如何制作用于切削工具的钨金属
钨是机械加工和制造领域最重要的金属之一，尤其适用于切削刀具。它的优势在于其极高的熔点、硬度、耐磨性和在极端工作温度下的稳定性。然而，需要注意的是，工业界的“钨合金刀具”几乎从不使用纯钨，而是使用碳化钨 (WC) 与钴 (Co) 或镍等粘结剂复合而成。这种复合材料（烧结碳化物）比纯钨更适合金属切削。
本文探讨了如何制造用于切削刀具的钨基材料，从矿石来源到成品刀片或切削钻头。
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1. 钨的来源：从矿石到精矿
钨在自然界中通常以黑钨矿（(Fe,Mn)WO₄）和白钨矿（(CaWO₄)）的形式存在。生产的初始阶段是开采和加工矿石，以获得高钨精矿。
该过程包括：
– 将矿石破碎研磨成小颗粒。
– 重力分离（因为钨矿物相对较重）。
– 浮选或磁选（取决于矿石类型）。
– 将浓缩物干燥，作为化学阶段的原料。
这一阶段的产物不是钨金属，而是可以进行化学加工的钨矿物精矿。
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2. 化学萃取：制备仲钨酸铵（APT）
现代钨工业广泛采用以仲钨酸铵（APT）为主要中间体的工艺路线。由于APT纯度高且易于加工成各种钨产品，因此被认为是“标准”中间体。
大纲：
1. 根据矿物的类型，使用碱性溶液（例如氢氧化钠）或酸浸出浓缩物。
2. 钨在溶液中溶解形成钨酸盐化合物。
3. 净化溶液，去除钼、磷、砷、二氧化硅等杂质。
4. 通过调节 pH 值、温度和添加氨水使 APT 结晶，形成 APT 晶体。
然后将这种APT煅烧成氧化钨。
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3. 煅烧：将APT转化为氧化钨(WO₃)
将APT加热至一定温度以去除水和铵成分，生成三氧化钨（WO₃）。这一步骤至关重要，因为WO₃是制造以下物质的主要原料：
–钨金属粉末（纯钨粉），或
– 用于切削刀具的碳化钨粉末（WC粉末）。
温度和煅烧时间的控制会影响：
氧化物颗粒尺寸
表面积
– 还原过程中的反应活性。
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4. 还原：从WO₃还原为钨粉(W)
为了获得金属钨，需在高温下用氢气还原WO₃。该反应通常是分步进行的，例如，在获得纯钨之前会先形成中间氧化物。该过程在特殊炉中进行，并受到严格的控制，以确保：
高纯度，
低氧水平，
– 根据需要调整粉末粒径。
最终得到钨粉，可用于某些特定用途。然而，对于切削刀具而言，业界更常采用碳化钨的形成阶段。
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5. 渗碳：制备碳化钨（WC）
为了使其适用于切削工具，钨通常被转化为碳化钨（WC）。这个过程称为渗碳，它是在受控气氛中，于高温下使钨粉与碳源（例如炭黑）发生反应。
主要目标：
– 形成稳定的WC相，
– 防止形成过量的W2C等不良相，
– 控制 WC 的晶粒尺寸，因为这会极大地影响耐磨性和韧性。
然后将所得的 WC 粉末进行分级（筛分/测量粒度分布），以确保质量一致性。
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6. 与粘合剂混合：制成“硬质合金”
碳化钨（WC）本身硬度很高，但很脆。用于切削刀具时，碳化钨会与粘结剂（通常在许多机械加工应用中含有 6%～12% 的钴）混合，制成一种具有以下特性的材料：
– 高硬度（来自碳化钨），
– （粘合剂的）韧性和抗裂性。
混合阶段：
1. 称重：按等级称量WC和粘合剂的组成。
2. 球磨/研磨：与介质和液体（通常使用有机溶剂）进行充分混合，以达到均匀性。
3. 添加临时有机蜡/粘合剂以帮助成型过程（压制）。
4. 干燥至成为可直接印刷的粉末（颗粒）。
在这个阶段，污染控制至关重要。即使是少量污垢也会显著降低工具性能。
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7. 成型（压实）：压入嵌件形状
将混合粉末压制成“生坯”（烧结前的原始形态）。两种常用方法：
– 单轴压制：在模具中压制成标准嵌件形状。
– 冷等静压（CIP）：来自各个方向的均匀压力，适合更均匀的密度。
绿色的粉盒虽然还很脆弱，但已经呈现出切割工具的最终形状。
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8. 烧结：压实和微观结构形成
关键步骤是在高温下烧结（通常高于 1300°C，具体取决于成分）。在硬质合金中，烧结通常以液相烧结的形式进行：粘结剂（例如 Co）熔化并帮助固化结构，填充孔隙，并将 WC 晶粒“粘合”在一起。
良好的烧结效果具有以下特点：
– 高密度（低孔隙率），
粘合剂分布均匀，
– WC 粒度按等级（细、中、粗）划分，
兼具韧性和硬度。
热等静压 (HIP) 通常在烧结后进行，以封闭微孔并提高抗裂性。
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9. 精加工：磨削、电火花加工和尺寸控制
烧结后的硬质合金硬度极高，最终成型需要通过以下方式完成：
– 使用金刚石砂轮进行研磨，
– 针对特定几何形状的电火花加工（尤其是有复杂特征时），
– 倒角和刃口处理，使刀刃不易崩刃。
该阶段确定刀具的几何特性：后角、刀尖半径和表面粗糙度。
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10. 涂层（可选但常见）：提高切削性能
许多硬质合金切削刀具都经过涂层处理，以提高其性能：
– 耐磨性，
– 抗氧化性，
– 在高切削速度下表现出色。
常用涂层技术：
– 化学气相沉积（例如 TiC、TiCN、Al₂O₃）
– 物理气相沉积（例如 TiAlN、AlTiN）
涂层选择取决于工件材料（钢、不锈钢、铸铁、高温合金）、切削条件和冷却策略。
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11. 质量控制：硬度、密度和结构测试
在投放市场之前，刀片/工具需经过以下测试：
暴力（维克斯），
密度和孔隙率，
– TRS（横向断裂强度）测试，
– 微观结构检查（晶粒尺寸、粘结剂分布），
– 检查尺寸和表面缺陷。
碳化钨刀具的质量很大程度上取决于从粉末到烧结工艺的一致性。
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结论
用于切削刀具的钨材料的生产并非简单地将钨熔化成凿子形状，而是一系列复杂的工序：从矿石精矿开始，经过精炼至APT（原子层析成钨酸盐），制备WO₃，还原成钨粉，渗碳成WC，与粘结剂混合，压制，烧结，精加工和涂层。工业中最常用的最终产品是WC-Co基碳化钨，因为它兼具理想的硬度和韧性，非常适合切削加工。
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