刀具中的稀有金属

　　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常椅伦刺缕淇估慷任33.6—67.2千克/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刘一雄博士参与开发的(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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