硬質合金刀具產品項目工藝及主要設備簡介

張鑫

硬質合金刀具產品項目工藝及主要設備簡介

張鑫

（中國瑞林工程技術有限公司）

本文簡要介紹了硬質合刀具的應用及生產工藝，并結合某公司年產700t硬質合金刀具產品項目，對生產工藝和設備選型進行了論證及分析。

硬質合金；涂層刀片；燒結；研磨及珩磨

1 前言

硬質合金有硬度高，耐磨性好，強度和彈性模量高，耐腐蝕性和抗氧化性好，膨脹系數小，電導率和熱導率與鐵及鐵合金相近等特點，使它在現代切削刀具材料、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]。

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

2 生產規模和產品方案

依據“國家十三五新材料發展規劃”和市場需求，經反復論證，項目的生產規模確定為年產硬質合金刀具產品共700t，其中涂層切削刀片300t，整體銑刀毛坯（硬質合金棒材）400t。

本項目的產品方案見表1。

表1 產品方案

3 生產工藝

3.1 生產工藝流程

WC料等、金屬鈷粉、復式碳化物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→研磨、珩磨→噴砂與清洗→PVD/CVD涂層→成品檢查→包裝→涂層刀片產品。

3.2 生產工藝簡介

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，為了改善混合料粉末顆粒之間的結合狀態和均勻性，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。大規模工業生產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粉末加壓制成具有預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 燒結工序

燒結是硬質合金產品生產過程中一道重要的加工工序，它對硬質合金的組織和性能有重大的甚至是決定性的影響。采用最新的燒結工藝，即加壓燒結（壓力＜10MPa）-熱等正壓處理，將脫蠟-燒結-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圖式（即通常所謂的毛面），可以大大提高工件與涂料的結合力。

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，硬質合金大多采用CVD法。硬質合金用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），導致刀片脆性破裂。

4 主要生產設備

4.1 選型原則

根據產品方案和生產工藝，本項目生產設備的選擇從生產規模、產品質量、設備投資、生產成本等方面綜合考慮，結合Y公司長期的生產實踐經驗，以國內同類產品的先進設備為主體進行配置，既體現先進性，又具備成熟性。

4.2 工藝設備

4.2.1 球磨設備

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壁的研磨作用而將物料粉碎并混合。當球磨轉動時，由于研磨體與球磨內壁之間的摩擦，將研磨體依旋轉的方向帶上后再落下，這樣物料就連續不斷地被粉碎。

本項目球磨工序選用300kg球磨機10臺，450kg球磨機9臺。

4.2.2 干燥設備

噴霧干燥是混合料生產中重要設備，具有生產效率高，粉末不易污染、含氧量低、粒度均勻、流動性好、金屬回收率高，能提高產品形位精度，密度均勻性好，為高性能精密可轉位刀片的開發創造條件。

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、配有機械手及動態調節裝置的全自動壓力機；該設備精度高、壓坯尺寸，單重及受壓均一性都具有領先之處，本項目引進配有機械手的整套壓制設備。

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 燒結設備

引進國外加壓燒結爐，設備自動化程度高，操作和燒結工藝計算機控制，溫差波動小，該設備實現脫蠟、預燒、燒結、低壓燒結等工藝一次性完成。

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

4.2.5 研磨及珩磨設備

為適應高性能、高精度硬質合金涂層刀片的工藝、產能、精度的要求，選用自動化程度高、工作效率快、產品精度高，并帶有研磨液處理系統，機械手自動裝、卸料，砂輪裝卸方便，研磨精度高的設備。

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，噴砂設備2臺，清洗設備2臺。

4.2.6 涂層設備

目前生產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，設備簡單，涂層均勻。本項目引進附帶有專用清洗設備的國外先進的PVD、CVD設備，適合多種涂層產品。

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

5 技術難點

（1）高端產品工藝對環境要求高，空調通風設備投資大，復雜程度高。

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

6 結束語

硬質合金刀具產品項目的生產工藝和主要生產設備，是在廣泛深入調查研究的基礎上，結合Y公司多年的生產和管理的實踐經驗確定的，技術可靠成熟，達到了國內先進水平。項目的設計和建設選擇了先進的工藝和設備，立足解決高檔產品依賴進口的局面，建成投產后具有重要的社會效益和良好的經濟效益。

[1]陳平華.我國硬質合金刀具的市場格局和預測.工具技術，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[J].粉末冶金技術，2003（3）：169～174.

[3]胡學.整體硬質合金刀具的產業現狀與發展趨勢[J].硬質合金，2010，21（4）：249～251.

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

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2016-11-13