鎢資源在硬質(zhì)合金刀具行業(yè)中的可持續(xù)發(fā)展*

李友生

（廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，福建廈門(mén) 361006）

金屬鎢及其制品由于具有高熔點(diǎn)、高密度、高硬度等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于國(guó)防工業(yè)、航空航天、信息產(chǎn)業(yè)、切削加工等領(lǐng)域，是現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)不可或缺的材料之一，因此金屬鎢也稱(chēng)為國(guó)家戰(zhàn)略資源［1－2］。

鎢是稀有金屬，在世界上儲(chǔ)量少且不可再生。中國(guó)鎢礦儲(chǔ)量約占世界儲(chǔ)量的40%，主要分布在我國(guó)的江西、湖南等省份。雖然我國(guó)的鎢資源儲(chǔ)量大，但目前我國(guó)的鎢資源供應(yīng)已呈現(xiàn)緊缺局面。這主要由以下兩方面原因造成:一是由于我國(guó)的鎢礦經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間亂采濫挖、盲目生產(chǎn)、資源浪費(fèi)、低端鎢產(chǎn)品大量出口，造成我國(guó)的鎢資源日益短缺。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近些年我國(guó)鎢及鎢產(chǎn)品供應(yīng)量一直占全球的85%左右，且主要以中、低檔產(chǎn)品為主。二是雖然我國(guó)的鎢資源總體儲(chǔ)量大，但品位高、易采、易選的黑鎢礦僅占儲(chǔ)量的17%左右，品位低、選冶技術(shù)尚未徹底解決的白鎢礦和混合鎢礦（黑鎢和白鎢的混合礦）占到儲(chǔ)量的80%以上。目前，我國(guó)以黑鎢礦開(kāi)采為主的格局尚未根本改變，黑鎢礦資源儲(chǔ)量下降速度過(guò)快。按現(xiàn)有的開(kāi)采速度，10年左右，我國(guó)現(xiàn)有儲(chǔ)量的黑鎢將損耗殆盡［3］。目前，我國(guó)鎢資源的可持續(xù)發(fā)展任務(wù)異常艱巨。

全球超過(guò)50%的鎢資源用于制造硬質(zhì)合金。我國(guó)是世界上硬質(zhì)合金生產(chǎn)大國(guó)，硬質(zhì)合金年產(chǎn)量已突破1．1萬(wàn)t大關(guān)。硬質(zhì)合金材料由于具有高硬度、耐磨性、熱硬性、優(yōu)良的耐蝕性、抗氧化性等特點(diǎn)，使得它在現(xiàn)代刀具材料領(lǐng)域占有舉足輕重的地位［4－6］。我國(guó)超過(guò)40%的硬質(zhì)合金用于刀具的生產(chǎn)，而硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)消耗了大量戰(zhàn)略資源金屬鎢。

本文以硬質(zhì)合金刀具的全生命周期為基線，簡(jiǎn)要闡述我國(guó)在硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)、使用中應(yīng)如何節(jié)約鎢資源，提高硬質(zhì)合金材料的利用率，實(shí)現(xiàn)鎢資源在硬質(zhì)合金刀具行業(yè)中的可持續(xù)發(fā)展。

1 硬質(zhì)合金刀具行業(yè)中鎢資源可持續(xù)發(fā)展

從硬質(zhì)合金刀具的全生命周期來(lái)考慮，若要實(shí)現(xiàn)鎢資源在硬質(zhì)合金刀具行業(yè)中的可持續(xù)發(fā)展，則需發(fā)展高檔硬質(zhì)合金刀具提升刀具使用性能，提高刀具材料利用率，回收再利用廢舊刀具材料，不斷研發(fā)新的硬質(zhì)合金刀具材料，同時(shí)還需做好其他刀具材料的推廣使用工作。

1．1 發(fā)展高檔硬質(zhì)合金刀具

中國(guó)是世界制造中心，我國(guó)已成為全球最大的切削刀具市場(chǎng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，十一五期間，我國(guó)的國(guó)產(chǎn)刀具在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率穩(wěn)定在65%以上，但刀具產(chǎn)品主要以中、低端為主，高檔刀具仍需大量進(jìn)口。2010年，我國(guó)的刀具消費(fèi)約為330億元，其中進(jìn)口的高檔刀具花費(fèi)約為110億元，而我國(guó)自主研發(fā)、生產(chǎn)的高檔刀具僅占約10億元的銷(xiāo)售額。這就造成我國(guó)鎢資源大消耗量、低附加值的尷尬局面［7］。發(fā)展高檔硬質(zhì)合金刀具，提升刀具使用性能，對(duì)于減少我國(guó)鎢資源的消耗，促進(jìn)鎢資源的可持續(xù)發(fā)展是一項(xiàng)重要措施。同時(shí)，難加工材料不斷出現(xiàn)和數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展也對(duì)切削刀具提出了“三高一專(zhuān)”的要求（高效率、高精度、高可靠性和專(zhuān)用化）。

高檔刀具一般需要針對(duì)特定工件材料和加工工藝體現(xiàn)出刀具材料、刀具幾何結(jié)構(gòu)和刀具涂層三者之間的最佳性能匹配，最終實(shí)現(xiàn)刀具的高效率加工、高精度加工、高壽命穩(wěn)定加工。當(dāng)前整體硬質(zhì)合金刀具的高端性主要表現(xiàn)在超細(xì)晶高性能刀具基體材料、流暢的排屑槽型設(shè)計(jì)、優(yōu)化的刀具幾何參數(shù)、強(qiáng)有效的內(nèi)冷卻設(shè)計(jì)、精細(xì)的刃口處理技術(shù)、性能卓越的刀具涂層等方面。從刀具結(jié)構(gòu)來(lái)講，性能卓越的復(fù)雜成型刀具、多功能一體化刀具的出現(xiàn)以及近期Sandvik、Seco等刀具公司推出的可替換刀頭的硬質(zhì)合金刀具也是典型亮點(diǎn)。

可轉(zhuǎn)位數(shù)控刀片除繼承高端整體硬質(zhì)合金刀具的特征外，其高端性還體現(xiàn)在刀桿和刀片的一體化設(shè)計(jì)、制造，優(yōu)良的斷屑凸臺(tái)或凹臺(tái)設(shè)計(jì)，多樣的刀具涂層設(shè)計(jì)等?？赊D(zhuǎn)位刀片和整體硬質(zhì)合金相比，前者的材料利用率明顯高得多。如，Seco近期推出的一款DOUBLE OCTOMILLTM雙面王可轉(zhuǎn)位刀片擁有16個(gè)切削刃，Iscar的一個(gè)H400橄欖形刀片也可使用10余次。

大力發(fā)展高檔硬質(zhì)合金刀具，提升刀具使用性能對(duì)于減少鎢資源的消耗、促進(jìn)鎢資源的可持續(xù)發(fā)展將起到非常積極的作用。

1．2 提高硬質(zhì)合金刀具材料的利用率

切削刀具在達(dá)到正常磨損標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，其磨損量往往較小，此時(shí)若將刀具直接判為廢舊品，則造成鎢資源的較大浪費(fèi)。先進(jìn)的刀具重磨、重涂技術(shù)能對(duì)該類(lèi)型刀具進(jìn)行再制造，使其多次發(fā)揮切削性能，從而提高硬質(zhì)合金刀具材料的利用率［8］。

隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，刀具的重磨技術(shù)也不斷進(jìn)步。刀具重磨的方式已由手工修磨發(fā)展為自動(dòng)修磨，重磨的刀具種類(lèi)已由形狀簡(jiǎn)單的焊接車(chē)刀片、鉆頭等發(fā)展到銑刀、拉刀、絲錐等刃形復(fù)雜的刀具。國(guó)外刀具公司很早就開(kāi)展了廢舊刀具的重磨重涂業(yè)務(wù)，如Kennametal公司使用五軸數(shù)控機(jī)床重磨廢舊的整體硬質(zhì)合金切削刀具，包括整體硬質(zhì)合金鉆頭、立銑刀、KSEM鉆頭的標(biāo)準(zhǔn)刀片、鉸刀、絲錐等;早在2005年時(shí)，日本精密機(jī)械公司月刀具重磨、重涂量就達(dá)2萬(wàn)件以上。目前國(guó)內(nèi)許多刀具企業(yè)也逐步開(kāi)始對(duì)硬質(zhì)合金銑刀、鉆頭、階梯鉆、輪廓刀具等進(jìn)行重磨加工，并對(duì)重磨刀具進(jìn)行再涂層處理，如廈門(mén)金鷺特種合金有限公司、武漢泰爾斯刀具有限公司等。圖1為硬質(zhì)合金刀具重磨、重涂的基本流程。

硬質(zhì)合金刀具的重磨主要是根據(jù)刀刃破壞程度對(duì)可重磨刀具進(jìn)行分類(lèi)，確定其適用重磨方案，經(jīng)過(guò)刀具特定部位的粗磨、精磨以及刃口的強(qiáng)化處理后就完成了重磨過(guò)程。刀具經(jīng)過(guò)粗磨、精磨后，切削刃表面通常會(huì)產(chǎn)生微崩刃、微裂紋等缺陷，合理的刃口強(qiáng)化方法可去除上述缺陷，增加切削刃的強(qiáng)度，提高刀具壽命。重磨之后的刀具還可根據(jù)需要再進(jìn)行涂層處理。

由于可轉(zhuǎn)位刀片具有標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化特點(diǎn)，故刀片的重磨工藝也可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。表1為可轉(zhuǎn)位刀片主要的重磨工藝及特點(diǎn)。

硬質(zhì)合金刀具通過(guò)合理的重磨、重涂工藝后，粗加工時(shí)刀具的切削性能約為新刀具的50% ～80%，精加工時(shí)刀具的切削性能約為新刀具的85% ～90%［9］。通過(guò)先進(jìn)的刀具重磨、重涂技術(shù)，硬質(zhì)合金刀具可多次發(fā)揮其切削性能，從而提高刀具材料利用率，減少鎢資源的消耗。

1．3 硬質(zhì)合金刀具材料的回收利用

鎢礦石中的鎢資源屬于一次資源、不可再生資源，而硬質(zhì)合金刀具材料中的鎢資源屬于二次資源，可再生資源。隨著鎢資源供應(yīng)日益緊張，人們對(duì)廢舊硬質(zhì)合金刀具材料中鎢資源回收利用的意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)烈。

目前，國(guó)內(nèi)外回收硬質(zhì)合金刀具材料中鎢資源的主要方法有熔煉法、機(jī)械破碎法、電解法，熔煉法又包括硝石法和鋅熔法，鋅熔法和電解法是當(dāng)前應(yīng)用最廣的方法［9－10］。表2為硬質(zhì)合金材料中鎢資源回收利用的主要方法及特點(diǎn)。此外，硬質(zhì)合金中鎢資源的回收利用還有高溫處理法和酸浸法［11－12］。

表1 可轉(zhuǎn)位刀片主要的重磨工藝及特點(diǎn)

表2 硬質(zhì)合金材料中鎢資源回收利用的主要方法及特點(diǎn)

國(guó)外刀具企業(yè)很早就開(kāi)展廢舊硬質(zhì)合金刀具材料回收利用的研究和應(yīng)用工作。Sandvik刀具公司推出的再循環(huán)理念計(jì)劃致力于廢舊硬質(zhì)合金刀片和整體硬質(zhì)合金刀具的回收再利用。據(jù)報(bào)道，Sandvik每年約1/3的硬質(zhì)合金產(chǎn)品都來(lái)源于廢料的回收利用;日本日立工具公司也在全國(guó)范圍內(nèi)大力開(kāi)展廢舊硬質(zhì)合金材料的回收再利用工作。

中國(guó)是硬質(zhì)合金刀具的消費(fèi)大國(guó)，這為我國(guó)鎢資源的回收利用創(chuàng)造了條件。目前雖然國(guó)內(nèi)許多企業(yè)已開(kāi)始了硬質(zhì)合金刀具材料的回收利用工作，如，河源富馬硬質(zhì)合金股份有限公司和廈門(mén)金鷺特種合金有限公司，但國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)鎢資源的回收利用整體意識(shí)不足，鎢資源的回收利用率較低，且再生鎢資源的品質(zhì)還有待進(jìn)一步提高。

1．4 新硬質(zhì)合金刀具材料的研發(fā)

隨著新的加工材料、加工工藝不斷出現(xiàn)，新的刀具材料也被不斷研發(fā)出來(lái)。鎢含量較少的硬質(zhì)合金刀具材料研發(fā)對(duì)于鎢資源的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展起到積極作用。目前，鋼結(jié)硬質(zhì)合金刀具材料和功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金刀具材料是兩大研究熱點(diǎn)。

鋼結(jié)硬質(zhì)合金是近年來(lái)發(fā)展的一種新型硬質(zhì)合金材料。它是由一種或多種碳化物（TiC、WC等）作硬質(zhì)相（含量約30% ～50%），用高速鋼或合金鋼作粘結(jié)相，通過(guò)粉末冶金工藝制成［13－14］。鋼結(jié)硬質(zhì)合金繼承了硬質(zhì)合金和鋼的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，兼有硬質(zhì)合金的高硬度、高耐磨性，同時(shí)也具有鋼的高強(qiáng)度、可鍛性和可焊接性，填補(bǔ)了兩者之間的空白。鋼結(jié)硬質(zhì)合金可用來(lái)制造鉆頭、銑刀、拉刀、滾刀等復(fù)雜刀具，其在加工不銹鋼、耐熱鋼、有色合金等材料時(shí)效果顯著。

功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料也是國(guó)內(nèi)外研究的一個(gè)熱點(diǎn)，是現(xiàn)代硬質(zhì)合金的發(fā)展方向［15］。所謂功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料是指在合金不同位置的橫斷面上，其化學(xué)成分呈規(guī)律性和不均勻性分布，利用其成分的梯度變化，對(duì)材料的不同部位賦予不同性能，有利于硬質(zhì)合金解決其自身存在的硬度與韌性的矛盾問(wèn)題，從而使其獲得優(yōu)異的綜合性能。

國(guó)外的鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料和功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料在刀具領(lǐng)域的應(yīng)用已取得顯著成果。如，國(guó)外用于加工汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子輪槽的“圣誕樹(shù)”銑刀即為鋼結(jié)硬質(zhì)合金刀具材料;Sandvik研制成功的功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料已廣泛用于工作條件非?？量痰耐繉拥镀⒌V用合金等產(chǎn)品中。我國(guó)對(duì)鋼結(jié)硬質(zhì)合金材料和功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料已有十多年的研究，但關(guān)鍵核心技術(shù)與裝備尚未完全突破，其仍將是今后的研究重點(diǎn)。

1．5 其他刀具材料的推廣應(yīng)用

雖然硬質(zhì)合金刀具的通用型較強(qiáng)，適用范圍廣，但萬(wàn)能刀具是不存在的，每種刀具材料都有其應(yīng)用局限性。大力推廣其他刀具材料在相應(yīng)領(lǐng)域的應(yīng)用，可減少對(duì)硬質(zhì)合金刀具的依賴(lài)和大量使用，對(duì)于鎢資源在硬質(zhì)合金刀具行業(yè)中的可持續(xù)發(fā)展同樣起到非常積極的作用。

除硬質(zhì)合金刀具材料，目前其他刀具材料主要有高速鋼刀具材料、陶瓷刀具材料、超硬刀具材料。高速鋼刀具，特別是高性能粉末冶金高速鋼在復(fù)雜成型刀具中仍占有重要地位;陶瓷刀具在鑄鐵和淬硬鋼加工領(lǐng)域中有較大優(yōu)勢(shì);金剛石PCD刀具在有色金屬和非金屬材料加工領(lǐng)域中具有明顯優(yōu)勢(shì);PCBN刀具主要用于加工鋼件和鑄鐵類(lèi)材料。

國(guó)外刀具應(yīng)用企業(yè)在其他刀具材料的使用上遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先我國(guó)。如，美國(guó)G．E公司使用PCD面銑刀加工鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋時(shí)，銑削速度已達(dá)4 000 m/min;Sandvik推出的PCBN刀片加工淬火鋼齒圈時(shí)，將原有的切削速度從150 m/min提高到200 m/min，生產(chǎn)效率提高了2．9倍;近幾年，國(guó)外陶瓷刀具的發(fā)展特別迅速，Sandvik推出晶須和賽氧化隆陶瓷刀具在高進(jìn)給車(chē)削和銑削高溫合金時(shí)獲得較大成功;Sandvik還推出Wiper和Xcel槽型的氧化鋁陶瓷刀具，用于干切削汽車(chē)淬硬工件;德國(guó)SPK的氮化硅陶瓷刀片可進(jìn)行鑄鐵的干式車(chē)削、銑削、鏜孔、切槽等加工。

2 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)鎢資源的供應(yīng)量已呈緊缺形勢(shì)，為了減少鎢資源的消耗，保證鎢資源在硬質(zhì)合金刀具行業(yè)中的可持續(xù)發(fā)展，需要做到大力發(fā)展高檔硬質(zhì)合金刀具提升刀具使用性能，提高刀具材料利用率，回收利用廢舊硬質(zhì)合金刀具材料，不斷研發(fā)新的硬質(zhì)合金刀具材料，同時(shí)還需在相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域中大力推廣其他刀具材料的使用。

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