇到的问题
我国硬质合金刀具工业和一些工业发达的国家差距正在逐步缩小，但是在发展的过程中遇到了一些不容忽视的问题：产业结构和产品结构不合理，硬质合金厂家没有独有特色的产品；生产设备落后，技术含量低，产品主要集中在中低档产品上，高档产品一直牢牢地掌握在发达工业国家手中；由于一些国外大型的硬质合金厂如瑞典山特维克、美国肯纳、德国瓦尔特、日本富士精工等来我国创办独资和控股公司，使得市场竞争程度加剧；以前对于钨矿的乱采滥挖和低价出口，和对资源回收利用不够重视，中国的钨储存量特别是高品味钨精矿已经不多，出现原材料供应出现紧张状况。
4 结语
世界硬质合金刀具正向着超细双高方向发展，科学技术含量越来越高，我国应该加紧改善产业结构和产品结构，在产品研发和资源回收上要加大力度，企业和企业之间，企业和高校之间相互交流，共同发展，并吸收引进国外先进的技术和设备，总结经验，拓宽销售渠道、完善售后服务，打造企业自己的特色品牌，争取在高档产品中占有一席之地。
参考文献
[1] 胡学.整体合金刀具的产业现状与发展趋势[J].硬质合金,2004(4):249-251.
[2] 周建华,卢伟民.国内外硬质合金生产现状及近期发展动向分析[J].稀有金属与硬质合金.2006(1):36-41.
[3] 余立新,胡惠勇.世界硬质合金材料技术新进展[J].硬质合金,2006(1):52-57.
作者简介：王守峰（1980- ），男 ，硕士，主要从事硬质合金的生产及研究。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
