硬質合金刀片是現代製造業的重要組成部分，因其卓越的硬度、耐磨性以及在極端條件下保持鋒利切割刃的能力而備受推崇。但您有沒有想過這些重要工具是如何創建的？在這篇綜合指南中，我們將探討硬質合金刀片從原料到成品的複雜製造過程。
簡介：硬質合金刀片的世界
硬質合金刀片徹底改變了金屬加工行業，實現了更快的切削速度、改善的表面光潔度並延長了刀具壽命。要了解它們的重要性，我們必須先深入研究使這些高性能切削刀具發揮作用的複雜製造過程。那麼，硬質合金刀片是如何製造的呢？讓我們探索這段從粉末到精密的迷人旅程。
原料：硬質合金刀片的基石
在回答硬質合金刀片是如何製造的問題之前，我們需要了解所涉及的材料。用於製造硬質合金刀片的主要成分是：
- 碳化鎢粉末：這是主要成分，提供刀片的硬度和耐磨性。
- 鈷粉：充當黏合劑，將碳化鎢顆粒黏合在一起。
- 附加碳化物：可以添加碳化鈦或碳化鉭來增強特定性能。
這些原料的品質和比例顯著影響硬質合金刀片的最終性能。
製造過程：硬質合金刀片是如何一步步製造的
現在，讓我們深入探討主題的核心：硬質合金刀片是如何製造的？該過程涉及幾個關鍵步驟，每個步驟都會影響刀片的最終特性和性能。了解這個過程是理解創建這些高性能切削工具所涉及的複雜性和精確度的關鍵。
1. 粉末製備
硬質合金刀片的製造過程始於粉末的仔細選擇和製備。
- 原料選擇：採購高純度碳化鎢和鈷粉。這些原材料的品質對於刀片的最終性能至關重要。
- 粉末分析：分析粉末的粒徑分佈、純度和化學成分。
- 稱重和配比：根據所需的等級規格稱重精確數量的碳化鎢和鈷粉末。鈷含量通常為 6% 至 30%，具體取決於刀片的預期應用。
- 添加劑摻入：如果需要，可以在此階段添加額外的碳化物，例如碳化鈦或碳化鉭，以增強特定性能。
2. 混合和研磨
此步驟對於硬質合金刀片的製造至關重要，因為它決定了最終產品的均勻性。
- 初始混合：將測量的粉末在 V 型攪拌機或渦輪混合器中徹底混合，以確保所有組分均勻分佈。
- 球磨：然後將混合物轉移到球磨機中。該設備使用堅硬、耐磨的球（通常由碳化鎢製成）來進一步混合和研磨粉末。
- 濕磨：添加液體介質（通常是酒精）以促進研磨過程並防止氧化。
- 研磨持續時間：研磨過程可持續 24 至 72 小時，取決於所需的粒度和等級特性。
- 粒徑減小：在研磨過程中，粉末顆粒被減小至亞微米尺寸，通常範圍為 0.5 至 5 微米。
- 乾燥：研磨後，使用噴霧乾燥或真空乾燥技術乾燥漿料以除去液體介質。
3. 壓製成型
製造硬質合金刀片的下一步是將粉末成型為所需的形狀。
- 粉末潤滑：粉末中添加少量有機黏合劑（通常是石蠟）以改善其流動性和可壓縮性。
- 模具準備：準備具有所需刀片形狀的模具。模腔通常稍大，以考慮燒結過程中的收縮。
- 粉末填充：將製備好的粉末混合物小心地倒入模腔中。
- 壓實：使用液壓機或機械壓機在高壓下壓縮粉末，通常每平方英吋 10 至 30 噸。
- 綠色契約形成：結果是 “綠色緊湊型，” 它具有最終刀片的基本形狀，但仍然相對柔軟且易碎。
- 頂出：將生坯小心地從模具中頂出。
4. 預燒結（可選）
一些製造商在硬質合金刀片的製造過程中包括預燒結步驟。
- 低溫加熱：將生坯加熱至 500°C 至 900°C 之間的溫度。
- 去除黏合劑：此過程可去除壓制階段使用的有機黏合劑。
- 強度增加：預燒結稍微增加了壓坯的強度，使其更容易在後續步驟中處理。
5. 燒結
燒結是製造硬質合金刀片的關鍵步驟，它將脆弱的生坯轉變為緻密、堅硬的硬質合金刀片。
- 爐裝載：將生坯（或預燒結零件）裝載到燒結爐中。
- 氣氛控制：爐內氣氛經過仔細控制，通常使用真空或氬氣等惰性氣體來防止氧化。
- 溫度上升：溫度逐漸升高至 1400°C 左右（接近鈷的熔點）。
- 保持時間：將溫度保持特定時間，通常為1-3小時，使鈷熔化並在碳化鎢顆粒之間流動。
- 液相燒結：熔融鈷充當黏合劑，填充碳化物顆粒之間的空間。
- 冷卻：爐子緩慢冷卻，使鈷凝固並將碳化物顆粒黏合在一起。
- 收縮：在燒結過程中，由於孔隙的消除和結構的固結，鑲件收縮約17-25%。
6. 熱等靜壓（HIP）（可選）
一些高性能刀片在硬質合金刀片的製造過程中經歷了額外的步驟。
- 高壓環境：燒結刀片被放置在一個充滿惰性氣體的特殊室中，壓力非常高（高達 30,000 psi）。
- 高溫：將腔室加熱至接近燒結溫度的溫度。
- 孔隙消除：高壓和高溫的結合消除了任何剩餘的孔隙，從而形成完全緻密的結構。
7. 精加工和研磨
硬質合金刀片製造的最後步驟涉及最佳性能所需的精確尺寸和幾何形狀。
- 粗磨：對燒結刀片進行磨削，以去除任何表面缺陷並獲得基本形狀。
- 精密研磨：高精度磨床用於製造特定刀片類型所需的精確尺寸、切割刃和斷屑槽。
- 邊緣準備：可以對切割邊緣進行研磨或賦予特定的微觀幾何形狀，以提高其性能和耐用性。
- 表面精加工：有些刀片經過額外的表面處理，例如拋光，以改善切屑流動或減少積屑瘤的形成。
8. 品質控制
在硬質合金刀片的整個製造過程中，實施了品質控制措施：
- 尺寸檢查：進行精確測量以確保刀片符合要求的規格。
- 硬度測試：測試刀片的硬度以確認其符合牌號要求。
- 微觀結構分析：在顯微鏡下檢查樣品以驗證晶粒結構和成分。
- 性能測試：每批次的某些刀片可能會經過切削測試以驗證其性能。
9. 塗層（可選）
許多硬質合金刀片在製造過程中還要經歷一個額外的步驟：塗層。此步驟增強了刀片的耐磨性、熱穩定性和整體性能。
- 表面處理：對刀片進行清潔，有時進行預處理，以確保良好的塗層附著力。
- 塗層應用：根據所需的性能，使用以下方法塗抹塗層：
- 化學氣相沉積 (CVD)：用於更厚、更耐磨的塗層
- 物理氣相沉積 (PVD)：用於更鋒利的邊緣和更堅韌的塗層
- 多層塗層：許多現代刀片採用多層不同的塗層材質來優化性能。
- 塗層後處理：有些塗層刀片經過邊緣珩磨或拋光等額外處理，以細化塗層表面。
了解硬質合金刀片製造的詳細過程突顯了製造這些基本切削刀具所涉及的複雜性和精度。每個步驟都有助於刀片的最終性能，確保其能夠承受現代加工操作的苛刻條件。
塗佈技術：增強硬質合金刀片性能
許多硬質合金刀片在製造過程中還要經歷一個額外的步驟：塗層。但是硬質合金刀片上的塗層是什麼？
塗層是塗在硬質合金刀片表面的薄層硬質材料，以增強其性能。常見的塗層材料包括：
- 氮化鈦（TiN）
- 碳氮化鈦（TiCN）
- 氧化鋁 (Al2O3)
- 氮化鋁鈦（TiAlN）
這些塗層通常使用以下方法進行塗覆：
- 化學氣相沉積 (CVD)
- 物理氣相沉積 (PVD)
塗層製程是為許多高性能應用製造硬質合金刀片的關鍵部分。可顯著提高耐磨性，減少摩擦，延長刀具壽命。
硬質合金刀片牌號和分類
了解硬質合金刀片的製造方法還涉及了解可用的不同等級。硬質合金刀片的分級系統對於為特定加工應用選擇合適的刀具至關重要。讓我們更深入地研究硬質合金刀片技術這個複雜但重要的面向。
ISO分類系統
國際標準化組織 (ISO) 建立了一個廣泛接受的硬質合金刀片分類系統。該系統使用字母和數字來指示刀片的特性和預期應用：
- 申請組（信）：
- P：用於加工鋼材（藍色代碼）
- M：用於加工不銹鋼（黃色代碼）
- K：用於加工鑄鐵（紅色代碼）
- N：用於加工有色金屬（綠色代碼）
- S：用於加工耐熱超合金和鈦（棕色顏色代碼）
- H：用於加工硬化材料（灰色代碼）
- 硬度和韌性標度（數字）：
- 範圍從 01 到 50
- 較低的數字表示較硬、較耐磨的牌號（例如 P01、K10）
- 數字越高表示材質越堅韌、更耐衝擊（例如 P50、M40）
具體等級特徵
在每個應用組中，硬質合金刀片牌號根據其成分和性能進一步區分：
- C 級（鑄鐵）：
- 範例：K10 – 用於鑄鐵高速精加工的細晶粒 WC-Co 牌號
- 範例：K20 – 用於通用鑄鐵加工的中晶粒材質
- P 級（鋼）：
- 範例：P01 – 用於鋼材高速精加工的超細晶粒材質
- 範例：P25 – 耐磨性與韌性良好平衡的中晶粒材質，適用於一般鋼材加工
- M 級（不鏽鋼）：
- 範例：M10 – 用於不銹鋼高速加工的細晶粒材質
- 範例：M30 – 用於不銹鋼斷斷續續切削的更堅韌材質
- 專業等級：
- N 牌號，適用於有色金屬材質（如鋁、銅）
- 用於耐熱高溫合金的 S 級（例如鉻鎳鐵合金、哈氏合金）
- H 等級，適用於淬火鋼和其他硬質材料
微觀結構和成分
硬質合金刀片的等級與其製造方式直接相關。關鍵因素包括：
- 粒度：
- 奈米顆粒： <0.1微米
- 亞微米：0.1-0.5μm
- 細晶粒：0.5-1.0μm
- 中粒：1.0-2.5 μm
- Coarse-grain: >2.5 μm
- 鈷含量：
- 通常範圍為 6% 至 30%
- 較高的鈷含量會增加韌性但會降低硬度
- 附加碳化物：
- 碳化鈦 (TiC)：提高抗月牙窪磨損性能
- 碳化鉭 (TaC)：增強高溫穩定性
- 碳化鈮 (NbC)：提高刃口強度
選擇正確的等級
選擇合適的硬質合金刀片牌號需要考慮以下幾個因素：
- 工件材質：將刀片材質與所加工的材質相符。
- 切削條件：考慮切削速度、進給率和切削深度等因素。
- 機器穩定性：更穩定的設定可以使用更硬的等級；穩定性較差可能需要更嚴格的等級。
- 表面光潔度要求： 較細緻的牌號通常會產生較好的表面光潔度。
- 刀具壽命預期：較硬的材質通常在連續切削操作中提供更長的刀具壽命。
進階開發
隨著製造商不斷改進硬質合金刀片的製造方式，正在開發新的材質來應對特定的挑戰：
- 多層材質：將不同的碳化物成分分層組合以優化性能。
- 功能梯度刀片：改變從核心到表面的成分，以實現韌性和耐磨性的理想平衡。
- 奈米複合材料等級：加入奈米尺寸的顆粒以增強特定性能。
了解這些等級和分類對於優化加工流程至關重要。透過選擇正確的牌號，製造商可以顯著提高生產率、刀具壽命和零件品質。當我們繼續探索硬質合金刀片的製造方法時，很明顯，分級系統在將製造過程轉化為實用的特定應用工具方面發揮關鍵作用。
硬質合金刀片與陶瓷刀片：比較
雖然我們關注的是硬質合金刀片的製造方法，但值得將它們與另一種流行的選擇：陶瓷刀片進行比較。
硬質合金刀片提供：
- 更好的韌性和抗衝擊性
- 應用範圍更廣
- 成本更低
陶瓷嵌件提供：
- 更高的耐熱性
- 高切削速度下性能更佳
- 在某些應用中刀具壽命更長
硬質合金和陶瓷之間的選擇取決於特定的加工要求和工件材料。
了解硬質合金刀片標記
學習如何製造硬質合金刀片的一部分包括了解它們是如何標記的。硬質合金刀片上的標記提供了有關其幾何形狀、尺寸和預期應用的重要資訊。這些標記遵循標準化系統，主要是業界廣泛使用的 ISO（國際標準化組織）系統。讓我們分解這些標記來了解每個元素代表什麼。
ISO命名系統
ISO 系統使用一系列字母和數字來描述刀片的特性。典型的 ISO 名稱可能如下所示：
CNMG 120408-PM 4325
讓我們一步步解碼這個標記：
- 插入形狀（第一個字母）
- C：80°鑽石
- D：55°鑽石
- R：圓形
- S: 方形
- T：三角形
- V：35°鑽石
- W：三角形（3邊形）
- 後角（第二個字母）
- 正負：0°
- 角度：11°
- ℃：7°
- 東：20°
- 前角：25°
- O：0°（針對特定應用）
- 公差等級（第三個字母）
- A：最接近的公差
- G：中等公差
- M：更寬的公差
- 插入特徵（第四個字母）
- G：表面有凹槽，有埋頭孔的孔
- N：表面有凹槽，孔無埋頭孔
- R: 圓孔無埋頭孔
- T：帶埋頭孔的孔，無凹槽
- 插入尺寸（第一組數字）
- 12：內切圓直徑或邊長（單位：mm）
- 04：刀片厚度（單位：mm）
- 圓角半徑（最後兩位數字）
- 08：0.8毫米圓角半徑
- 斷屑槽和材質 (-PM 4325)
- PM：斷屑槽類型（因製造商而異）
- 4325：等級名稱（因製造商而異）
附加標記
除了 ISO 系統之外，製造商通常還包含其他標記：
- 品牌標誌：標誌製造商。
- 材料等級：通常採用顏色編碼（例如，藍色表示鋼，黃色表示不銹鋼）。
- 塗層類型：可由特定顏色或標記表示。
- 切割刃狀況： 符號可能表示磨削或鋒利的邊緣。
- 冷卻液孔指示器：適用於設計用於貫穿刀具冷卻液的刀片。
解釋特殊幾何形狀
有些刀片具有特殊的幾何形狀，並在其標記中標明：
- 修光刃刀片：通常用“W”表示’ 在斷屑槽名稱中。
- 高進給刀片：可能有“HF”’ 或類似的名稱。
- 雙面刀片：由刀片特徵位置中的特定字母表示。
製造商特定代碼
雖然 ISO 系統提供了標準化基礎，但許多製造商添加了自己的程式碼以提供更具體的資訊：
- 山特維克可樂滿：使用“GC”’ 牌號名稱的前綴（例如 GC4325）。
- 肯納金屬：使用“KC”’ 其等級的前綴（例如 KC5010）。
- Iscar：通常包括“IC”’ 其等級名稱（例如 IC8150）。
了解插入式包裝
硬質合金刀片的包裝通常包含其他有價值的資訊：
- 建議的切削參數：速度、進給和切削深度範圍。
- 材料相容性：表示合適的工件材料的符號或代碼。
- 批號：用於品質控制和可追溯性。
- 存放建議： 為了保持刀片品質。
製造過程中的重要性
了解這些標記不僅對於使用者至關重要，而且對於硬質合金刀片的製造過程也至關重要。通常在製造的最後階段添加標記：
- 雷射雕刻：許多標記是使用精密雷射雕刻系統添加的。
- 顏色編碼：一些製造商應用顏色編碼點或帶來指示等級或材料相容性。
- 品質控制：作為最終檢查過程的一部分，檢查標記的準確性。
讀取硬質合金刀片標記的技巧
- 請務必參閱製造商的目錄或網站以了解其特定的編碼系統。
- 請注意標記的順序，因為製造商之間的順序可能略有不同。
- 對於小插入物，請使用放大鏡或放大鏡，因為標記可能非常小。
- 如有疑問，請諮詢刀具製造商或切削刀具專家。
- 請記住，某些特殊或定製刀片可能不遵循標準 ISO 系統。
了解這些標記對於為特定加工操作選擇正確的刀片至關重要。它允許用戶快速識別刀片的形狀、尺寸、公差和預期應用。這些知識與對硬質合金刀片製造方式的了解相結合，使機械師和工程師能夠優化其切削工藝，以實現最高的效率和品質。
隨著製造技術的進步，我們可能會看到新的標記系統出現，以適應更複雜的刀片幾何和先進材料。對於在現代製造環境中使用切削刀具的任何人來說，了解這些發展至關重要。
塗層與未塗層硬質合金：有什麼不同？
在討論如何製造硬質合金刀片時，重要的是要解決塗層和未塗層品種之間的差異。
塗層硬質合金刀片具有：
- 增加耐磨性
- 更高的切削速度
- 更長的刀具壽命
- 在某些應用中具有較好的表面光潔度
無塗層硬質合金刀片提供：
- 更鋒利的切割刃
- 斷斷續續切割性能更佳
- 成本更低
- 適用於有色金屬材料
塗層和未塗層之間的選擇取決於特定的加工操作和工件材料。
硬質合金與立方氮化硼：硬度與應用
在探索硬質合金刀片的製造方法時，您可能想知道立方氮化硼 (CBN) 等其他超硬材料。 CBN比硬質合金硬嗎？
是的，CBN 比硬質合金更硬。然而，硬質合金刀片因其以下優點而得到更廣泛的應用：
- 成本更低
- 韌性更好
- 更廣泛的應用範圍
CBN 在加工淬火鋼和鑄鐵方面表現出色，但比硬質合金更昂貴且韌性較差。
識別硬質合金刀片
您如何知道刀片是否為硬質合金？以下是一些特徵：
- 暗灰色（適用於無塗層刀片）
- 高密度（感覺比看起來重）
- 磁性（由於鈷含量）
- 非常堅硬（可以刮傷玻璃）
對於塗層刀片，塗層顏色可能會有所不同（例如，TiN 為金色，TiCN 為灰色）。
結論：硬質合金刀片製造的未來
了解硬質合金刀片的製造方法對於參與加工操作的任何人都至關重要。從原材料的精心選擇到製造過程的精確控制，每一步都有助於刀片的最終性能。
展望未來，材料科學和製造技術的進步有望帶來更複雜的硬質合金刀片。奈米顆粒碳化物、多層塗層和客製化微觀幾何形狀的創新只是未來幾年可能重塑硬質合金刀片製造方式的幾個領域。
透過掌握硬質合金刀片製造的複雜性，工程師和機械師可以做出更明智的決策，優化切削操作並突破金屬切削的可能性界限。
