刀具中的稀有金属

萧萧天竹

 

    刀具的常用材料，高速钢或者硬质合金，都使用者大量的稀有金属。
    首先是钨。
    最传统的高速钢W18Cr4V，含钨量达18%。后来典型的W6Mo5Cr4V2(M2)和W9Mo3Cr4V，含钨也达到6%和9%。硬质合金的含钨量也非常高，钨钴类(加工铸铁及铝合金等常用，如国内典型的YG系列)或钨钴钛类(加工长切屑的钢件常用，如国内典型的YT系列)的碳化钨含量基本上都在80%以上，如YG6的碳化钨含量高达90%以上。
    我国世界钨储量第一，占全球供应量的为85%。钨主要用于硬质合金、包括高速钢在内的特种钢等产品，并被广泛用于国防工业、航空航天、信息产业，被称为“工业的牙齿”。钨的耐温性能非常好，因此在武器工业中钨合金被大量用，比如枪、炮的发射管中都会用到钨的合金。军事方面用做穿甲弹的弹丸，都是用比坦克装甲硬得多的高密度合金钢、碳化钨等材料制成的。钨的化学性能非常稳定，在ffice:smarttags" />1000℃以上的高温下也不会氧化，硬度也不会明显下降。这点对防破甲弹的高温金属射流十分有利。钨合金的机械性能与贫铀相差无几，却没有贫铀的放射性，有利于环境的保护。钨的硬度极高，主要用于钢铁金属的合金，加入钨后钢的硬度会有极大的提高，在金属加工领域的刀具材料高速钢就是含钨的合金。如果一个国家没有钨的话，在目前技术条件下的金属加工能力就会出现极大的缺失，直接导致机械行业的瘫痪，所以称之为战略金属。此外在照明领域也必须使用钨做为灯丝。
    其次应该是钼。
    高速钢被分为钨系和钨钼系两个大系，由于钨资源的紧缺性和钨钼系高速钢的工艺性良好，钨钼系高速钢成为高速钢的主流派系。在高速钢中，一份钼对刀具性能的贡献大约相当于两份钨。因此，我们会看到说W6Mo5Cr4V2(M2)的“钨当量”是16%，W9Mo3Cr4V的“钨当量”是15%等等。我国钼储量居世界第二，占全球供应量的24%。钼可以用于炼制各类合金钢、不锈钢、耐热钢、超级合金，在军事工业中应用广泛，也被称作“战争金属”。
    此外钛、钴、铬、铌、钽等等也是刀具中常会用到的稀有金属。
    钛是另一类硬质合金钛基硬质合金(国内常常称其为“金属陶瓷”)的主要成分。钛基硬质合金是以TiC或Ti(C,N)为主要成份(占60%～80%以上)，Ni-Mo或Ni-Co-Mo作粘结相的硬质合金。钛基硬质合金的性能介于陶瓷和WC基硬质合金之间，可以用比普通钨基硬质合金更高的切削速度切削，加工的工件表面质量好。因此，特别适于钢材和铸件的精加工和半精加工。在国外，TiC基和Ti(C,N)基硬质合金所占比重已达到可转位刀片总需求量的30%以上。近几年来，随着涂层钛基硬质合金(可单涂层，也可用多元复合涂层)、超细晶粒和纳米晶粒以及梯度结构钛基硬质合金的开发，使材料的综合性能大大提高，应用范围更加扩大。
    钛还是刀具涂层的最主要的成分之一。TiC、TiN、Ti(CN)、TiAlN等都是我们最常见的涂层品种。
    据了解我国的钛资源约占全球钛资源的38%，换算成TiO2总储量达90亿多吨，为世界第一。绝大部分在攀枝花地区。钛具有所有工业金属材料中最高的比强度(抗拉强度和密度之比)：钛的密度为4.54克/mm(纯钛抗拉强度最高可达180千克/mm)，挤压强度为40%～55%，整体强度是铝的2倍，比强度是铝的1.3倍；而且它在-253℃到500℃这样宽的温度范围内都能保持如此的高强度。钛一直主要用于航天军工精密部件。
    钴在高速钢刀具中的作用我在《漫笔高速钢》一文中已经提及：钴对于提高高速钢的性能的作用也是明显的，它能促使碳化物在淬火加热时更多地溶解在基体内，利用高的基体硬度来提高耐磨性。这种高速钢硬度、热硬性、耐磨性及可磨性都很好。
    钴在硬质合金中的主要作用是粘结剂，它能为硬质合金刀具提供一定的韧性。含钴量较少的刀具，硬度比较高，但韧性经常不够。因此，人们常常用提高钴含量的方法来适当地降低硬度而改善韧性。因为刀具一旦发生崩刃，再高的耐磨性也无从体现。钴加强是后来人们找到的一个新的解决方案。它可以在保持硬质合金芯部高的硬度以提供足够的支撑力的同时，表面具有较高的钴含量而可以承受更高的切屑冲击。这一技术据说是早年由在肯纳金属服务的华人科学家ersonName w:st="on" ProductID="刘一雄">刘一雄ersonName>博士参与开发的(当时的牌号为KC850)，现在山特维克可乐满、山高等也已经提供这样的产品。
    但我国的钴资源紧缺，已探明钴金属估有储量约数十万吨。分布于全国24个省(区)。国外钴资源丰富，储量约为520万吨，但绝大部分产在风化型红土镍矿、岩浆型硫化铜镍矿和沉积型砂岩铜矿之中，且95%以上集中分布在民主刚果、澳大利亚、古巴、赞比亚、新喀里多尼亚和俄罗斯等少数国家。
    铬在所有的高速钢中的含量几乎都是4%，以至国际标准化组织在制定高速钢牌号的国际标准时，规定可以省略铬含量的符号。如W18Cr4V的代号是HS18-0-1-0(前一个0是代表Mo含量为0，后一个0是代表Co含量为0)，W6Mo5Cr4V2的代号是HS6-5-2-0，W2Mo9Cr4VCo8(美国牌号M42)的代号是2-9-1-8。
    现在发展出一些含Cr的刀具涂层。巴尔泽斯推出的G6涂层就是一种AlCrN涂层。据巴尔泽斯称，这种涂层的耐磨性、热硬性和抗氧化性都有很大提高。
    但是，我国的铬资源相当匮乏。
    铌、钽经常以碳化铌和碳化钽的方式出现在硬质合金的成分表中，在所有的硬质化合物中碳化钽的硬度是最高的。铌、钽和钨、钼一样都是稀有高熔点金属，它们的性质和用途也有不少相似之处。铌、钽最主要的特点是耐热。它们的熔点分别高达摄氏2400度和将近3000度，不要说一般的火势烧不化它们，就是炼钢炉里烈焰翻腾的火海也奈何它们不得。因此他们在刀具的成分中也占有一席之地。
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