如何製作用於切削工具的鎢金屬
鎢是機械加工和製造領域最重要的金屬之一，尤其適用於切削刀具。它的優勢在於其極高的熔點、硬度、耐磨性和在極端工作溫度下的穩定性。然而，需要注意的是，工業界的「鎢合金刀具」幾乎從不使用純鎢，而是使用碳化鎢 (WC) 與鈷 (Co) 或鎳等黏結劑複合而成。這種複合材料（燒結碳化物）比純鎢更適合金屬切削。
本文探討如何製造用於切削刀具的鎢基材料，從礦石來源到成品刀片或切削鑽頭。
1. 鎢的來源：從礦石到精礦
鎢在自然界中通常以黑鎢礦（(Fe,Mn)WO₄）和白鎢礦（(CaWO₄)）的形式存在。生產的初始階段是開採和加工礦石，以獲得高鎢精礦。
過程包括：
– 將礦石破碎研磨成小顆粒。
– 重力分離（因為鎢礦物相對較重）。
– 浮選或磁選（取決於礦石類型）。
– 將濃縮物乾燥，作為化學階段的原料。
這階段的產物不是鎢金屬，而是可以進行化學加工的鎢礦物精礦。
2. 化學萃取：製備仲鎢酸銨（APT）
現代鎢工業廣泛採用以仲鎢酸銨（APT）為主要中間體的製程路線。由於APT純度高且易於加工成各種鎢產品，因此被認為是「標準」中間體。
大綱：
1. 根據礦物的類型，使用鹼性溶液（例如氫氧化鈉）或酸浸出濃縮物。
2. 鎢在溶液中溶解形成鎢酸鹽化合物。
3. 淨化溶液，去除鉬、磷、砷、二氧化矽等雜質。
4. 透過調節 pH 值、溫度和添加氨水使 APT 結晶，形成 APT 晶體。
然後將這種APT煅燒成氧化鎢。
3. 煅燒：將APT轉化為氧化鎢(WO₃)
將APT加熱至一定溫度以去除水和銨成分，生成三氧化鎢（WO₃）。這一步驟至關重要，因為WO₃是製造以下物質的主要原料：
–鎢金屬粉末（純鎢粉），或
– 用於切削刀具的碳化鎢粉末（WC粉末）。
溫度和煅燒時間的控制會影響：
氧化物顆粒尺寸
表面積
– 還原過程中的反應活性。
4. 還原：由WO₃還原為鎢粉(W)
為了獲得金屬鎢，需在高溫下以氫氣還原WO₃。此反應通常是分步進行的，例如，在獲得純鎢之前會先形成中間氧化物。該過程在特殊爐中進行，並受到嚴格的控制，以確保：
高純度，
低氧水平，
– 依需求調整粉末粒徑。
最終得到鎢粉，可用於某些特定用途。然而，對於切削刀具而言，業界更常採用碳化鎢的形成階段。
5. 滲碳：製備碳化鎢（WC）
為了使其適用於切削工具，鎢通常被轉化為碳化鎢（WC）。這個過程稱為滲碳，它是在受控氣氛中，於高溫下使鎢粉與碳源（例如炭黑）發生反應。
主要目標：
– 形成穩定的WC相，
– 防止形成過量的W2C等不良相，
– 控制 WC 的晶粒尺寸，因為這會極大影響耐磨性和韌性。
然後將所得的 WC 粉末進行分級（篩分/測量粒徑分佈），以確保品質一致性。
6. 與黏合劑混合：製成“硬質合金”
碳化鎢（WC）本身硬度很高，但很脆。用於切削刀具時，碳化鎢會與黏結劑（通常在許多機械加工應用中含有 6%～12% 的鈷）混合，製成一種具有以下特性的材料：
– 高硬度（來自碳化鎢），
– （黏合劑的）韌性與抗裂性。
混合階段：
1. 稱重：依等級稱量WC和黏合劑的組成。
2. 球磨/研磨：與介質和液體（通常使用有機溶劑）進行充分混合，以達到均勻性。
3. 添加臨時有機蠟/黏合劑以幫助成型過程（壓制）。
4. 乾燥至成為可直接印刷的粉末（顆粒）。
在這個階段，污染控制至關重要。即使是少量污垢也會顯著降低工具性能。
7. 成型（壓實）：壓入嵌件形狀
將混合粉末壓製成「生坯」（燒結前的原始形狀）。兩種常用方法：
– 單軸壓制：在模具中壓成標準嵌件形狀。
– 冷等靜壓（CIP）：來自各個方向的均勻壓力，適合較均勻的密度。
綠色的粉盒雖然還很脆弱，但已經呈現出切割工具的最終形狀。
8. 燒結：壓實和微觀結構形成
關鍵步驟是在高溫下燒結（通常高於 1300°C，視成分而定）。在硬質合金中，燒結通常以液相燒結的形式進行：黏結劑（例如 Co）熔化並幫助固化結構，填充孔隙，並將 WC 晶粒「黏合」在一起。
良好的燒結效果有以下特點：
– 高密度（低孔隙率），
黏合劑分佈均勻，
– WC 粒度依等級（細、中、粗）劃分，
兼具韌性和硬度。
熱等靜壓 (HIP) 通常在燒結後進行，以封閉微孔並提高抗裂性。
9. 精加工：研磨、電火花加工和尺寸控制
燒結後的硬質合金硬度極高，最終成型需以以下方式完成：
– 使用鑽石砂輪進行研磨，
– 針對特定幾何形狀的電火花加工（尤其是有複雜特徵時），
– 倒角和刃口處理，使刀刃不易崩刃。
此階段決定刀具的幾何特性：後角、刀尖半徑和表面粗糙度。
10. 塗層（可選但常見）：提高切削性能
許多硬質合金切削刀具都經過塗層處理，以提高其性能：
– 耐磨性，
– 抗氧化性，
– 在高切削速度下表現出色。
常用塗層技術：
– 化學氣相沉積（例如 TiC、TiCN、Al₂O₃）
– 物理氣相沉積（例如 TiAlN、AlTiN）
塗層選擇取決於工件材料（鋼、不銹鋼、鑄鐵、高溫合金）、切削條件和冷卻策略。
11. 品質控制：硬度、密度和結構測試
在推出市場之前，刀片/工具需經過以下測試：
暴力（維克斯），
密度和孔隙率，
– TRS（橫向斷裂強度）測試，
– 微觀結構檢查（晶粒尺寸、黏結劑分佈），
– 檢查尺寸和表面缺陷。
碳化鎢刀具的品質很大程度上取決於從粉末到燒結製程的一致性。
結論
用於切削刀具的鎢材料的生產並非簡單地將鎢熔化成鑿子形狀，而是一系列複雜的工序：從礦石精礦開始，經過精煉至APT（原子層析成鎢酸鹽），製備WO₃，還原成鎢粉，滲碳成WC，與粘結劑混合，壓制，製備WO₃，還原成鎢粉，滲碳成WC，與粘合劑混合，壓制，製備燒結，精加工塗層。工業中最常用的最終產品是WC-Co基碳化鎢，因為它兼具理想的硬度和韌性，非常適合切割加工。
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