全球刀具业寻求出路,纳米将引领其发展

刀具制造商在全球原材料的上涨及经济全球化竞争对手数目不断增加的大环境下,以高品质产品加优良的服务为客户创造价值是竞争的关键．刀具制造商积极的为自身发展以及为整个行业的进步寻求未来出路。

不同区域的发展现状

从欧洲GDP增长率和工业产值,以及加工设备进出口及消费等多顶指标来看,斯洛伐克、捷克和波兰排名前三甲。而在全球范围内机床产值排名前三位的为日本、德国与中国,按机床消费排名前三位的则为中国、日本与美国。限制机床生产大国德国产业扩大的主要因素来自原材料成本的上升、人力资源缺乏与技术能力进步减缓而导致的定单减少,其中原材料问题是最主要的影响因素。制造刀具的主要原材料硬质合金和高速钢中的重要辅助原材料APT(AmmoniumParatungstate)是此次会议中的一个热点问题。APT的化学分子式为(NH4)[H2W12O42]4H2O,是生产钨制品的主要中间原料和市场交易形式。由世界主要刀具材料分布图可见,其中高速钢占到35%,硬质合金占15%。目前钨的主要产区在阿尔卑斯山、喜玛拉雅山脉以及太平洋周边地区。中国拥有60%的钨矿藏,国际市场上由于原材料紧缺,APT的价格在最近的几年中从每吨50美元涨到每吨250美元左右。而成本的增加终将转嫁到刀具终端用户身上。目前世界上相关的研究机构针对此类情况,正在进行积极研究,主要的研究方案是尽最大可能减少刀具中钨的用量,主要方法为只在刀具的关键部分使用钨或设计特殊的刀具几何形状。(数据来源:OECD,ifo-Institut,VDW,VDMA,Nationalassociation,GardnerPublications,此数据不包含零部件)

从美国刀具协会的统计数据看,美国2006年的工业产值增长为4%,预计2007年为3.2%；2006年底机床产值增长为5.2%,预计2007年增长为4.5%；2006年机床消费量增长为29.9%,预计2007将为18%；金属加工业的增长率将持续缓步正增长,2008年有望进一步增长。从行业角度看,轿车和轻型卡车增长缓慢,2006年底为负增长(-4.2%),预计2007年可达到0.5%的微弱增长；重型卡车、建筑机械、农用机械及设备2006年为较大负增长,预计2007年增长速度将放缓．而2008年又将攀升；航空产品增长最为迅速,2006年底增长为22%,预计2007年增长为10%,2008年则为23%。从刀具行业的统计数据可以看出,未来硬质合金所占比率将逐步增大．而高速钢产品的比率将逐步减少。日本刀具协会的统计数据显示,中国已经成为世界上最大的机床消费国,紧接着为日本、美国、意大利等。亚洲经济增长迅速,根据亚洲开发银行的统计数据,中国2007年的GDP增长约为10%,印度约为8%。在良好的经济环境下,日本金属加工业近年也持续高增长,从刀具产值来看,硬质合金刀具的产量近年持续增长,而高速钢刀具开始呈现下降趋势,硬质合金的进出口量均显著增长,主要的出口对象为亚洲,其次为欧洲,然后为北美及其他地区。

全球机床销售的主要客户群依次为通用机械和汽车行业,各自约占35%,其次为航空、医疗和模具业,客户分布从10%到5%之间。从2006年不同组织的统计数据可以看出．在全球轿车行业增长中亚洲的贡献最大,其中中国以绝对领先的40%的增长令人瞩目,而同期全球平均增长率不到5%。

纳米技术前景广阔

西班牙科学研究机构InasmetTechnalia的欧洲项目经理JoseLuisViviente博士负责纳米技术项目第二阶段,该项目侧重发展纳米技术在健康、航空、太空、汽车、能源等领城的应用。他以纳米技术是刀具的挑战为题,介绍了纳米技术的重要性以及在刀具领域的发展现状,纳米材料、纳米结构涂层、镀膜涂层技术等。纳米源自希腊语的“矮子”,1纳米等于10的负9次方米,纳米技术是指设计、生产能够将物质结构的外型及尺寸控制在纳米级的装置和系统,其范围界定在0.1～100nm范围内。纳米之所以重要主要有两点原因,一是其表面/体积比使其具备了独特的表面特性优势；二是量子效应。目前面对的挑战及需要改进的地方主要包括:机械和结构特性:硬度、强度、耐磨性；热和化学特性:耐热性、绝缘性、催化性；生物特性:适应性、杀虫特性；电子和光学特性:反射性、透明性等。乐观的估计,在未来7～8年间纳米技术所创造的价值将达到30亿美元,即使是悲观的估计也可达到10亿美元。

高速加工已被普遍认为是提高产量、降低制造成本的加工技术。干式加工或微量润滑概念是如今加工业为减少环保及生产成本的主要目标。对刀具制造商和涂层供应商而言,最重要的是生产率。切削性能(切削速度,单位时间切削量)提高20%,制造成本将减少15%。越来越严苛的加工要求需要刀具材料和涂层进一步发展,改善加工条件及改进刀具设计。在加工过程中,刀刃处会出现温度和机械力的骤然变化以及剧烈的化学反应．需要采用保护涂层以减少机械和热负载。近年来,(Ti,Al)涂层的硬质合金刀具在高性能刀具市场上已经占据了主导地位。在某些特殊应用场合的高需求促进了特殊涂层或精确涂层的发展。

纳米材料和纳米结构材料的主要形式有:原子簇、纳米粒子、纳米层、纳米纤维；多层式(层的厚度在纳术级范围内)；纳米结构涂层或纳米涂层；纳米结构的粒状材料等。纳米级涂层:涂层至少有一个尺寸(如晶粒或独立的层)小于100nm。纳米晶粒涂层比传统的粗粒涂层具有更低的磨损率、更高的硬度和强度,微小的颗粒尺寸改变了涂层的破裂形式和材料去除机制,但关健问题是在热应力下保持颗粒的尺寸。纳米混合涂层包含至少两个相位(晶相和非晶相)或两个结晶状态。尺寸、体积和纳米晶粒的分布以及非晶相的厚度需要优化,以找到在超硬度和强度间的平衡点,需要考虑热稳定性,在涂层过程中及后来的阶段显示出的非混合性、分解拐点和偏析现象。纳米多层结构由不同材料的纳米层交替组成,具有各向异性的特性,加强了单层镀层的性能,通过不同的交替层相互辅助,改善了涂层特性。薄膜沉积技术主要分为物理气相沉积和化学气相沉积,分别具有不同的优势及工艺特点。物理涂层具有高度一致的厚度,可提供理想的化学计量控制和相对低的沉积温度,允许整个表面同时进行涂层,但需要注意沉积率,控制内应力以限制涂层厚度,以及与基体的粘着力。化学气相沉积则具有一致的厚度和高沉积率,对复杂几何外型具有一致的沉积性,但其具有温度高、内应力大的问题。

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