張鑫

硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)品項目工藝及主要設(shè)備簡介

張鑫

（中國瑞林工程技術(shù)有限公司）

本文簡要介紹了硬質(zhì)合刀具的應(yīng)用及生產(chǎn)工藝，并結(jié)合某公司年產(chǎn)700t硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)品項目，對生產(chǎn)工藝和設(shè)備選型進行了論證及分析。

硬質(zhì)合金；涂層刀片；燒結(jié)；研磨及珩磨

1 前言

硬質(zhì)合金有硬度高，耐磨性好，強度和彈性模量高，耐腐蝕性和抗氧化性好，膨脹系數(shù)小，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率與鐵及鐵合金相近等特點，使它在現(xiàn)代切削刀具材料、耐磨材料、耐腐蝕和耐高溫材料等中占有重要的地位[1]。硬質(zhì)合金廣泛用作刀具材料，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料[2]。

硬質(zhì)合金刀具在刀具市場占有量不斷增長，目前我國刀具生產(chǎn)面臨中低檔產(chǎn)品產(chǎn)能過剩，高檔產(chǎn)品依賴進口的局面[3]。為發(fā)展我國的高質(zhì)量的硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)品，滿足數(shù)控加工工業(yè)快速發(fā)展的需要，Y公司投資新建高性能、高精度硬質(zhì)合金刀具生產(chǎn)線，具有十分重要的經(jīng)濟效益和社會意義[4]。

2 生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品方案

依據(jù)“國家十三五新材料發(fā)展規(guī)劃”和市場需求，經(jīng)反復(fù)論證，項目的生產(chǎn)規(guī)模確定為年產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)品共700t，其中涂層切削刀片300t，整體銑刀毛坯（硬質(zhì)合金棒材）400t。

本項目的產(chǎn)品方案見表1。

表1 產(chǎn)品方案

3 生產(chǎn)工藝

3.1 生產(chǎn)工藝流程

WC料等、金屬鈷粉、復(fù)式碳化物CK料（WC-TiC固溶體、含碳化鉭、碳化鈮）→配料混合酒—精、石→蠟球磨→噴霧干燥制?！吓?、過篩→壓制→燒結(jié)→研磨、珩磨→噴砂與清洗→PVD/CVD涂層→成品檢查→包裝→涂層刀片產(chǎn)品。

3.2 生產(chǎn)工藝簡介

主要工序介紹：

3.2.1 球磨工序

將各種金屬碳化物（如WC、WC-TiC固溶體等）和粘結(jié)金屬（如Co等）按所要求的比例配制成均勻混合物。采用球磨機，使用酒精作為濕磨液體介質(zhì)，為了改善混合料粉末顆粒之間的結(jié)合狀態(tài)和均勻性，加入石蠟作為成形劑。

3.2.2 噴霧干燥工序

干燥工序的作用在于把混合料漿中的液體（酒精、丙酮等）分離出來。干燥的方法可采用電熱烘烤、蒸汽干燥、蒸汽加熱振動干燥和噴霧干燥等。大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)通常采用后兩種方法，粉末的實收率可達99%。

3.2.3 壓制和擠壓成形工序

壓制是通過壓機將壓膜型腔內(nèi)粉末加壓制成具有預(yù)定形狀和尺寸壓坯的過程。擠壓成型工序的作用是將造粒后的混合料送入擠壓模具中，通過擠壓螺桿或活塞將之從擠壓嘴中擠出，從而獲得特定形狀和尺寸的擠壓生坯。

3.2.4 燒結(jié)工序

燒結(jié)是硬質(zhì)合金產(chǎn)品生產(chǎn)過程中一道重要的加工工序，它對硬質(zhì)合金的組織和性能有重大的甚至是決定性的影響。采用最新的燒結(jié)工藝，即加壓燒結(jié)（壓力＜10MPa）-熱等正壓處理，將脫蠟-燒結(jié)-熱等靜壓三道工序合并為一道工序，此工藝可明顯提高合金質(zhì)量，大大降低成本。

3.2.5 研磨及珩磨工序

通過研磨和珩磨將涂層刀片燒結(jié)毛坯進行平面磨、周邊磨、珩磨，并噴砂和清洗等表面處理工藝，使涂層刀片燒結(jié)毛坯的的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，使毛坯表面的機械性能得到改善，使毛坯表面的機械性能得到改善，在毛坯表面建立起十分重要的基礎(chǔ)圖式（即通常所謂的毛面），可以大大提高工件與涂料的結(jié)合力。

3.2.6 涂層工序

涂層刀具是在強度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼（HSS）基體刀具表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物。目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積（PVD）法和化學氣相沉積（CVD）法。

目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積（PVD）法和化學氣相沉積（CVD）法。前者沉積溫度為500℃，涂層厚度為2～5μm；后者的沉積溫度為900～1100℃，涂層厚度可達5～10μm，并且設(shè)備簡單，涂層均勻。因PVD法未超過高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般采用PVD法，硬質(zhì)合金大多采用CVD法。硬質(zhì)合金用CVD法涂層時，由于其沉積溫度高，故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層（η相），導(dǎo)致刀片脆性破裂。

4 主要生產(chǎn)設(shè)備

4.1 選型原則

根據(jù)產(chǎn)品方案和生產(chǎn)工藝，本項目生產(chǎn)設(shè)備的選擇從生產(chǎn)規(guī)模、產(chǎn)品質(zhì)量、設(shè)備投資、生產(chǎn)成本等方面綜合考慮，結(jié)合Y公司長期的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，以國內(nèi)同類產(chǎn)品的先進設(shè)備為主體進行配置，既體現(xiàn)先進性，又具備成熟性。

4.2 工藝設(shè)備

4.2.1 球磨設(shè)備

利用下落的研磨體（如合金球、合金棒等）的沖擊作用以及研磨體與球磨內(nèi)壁的研磨作用而將物料粉碎并混合。當球磨轉(zhuǎn)動時，由于研磨體與球磨內(nèi)壁之間的摩擦，將研磨體依旋轉(zhuǎn)的方向帶上后再落下，這樣物料就連續(xù)不斷地被粉碎。

本項目球磨工序選用300kg球磨機10臺，450kg球磨機9臺。

4.2.2 干燥設(shè)備

噴霧干燥是混合料生產(chǎn)中重要設(shè)備，具有生產(chǎn)效率高，粉末不易污染、含氧量低、粒度均勻、流動性好、金屬回收率高，能提高產(chǎn)品形位精度，密度均勻性好，為高性能精密可轉(zhuǎn)位刀片的開發(fā)創(chuàng)造條件。

干燥工序選用300kg/h噴霧干燥塔2臺，160kg/h噴霧干燥塔1臺：

300kg/h噴霧干燥塔，干燥速率300kg/h，進料溫度25℃，出料溫度＜30℃；160kg/h噴霧干燥塔，干燥速率160kg/h，進料溫度25℃，出料溫度＜30℃。

4.2.3 壓制及擠壓設(shè)備

壓制即是在模具或其他容器中，在外力作用下，將粉末密實成具有規(guī)定形狀和尺寸的工藝過程。項目選用一種多功能、全自動、高效雙向壓制、配有機械手及動態(tài)調(diào)節(jié)裝置的全自動壓力機；該設(shè)備精度高、壓坯尺寸，單重及受壓均一性都具有領(lǐng)先之處，本項目引進配有機械手的整套壓制設(shè)備。

壓制工序選用16t電動壓機14臺，32t液壓壓機4臺，100t液壓壓機3臺，10t真空擠壓機5臺。

4.2.4 燒結(jié)設(shè)備

引進國外加壓燒結(jié)爐，設(shè)備自動化程度高，操作和燒結(jié)工藝計算機控制，溫差波動小，該設(shè)備實現(xiàn)脫蠟、預(yù)燒、燒結(jié)、低壓燒結(jié)等工藝一次性完成。

燒結(jié)工序選用加壓燒結(jié)爐11臺：加壓燒結(jié)爐爐膛尺寸500×470×2000mm，最高工作溫度1600℃，設(shè)計壓力105bar，空載真空度5×10-2mbar。

4.2.5 研磨及珩磨設(shè)備

為適應(yīng)高性能、高精度硬質(zhì)合金涂層刀片的工藝、產(chǎn)能、精度的要求，選用自動化程度高、工作效率快、產(chǎn)品精度高，并帶有研磨液處理系統(tǒng)，機械手自動裝、卸料，砂輪裝卸方便，研磨精度高的設(shè)備。

研磨及珩磨工序選用平面磨床2臺，周邊磨床14臺，珩磨機8臺，無心磨床8臺，噴砂設(shè)備2臺，清洗設(shè)備2臺。

4.2.6 涂層設(shè)備

目前生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積（PVD）法和化學氣相沉積（CVD）法。前者沉積溫度為500℃，涂層厚度為2～5μm；后者的沉積溫度為900～1100℃，涂層厚度可達5～10μm，設(shè)備簡單，涂層均勻。本項目引進附帶有專用清洗設(shè)備的國外先進的PVD、CVD設(shè)備，適合多種涂層產(chǎn)品。

涂層工藝選用PVD涂層設(shè)備10臺，CVD涂層設(shè)備8臺：物理氣相沉積涂層設(shè)備涂層規(guī)格TiN、TiAlN，涂層速率1μm/h；化學氣相沉積涂層設(shè)備涂層規(guī)格：TiN、TiCN、Al2O3，涂層速率 1.5μm/h，涂層厚度 6～16μm。

5 技術(shù)難點

（1）高端產(chǎn)品工藝對環(huán)境要求高，空調(diào)通風設(shè)備投資大，復(fù)雜程度高。

（2）球磨過程需使用酒精、燒結(jié)需使用高壓氮氣和氫氣、涂層設(shè)備需使用多種易腐蝕、易燃和高危險性氣體，消防和安全設(shè)計難度大。

6 結(jié)束語

硬質(zhì)合金刀具產(chǎn)品項目的生產(chǎn)工藝和主要生產(chǎn)設(shè)備，是在廣泛深入調(diào)查研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合Y公司多年的生產(chǎn)和管理的實踐經(jīng)驗確定的，技術(shù)可靠成熟，達到了國內(nèi)先進水平。項目的設(shè)計和建設(shè)選擇了先進的工藝和設(shè)備，立足解決高檔產(chǎn)品依賴進口的局面，建成投產(chǎn)后具有重要的社會效益和良好的經(jīng)濟效益。

[1]陳平華.我國硬質(zhì)合金刀具的市場格局和預(yù)測.工具技術(shù)，2012（46）：88～91.

[2]陳立寶，賀躍輝，黃伯云，等.鎢合金廢料的資源再生利用技術(shù)[J].粉末冶金技術(shù)，2003（3）：169～174.

[3]胡學.整體硬質(zhì)合金刀具的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].硬質(zhì)合金，2010，21（4）：249～251.

[4]中國市場調(diào)查研究中心.中國鑿巖釬具市場調(diào)查及發(fā)展研究報告[EB/OL].2012，07.

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1004-7344（2016）33-0229-02

2016-11-13