刀具中的稀有金屬

蕭蕭天竹

 

    刀具的常用材料,，高速鋼或者硬質(zhì)合金，都使用者大量的稀有金屬,。
    首先是鎢,。
    最傳統(tǒng)的高速鋼W18Cr4V，含鎢量達(dá)18%,。后來典型的W6Mo5Cr4V2(M2)和W9Mo3Cr4V,，含鎢也達(dá)到6%和9%,。硬質(zhì)合金的含鎢量也非常高，鎢鈷類(加工鑄鐵及鋁合金等常用,，如國內(nèi)典型的YG系列)或鎢鈷鈦類(加工長切屑的鋼件常用,，如國內(nèi)典型的YT系列)的碳化鎢含量基本上都在80%以上，如YG6的碳化鎢含量高達(dá)90%以上,。
    我國世界鎢儲量第一,，占全球供應(yīng)量的為85%。鎢主要用于硬質(zhì)合金,、包括高速鋼在內(nèi)的特種鋼等產(chǎn)品,，并被廣泛用于國防工業(yè)、航空航天,、信息產(chǎn)業(yè),，被稱為“工業(yè)的牙齒”。鎢的耐溫性能非常好,，因此在武器工業(yè)中鎢合金被大量用,，比如槍、炮的發(fā)射管中都會用到鎢的合金,。軍事方面用做穿甲彈的彈丸，都是用比坦克裝甲硬得多的高密度合金鋼,、碳化鎢等材料制成的,。鎢的化學(xué)性能非常穩(wěn)定，在ffice:smarttags" />1000℃以上的高溫下也不會氧化,，硬度也不會明顯下降,。這點(diǎn)對防破甲彈的高溫金屬射流十分有利。鎢合金的機(jī)械性能與貧鈾相差無幾,，卻沒有貧鈾的放射性,，有利于環(huán)境的保護(hù)。鎢的硬度極高,，主要用于鋼鐵金屬的合金,，加入鎢后鋼的硬度會有極大的提高，在金屬加工領(lǐng)域的刀具材料高速鋼就是含鎢的合金,。如果一個(gè)國家沒有鎢的話,，在目前技術(shù)條件下的金屬加工能力就會出現(xiàn)極大的缺失，直接導(dǎo)致機(jī)械行業(yè)的癱瘓,，所以稱之為戰(zhàn)略金屬,。此外在照明領(lǐng)域也必須使用鎢做為燈絲。
    其次應(yīng)該是鉬,。
    高速鋼被分為鎢系和鎢鉬系兩個(gè)大系,，由于鎢資源的緊缺性和鎢鉬系高速鋼的工藝性良好,，鎢鉬系高速鋼成為高速鋼的主流派系。在高速鋼中,，一份鉬對刀具性能的貢獻(xiàn)大約相當(dāng)于兩份鎢,。因此，我們會看到說W6Mo5Cr4V2(M2)的“鎢當(dāng)量”是16%,，W9Mo3Cr4V的“鎢當(dāng)量”是15%等等,。我國鉬儲量居世界第二，占全球供應(yīng)量的24%,。鉬可以用于煉制各類合金鋼,、不銹鋼、耐熱鋼,、超級合金,，在軍事工業(yè)中應(yīng)用廣泛，也被稱作“戰(zhàn)爭金屬”,。
    此外鈦,、鈷、鉻,、鈮,、鉭等等也是刀具中常會用到的稀有金屬。
    鈦是另一類硬質(zhì)合金鈦基硬質(zhì)合金(國內(nèi)常常稱其為“金屬陶瓷”)的主要成分,。鈦基硬質(zhì)合金是以TiC或Ti(C,N)為主要成份(占60%～80%以上),，Ni-Mo或Ni-Co-Mo作粘結(jié)相的硬質(zhì)合金。鈦基硬質(zhì)合金的性能介于陶瓷和WC基硬質(zhì)合金之間,，可以用比普通鎢基硬質(zhì)合金更高的切削速度切削,，加工的工件表面質(zhì)量好。因此,，特別適于鋼材和鑄件的精加工和半精加工,。在國外，TiC基和Ti(C,N)基硬質(zhì)合金所占比重已達(dá)到可轉(zhuǎn)位刀片總需求量的30%以上,。近幾年來,，隨著涂層鈦基硬質(zhì)合金(可單涂層，也可用多元復(fù)合涂層),、超細(xì)晶粒和納米晶粒以及梯度結(jié)構(gòu)鈦基硬質(zhì)合金的開發(fā),，使材料的綜合性能大大提高，應(yīng)用范圍更加擴(kuò)大,。
    鈦還是刀具涂層的最主要的成分之一,。TiC、TiN,、Ti(CN),、TiAlN等都是我們最常見的涂層品種,。
    據(jù)了解我國的鈦資源約占全球鈦資源的38%，換算成TiO2總儲量達(dá)90億多噸,，為世界第一,。絕大部分在攀枝花地區(qū)。鈦具有所有工業(yè)金屬材料中最高的比強(qiáng)度(抗拉強(qiáng)度和密度之比)：鈦的密度為4.54克/mm(純鈦抗拉強(qiáng)度最高可達(dá)180千克/mm),，擠壓強(qiáng)度為40%～55%,，整體強(qiáng)度是鋁的2倍，比強(qiáng)度是鋁的1.3倍,；而且它在-253℃到500℃這樣寬的溫度范圍內(nèi)都能保持如此的高強(qiáng)度,。鈦一直主要用于航天軍工精密部件。
    鈷在高速鋼刀具中的作用我在《漫筆高速鋼》一文中已經(jīng)提及：鈷對于提高高速鋼的性能的作用也是明顯的,，它能促使碳化物在淬火加熱時(shí)更多地溶解在基體內(nèi),，利用高的基體硬度來提高耐磨性。這種高速鋼硬度,、熱硬性,、耐磨性及可磨性都很好。
    鈷在硬質(zhì)合金中的主要作用是粘結(jié)劑,，它能為硬質(zhì)合金刀具提供一定的韌性,。含鈷量較少的刀具，硬度比較高,，但韌性經(jīng)常不夠,。因此，人們常常用提高鈷含量的方法來適當(dāng)?shù)亟档陀捕榷�改善韌性,。因?yàn)榈毒咭坏┌l(fā)生崩刃，再高的耐磨性也無從體現(xiàn),。鈷加強(qiáng)是后來人們找到的一個(gè)新的解決方案,。它可以在保持硬質(zhì)合金芯部高的硬度以提供足夠的支撐力的同時(shí)，表面具有較高的鈷含量而可以承受更高的切屑沖擊,。這一技術(shù)據(jù)說是早年由在肯納金屬服務(wù)的華人科學(xué)家ersonName w:st="on" ProductID="劉一雄">劉一雄ersonName>博士參與開發(fā)的(當(dāng)時(shí)的牌號為KC850),，現(xiàn)在山特維克可樂滿、山高等也已經(jīng)提供這樣的產(chǎn)品,。
    但我國的鈷資源緊缺,，已探明鈷金屬估有儲量約數(shù)十萬噸。分布于全國24個(gè)省(區(qū)),。國外鈷資源豐富,，儲量約為520萬噸，但絕大部分產(chǎn)在風(fēng)化型紅土鎳礦,、巖漿型硫化銅鎳礦和沉積型砂巖銅礦之中,，且95%以上集中分布在民主剛果,、澳大利亞、古巴,、贊比亞,、新喀里多尼亞和俄羅斯等少數(shù)國家。
    鉻在所有的高速鋼中的含量幾乎都是4%,，以至國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在制定高速鋼牌號的國際標(biāo)準(zhǔn)時(shí),，規(guī)定可以省略鉻含量的符號。如W18Cr4V的代號是HS18-0-1-0(前一個(gè)0是代表Mo含量為0,，后一個(gè)0是代表Co含量為0),，W6Mo5Cr4V2的代號是HS6-5-2-0，W2Mo9Cr4VCo8(美國牌號M42)的代號是2-9-1-8,。
    現(xiàn)在發(fā)展出一些含Cr的刀具涂層,。巴爾澤斯推出的G6涂層就是一種AlCrN涂層,。據(jù)巴爾澤斯稱，這種涂層的耐磨性、熱硬性和抗氧化性都有很大提高,。
    但是，我國的鉻資源相當(dāng)匱乏,。
    鈮,、鉭經(jīng)常以碳化鈮和碳化鉭的方式出現(xiàn)在硬質(zhì)合金的成分表中，在所有的硬質(zhì)化合物中碳化鉭的硬度是最高的,。鈮,、鉭和鎢、鉬一樣都是稀有高熔點(diǎn)金屬,，它們的性質(zhì)和用途也有不少相似之處,。鈮、鉭最主要的特點(diǎn)是耐熱,。它們的熔點(diǎn)分別高達(dá)攝氏2400度和將近3000度,，不要說一般的火勢燒不化它們，就是煉鋼爐里烈焰翻騰的火海也奈何它們不得,。因此他們在刀具的成分中也占有一席之地,。
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