据 2003年统计 ,全球切削刀具消耗价值高达 110亿美元 ,是机械制造业产值的 10%。没有先进的刀具材料 ,就不可能制造出先进的刀具 ,目前 ,用于制作切削刀具的材料仍以高速钢及硬质合金为主。20世纪80年代以前 ,高速钢处于领先地位 , 90年代以后 ,硬质合金超越了高速钢 ,超硬材料 (金刚石、立方氮化硼及陶瓷等 )所占份额不大。
1989年硬质合金刚进入齿轮刀具领域 ,尚未进入螺纹刀具及拉刀 ; 到2003年开始硬质合金制造螺纹刀具及拉刀 ,在齿轮刀具领域所占份额已从 2%上升到 19% ,硬质合金在其它领域所占份额也都大幅度增加。在 2003年车刀已是硬质合金及超硬材料的天下 ;铣刀及铰刀多以硬质合金为主 ;钻头行业高速钢与硬质合金平分秋色 ,螺纹刀具、齿轮刀具及拉刀则仍以高速钢为主。2007年 ,情况又有很大变化。因此在分析发展形势时必须慎重 ,以免误导。
1 高速钢
国内外高速钢生产概况
日本高速钢的年产量从 1965年的 0157万吨发展到 1976年的 2万吨 ,之后一直停滞在 2万吨以下 ,全世界高速钢年产量也停滞在 30万吨以下 (根据我国高速钢产量所占世界份额估出 ) 。而我国的高速钢年产量从 1965年的 112万吨发展到 1997年的 3万吨后进入了一个高速发展期 ,在世界各国停滞不前甚至回落的情况下 , 8年内竟从 3万吨发展到 813万吨 ,占全世界产量的份额从 10%跃升至 40% ,居世界第一。需要指出的是其中近 40%为低合金高速钢 ,甚至有的合金元素含量之低已不能称之为高速钢。这种异常的飞跃发展是喜是忧有待讨论。
高速钢生产发展趋势
高速钢分低合金高速钢、低碳高速钢、通用高速钢、高硬高速钢、超硬高速钢、无碳化物偏析高速钢及轧辊高速钢。其中低碳高速钢主要用于制作冷作模具 ;以 W18及 M2钢为代表的通用高速钢主要用于制作切削刀具 ,通用高速钢的碳饱和度一般 < 018,故淬回火后的硬度仅为 (65 ±1) HRC,用于加工硬度低于270HB的钢材。近年来由于被加工件硬度提高以及数控机床及加工中心的广泛应用 ,通用高速钢的硬度已不能满足要求 ,需要采用硬度为 (66 ±1) HRC的以M35钢为代表的高硬高速钢及硬度大于 67HRC的以M42钢为代表的超硬高速钢来制作刀具以提高刀具硬度。需要指出的是机床精度与刚度的提高为提高刀具硬度提供了条件。目前在国际著名工具厂家的样本上通用高速钢 M2钢已基本被淘汰 ,M2钢只用于制作手丝锥等少数刀具 ;欧洲一般不采用 M42钢而采用高碳M2及 M35钢。遗憾的是我国到目前为止仍以 M2钢等通用高速钢为主要刀具材料 ,这也是我国刀具制造业落后的原因之一。特别是江苏天工工具股份有限公司及江苏飞达工具集团等高速钢生产大户生产的高速钢中接近一半是低合金高速钢 ,用这样的钢大量制成低档刀具 ,廉价出口 ,造成我国资源严重浪费。
用传统的铸、锻工艺生产的高速钢的主要问题是存在碳化物偏析 ,对于大截面刀具这是一个难以解决的问题 ,国际上通用的解决办法是发展无碳化物偏析高速钢 ,其中以粉末高速钢为主。
无碳化物偏析高速钢
由于无法解决大规格铸、锻高速钢的碳化物偏析问题 ,生产上不得不允许用铸、锻工艺生产的大规格高速钢存在碳化物偏析及粗大碳化物。表 3为按 GB /T14979—1994《钢的共晶碳化物不均匀度评定法 》中评定的允许的碳化物不均匀度。在铸、锻工艺之外 ,发展了多种生产无碳化物偏析高速钢的工艺 ,包括粉末冶金工艺、喷射成形工艺
国产高速钢存在的问题
尽管我国高速钢产量已占世界第一位 ,但我国生产的高速钢的质量还远远落后于先进国家 ,主要有以下几个原因 :
①我国目前主要采用中频熔炼加电渣重熔工艺生产高速钢 ,一个炉号一般只有几百公斤 ,故一吨钢材要由几个炉号组成 ,生产厂在供应钢材时根本无法提供钢号 ,这就给热处理造成极大困难 ;
②冶金质量不稳定 ,主要表现为表面纵裂发生率仍很高 ,尺寸精度差 ;
③品种规格不全 ,市场混乱。
2 硬质合金
硬质合金由碳化物及粘结剂组成。碳化物包括WC及 TiC,粘结剂包括 Co、Fe和 N i。其中用得最多的是由 WC及 Co组成的硬质合金。
硬质合金发展概况
1923年发明了硬质合金 ,在 20 世纪 60 年代以前 ,由于硬质合金性脆且难加工 ,故发展缓慢 ,未对高速钢构成威胁 ; 60年代以后 ,由于硬质合金的弯曲强度已经达到甚至超过高速钢的水平 ,故随着磨加工工艺的发展 ,使硬质合金得到迅速发展。我国在 2004年已成为世界硬质合金生产第一大国。但令人遗憾的是我国生产的仍是低档产品 ,产值及利润极低 ,高档硬质合金及刀具还需从国外大量进口 ,如瑞典 Sandvik公司硬质合金年产量仅为我国的 1 /4,但其销售收入及利润却是我们的 5～10倍; 2003年我国进口的硬质合金刀具高达 113亿美元。更令人遗憾的是国外生产硬质合金的工厂所
用的钨主要由我国低价供应。
3 超硬材料
超硬材料包括金刚石、立方氮化硼及陶瓷等 ,其中以金刚石最为重要 ,其次为立方氮化硼。
金刚石是最硬的材料 ,其次是立方氮化硼。我国天然金刚石储量不多 ,只在 4个省发现金刚石矿 ,已查明的有 24处 ,其中以辽宁为主。人们用天然金刚石制作刀具已有千年以上历史 ,但是只是在人们掌握了人工合成单晶金刚石及金刚石粉并制成聚晶金刚石(PCD)以及发明了用化学气相沉积方法 (CVD )制成金刚石涂层及膜片后才有可能成为工模具材料。金刚石可以在 5～50 GPa、数千度高温条件下人工合成。
我国 1970年人工合成金刚石 46万克拉 , 1987年上升为 3600万克拉 , 1997年跃升到 5亿克拉 ,成为世界生产第一大国。目前 ,国外已可合成长达 12 mm的大单晶金刚石 ,我国还只能合成 5 mm的单晶金刚石。人工合成的单晶金刚石价格十分昂贵 ,影响其使用。一般人造金刚石为细颗粒 ,只能作为磨料。20世纪 50年代用粉末冶金方法将其制成聚晶金刚石 PCD, 70年代研制成功了 PCD薄片与硬质合金结合在一起的复合片 PDC, 80年代中又研制成功用 CVD 方法制备金刚石涂层及金刚石厚膜 ,从此金刚石开始成为最有发展前途的工模具材料。20世纪 80年代末 ,全世界销售额仅 50万美元 ,到上世纪末已上升到 213亿美元。虽然我国已是生产人造金刚石粉的世界第一大国 ,但遗憾的是金刚石刀具还得大量进口 ,仅从美国通用公司一家一年就达千万元以上。同样 ,立方氮化硼 (CBN )也可以制成聚晶立方氮化硼 (PCBN) ,也可用 CVD方法制成 CVD CBN。
聚晶金刚石及聚晶立方氮化硼
将金刚石粉制成 PCD及 PDC后即可用于制作工模具。金刚石不仅硬度高 ,而且还具有一系列优良性能 ,如导热系数高于 Cu,摩擦系数及膨胀系数都很小 ,故与硬质合金相比 ,切削速度可以提高 2～3倍 ,寿命可以提高几十倍 ,而且加工表面的粗糙度非常低 ,可以车代磨。但金刚石刀具不能用于加工钢铁 ,因为铁能溶碳 ,加快金刚石磨损。加工钢铁 ,必须采用聚晶立方氮化硼 PCBN。
2004年 PDC刀具全球销售额已达 4亿美元 ,其中60%用于汽车制造业 , 40%用于木工加工业 ;同样 ,PCBN刀具全球销售额也达 4亿美元 ,其中 50%用于汽车制造业。PDC为薄圆片 ,国外已可生产 <74 mm的圆片。近年来由于改进了设备 ,我国已能生产 <35mm左右的圆片。国外生产的 PCBN的尺寸已达 <100mm。在 PCD及 PDC的发展过程中同样也存在与硬质合金相同的问题 ,其中包括 :细化金刚石颗粒 ,初期生产所用金刚石粉的粒度在 50μm左右 ,现已细化到 1μm左右 ;烧结时既要防止石墨化 ,也要抑制金刚石颗粒长大 ;研究新的更好的粘结剂等。此外也可制成梯度 PCD。
CVD金刚石
用 CVD方法生产金刚石包括小于 30μm的 CVD金刚石涂层以及 1～2 mm厚的 CVD金刚石厚膜。目前国外能生产的自支撑膜的最大尺寸为 <300 mm ×215 mm,而国内的最大尺寸为 <100 mm ×215 mm。对 CVD金刚石膜人们在 1991年曾经乐观地预测1995年的市值可达到 25亿美元以上 ,但是由于在大规模生产中还存在许多技术难题有待解决 ,其中包括涂层与基体的结合强度、CVD 厚膜本身的强度以及CVD厚膜与基体的结合强度等 ,到目前为止 CVD 金刚石膜的市值还不到一亿美元。估计 2～5年内有望取得突破。虽然在上世纪末我国已经成为人工合成金刚石粉的世界第一大国 ,但是我国的水平相对国外还有很大差距。CVD 金刚石膜的质量相对于国外也还有很大差距 ,因此 ,不得不大量进口金刚石刀具。
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