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硬质合金刀具发展的现状与展望
添加时间:2019-02-26
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110亿美元,硬质合金刀具占其中份额的80%,而国内这一比例则高达90%。其主要原因是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 
  按照硬质合金WC平均晶粒度的大小,硬质合金可以分为:纳米晶粒硬质合金(WC粒度6.0um)。人们通过大量研究发现,在硬质合金粘结相含量不变的情况下,当WC晶粒度减少到1 μm以下时,合金的硬度和强度均有提高,并且随着晶粒度进一步减小,提高幅度更加明显,因此超细晶粒合金刀具越来越得到人们的青睐。 
  生产综合性能良好的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一般通过两种途径来抑制WC晶粒的长大: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,如通过热等静压、低压烧结等技术,使液态Co的流动更加充分,分布更加均匀,对WC的润湿更好,适当降低烧结温度和缩短烧结温度和缩短烧结时间,从而控制WC的生长。另一方面,就是在WC-Co粉末中加入一些抑制晶粒长大的抑制剂,通过这些抑制剂在烧结过程中有效地抑制晶粒长大来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晶粒生长抑制剂在液相Co溶解,降低了WC在Co的溶解度,减缓了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 
  现在由于挤压用成型剂,挤压设备,挤压工艺和模具设计的重大进步,不仅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型材,为实现整体硬质合金刀具高效冷却和顺利排屑的重大突破奠定了良好的基础,并且由于高精度CNC 三轴联动、五轴联动的工具磨床的应用与普及,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可以在计算机上模拟刀具磨削的全过程,然后将磨削的数控程序、砂轮数据和磨削参数传送到数控工具磨床进行现场加工,实现了从初级棒材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 硬质合金资源回收利用发展起来 
  由于制备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进行资源回收是非常有价值和意义的。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开始发展起来。目前已有的回收工艺主要有:一是所谓的高温处理法,其中有: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,其中有:冷碎粉碎法、热碎粉碎法、锌熔法等;三是化学处理法,其中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。