硬质合金刀具技术的发展现状及未来趋势

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刘爽爽1， 吴锋炜2， 刘向向3

【作者机构】        1河北工业职业技术大学； 2中国铁路北京局集团有限公司丰台工务段； 3天津商业大学
【来    源】        《内燃机与配件》 2025年第4期 pp.135-137
产业研究

摘 要：本文探讨了2024年全球硬质合金刀具技术的发展现状及未来趋势。随着制造业、建筑业和航空航天等行业对高性能、耐磨切削刀具需求的不断增加,全球硬质合金刀具市场预计将从2024年的115.4亿美元增长至2032年的184.1亿美元,年均增长率在6.0%至7.1%之间。技术进步方面,先进涂层技术、智能制造和混合材料刀具的应用显著提升了刀具的性能与使用寿命。同时,硬质合金刀具在汽车、航空航天及建筑等行业的应用也在快速扩展,满足了对轻量化和高精度加工的需求。未来发展趋势主要集中在智能化制造、可持续性和环保方面,包括智能刀具的研发、生态友好材料的使用以及废物回收与再利用的实施。此外,新兴行业如电动汽车和可再生能源的崛起,将进一步推动对高性能硬质合金刀具的需求。综上所述,硬质合金刀具技术正朝着更高效、更环保和智能化的方向发展,为制造业带来新的机遇与挑战。

关键词：硬质合金刀具;发展现状;未来趋势;材料

0 引言
硬质合金刀具在现代制造业中扮演着至关重要的角色,因其优越的耐磨性、热稳定性和加工精度而被广泛应用于汽车、航空航天、建筑等多个行业[1-2]。这些刀具通常由碳化钨(WC)和钴(Co)等材料通过粉末冶金工艺制成,具有极高的硬度和耐磨性,能够在高温和高压的环境下保持其切削性能[3]。随着全球经济的快速发展和工业化进程的推进,对高性能硬质合金刀具的需求不断增加。根据市场研究,2024年市场规模预计为115.4亿美元,并预计到2032年达到184.1亿美元。这一增长主要受制造业、建筑业和汽车行业对高性能、耐磨切削刀具需求不断增加的推动[4-6]。当前,硬质合金刀具不仅在传统金属加工领域占据主导地位,还逐渐向航空航天、新能源、医疗器械等新兴领域扩展,推动了市场容量的进一步增长[7-8]。本论文将探讨当前硬质合金刀具技术的发展现状,包括涂层技术的应用、智能化刀具的发展趋势,以及未来几年的市场前景,旨在为相关研究和应用提供参考,以应对日益复杂的加工需求和技术挑战。

1 发展现状
1.1 市场规模与增长
全球硬质合金刀具市场正在经历强劲的增长。根据最新市场研究,预计到2032年,全球硬质合金刀具市场规模将从2024年的115.4亿美元增长至184.1亿美元,年均增长率(CAGR)在6.0%至7.1%之间[6]。这一显著增长主要受到多个因素地推动。

(1)制造业复苏:随着全球制造业的逐步复苏,特别是在亚洲地区,硬质合金刀具的需求显著增加。制造业的复兴不仅体现在产量的提升上,还包括对高精度和高耐用性工具的需求增加,这使得硬质合金刀具成为了许多行业的首选。

(2)新兴市场:发展中国家的基础设施投资和工业化进程加速,为硬质合金刀具市场提供了新的增长点。尤其是在印度、中国和东南亚等国家,随着城市化进程地加快,对建筑和制造领域的投资不断增加,进一步推动了对高性能切削工具的需求。

(3)技术进步:新型涂层技术和智能制造技术的应用,提高了刀具性能,进一步推动了市场需求。例如,采用金刚石涂层和钛基涂层等先进涂层技术,不仅增强了刀具的耐磨性,还提高了其热稳定性和抗氧化能力。这些技术进步使得硬质合金刀具在高温、高压环境下仍能保持优异的切削性能,从而满足现代制造业对效率和精度日益增长的要求。

(4)可持续发展:随着全球对可持续发展的关注增加,许多制造企业开始寻求能够减少资源浪费并提高生产效率的工具。硬质合金刀具因其卓越的耐用性和经济性,在这一背景下愈发受到青睐。

1.2 技术进步
(1)先进涂层技术:近年来,硬质合金刀具的涂层技术取得了显著进展,尤其是在新型涂层材料的开发方面。氮化钛(TiN)和类金刚石碳(DLC)等新型涂层的出现,极大地提升了刀具的整体性能和使用寿命。这些涂层不仅能够有效提高了刀具的耐磨性,还能在高温加工条件下保持优异的切削性能[9]。例如,TiN涂层因其优良的硬度和抗氧化性,使得刀具在高温环境下仍能维持稳定的切削能力,从而减少了刀具磨损和更换频率,提高了生产效率。此外,随着涂层制备技术的发展,如化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD),刀具表面可以形成多层复合涂层,这些复合涂层不仅增强了刀具的耐磨性,还改善了其抗粘结性和抗冲击性,满足了现代制造业对切削工具日益严格的性能要求[1]。

(2)智能制造与自动化

智能制造与自动化技术的引入,推动了硬质合金刀具在精密加工领域的广泛应用。随着工业4.0时代的到来,智能制造不仅提高了生产效率,还使得刀具性能得到了显著提升。通过集成先进的传感器、数据分析和机器学习技术,刀具在加工过程中的实时监控和调整成为可能。这种智能化的生产方式,不仅能够提高加工精度和一致性,还能优化切削参数,从而延长刀具的使用寿命[10]。

(3)混合材料刀具

市场上越来越多的混合材料刀具应运而生,这些刀具将硬质合金与其他材料(如陶瓷或金刚石涂层)相结合,以实现更好的耐用性和切削性能,这种创新设计使得刀具在面对复杂加工任务时表现出色。此外,金刚石涂层的应用进一步增强了刀具在切削难加工材料(如钛合金、复合材料等)时的性能[11]。这些混合材料刀具不仅提高了切削效率,还降低了生产成本,为制造业提供了更为灵活和高效的解决方案。

1.3 行业应用
(1)汽车行业

在汽车行业,轻量化材料的使用已成为一种趋势,尤其是铝合金和复合材料的广泛应用,这直接推动了对高效硬质合金刀具的需求。由于现代汽车制造中对材料强度和耐用性的要求不断提高,硬质合金刀具因其优异的切削性能而被广泛采用。这些刀具能够有效加工难度较大的材料,如铝合金和镁合金,显著提高了生产效率和加工精度。

(2)航空航天

航空航天领域对切削工具的要求极为严格,尤其是在高精度和高耐磨性方面。硬质合金刀具因其卓越的性能成为该行业的重要选择。随着航空航天技术的发展,尤其是在复杂部件加工需求日益增加的背景下,硬质合金刀具的重要性愈加凸显。这些刀具不仅需要在高温、高压环境下保持良好的切削性能,还需具备优异的抗磨损能力,以确保加工精度和表面质量。

(3)建筑与基础设施

随着全球基础设施投资的增加,特别是在发展中国家,建筑行业对硬质合金刀具的需求也在快速增长。建筑行业对切削工具的需求主要体现在混凝土钻孔、钢材切割以及其他建筑材料的加工中。硬质合金刀具以其优异的耐磨性和高效的切削能力,满足了建筑行业对于高强度、高效率工具的迫切需求。随着城市化进程加快和基础设施建设项目增多,对高性能硬质合金刀具的需求预计将持续增长。这一趋势不仅推动了市场扩张,也促进了相关技术的发展,使得硬质合金刀具在建筑与基础设施领域发挥着越来越重要的作用[12]。

1.4 挑战与机遇
尽管硬质合金刀具市场前景乐观,但仍面临原材料价格波动和高初始投资成本等挑战,这可能限制小型企业的进入。然而,制造商通过持续的技术创新和提供定制化解决方案,有望在竞争激烈的市场中获得优势。这种创新不仅能提升产品性能,还能满足不断变化的市场需求,从而为企业带来新的发展机遇。

2 未来趋势
2.1 技术创新与性能提升
未来几年内,硬质合金刀具技术的发展将继续聚焦于以下几个领域。

(1)智能刀具:智能刀具的兴起标志着刀具技术的一次重大变革。这些刀具集成了先进的传感器技术,能够实时监测加工过程中的温度、磨损和切削力等关键参数。这种实时监测不仅可以提高加工精度,还能通过数据分析优化加工过程,从而显著提高生产效率。例如,智能刀具可以在检测到异常磨损时自动调整切削参数,减少停机时间并延长刀具寿命。此外,随着物联网技术的发展,智能刀具将能够实现与其他设备的互联互通,形成更加智能化的制造环境,为工业4.0的实现奠定基础[13]。

(2)定制化与精密工程

随着计算机辅助设计(CAD)和计算机辅助制造(CAM)技术的不断进步,硬质合金刀具的定制化和精密工程将成为行业发展的重要趋势。制造商可以根据特定的加工需求,设计出符合不同工件材料和加工条件的刀具。这种个性化的设计不仅能够优化刀具的几何形状,还能在材料选择上进行针对性的调整,以实现最佳的切削性能。此外,定制化生产还能够更好地满足客户需求,提高市场竞争力[13]。

(3)高附加值产品开发

在全球经济转型和产业升级的大背景下,硬质合金刀具行业也面临着向高附加值产品转型的压力。随着下游应用领域对高性能、高耐用性工具需求的增加,制造商需要不断提升研发能力,以开发出更符合市场需求的新产品。这包括纳米级材料、无粘结相合金以及聚晶金刚石(PCD)复合材料等新型材料的应用,这些材料不仅提高了刀具的耐磨性和热稳定性,还能在极端条件下保持优异的切削性能。

2.2 可持续性与环保
在全球对可持续发展的重视日益增强的背景下,硬质合金刀具生产也开始向环保方向转型。

(1)生态友好材料:制造商越来越多地探索使用回收材料生产硬质合金刀具,以减少环境足迹。具体而言,许多公司正在研究如何将回收的钨和钴等原材料融入生产过程中,这不仅有助于降低资源开采对环境的影响,还能有效减少生产成本。此外,采用可再生材料和从伦理供应商处采购原材料,能够进一步提升产品的环保属性,满足消费者对绿色产品日益增长的需求。这种趋势不仅符合全球可持续发展的目标,也为企业开辟了新的市场机会。

(2)废物减少

采用先进制造技术(如增材制造)来生产硬质合金刀具,可以显著减少生产过程中的废物。增材制造技术通过逐层添加材料来构建刀具,相较于传统的减材加工方法,能够大幅度降低材料浪费。这种方法不仅节省了资源,还允许制造更复杂的几何形状,从而提升刀具性能。

(3)生命周期管理

开发有效的回收和再利用流程,使使用过的刀具能够被重新利用或回收,将成为行业关注的重点。许多制造商已经开始实施闭环系统,鼓励客户将使用过的刀具返回进行翻新或回收。这些措施不仅有助于降低填埋废物,还推动了循环经济的发展。通过建立完善的回收体系,企业可以将废旧刀具转化为新产品原料,从而实现资源的高效利用。

2.3 行业应用扩展
随着新兴行业的发展,对高性能硬质合金刀具的需求也在不断增加。

(1)电动汽车影响:电动汽车(EV)的崛起正在深刻改变传统汽车制造业对硬质合金刀具的需求格局。虽然电动汽车的普及可能导致对某些传统切削刀具的需求减少,但它同时也推动了制造商研发新型高性能刀具,以适应电动汽车生产中使用的新材料和组件。例如,电动汽车的电池和电机部件通常采用轻质合金和复合材料,这些材料的加工要求更高的精度和耐磨性。

(2)新兴行业应用:除了电动汽车,其他新兴行业如可再生能源(风能和太阳能)以及医疗器械制造等领域也对高性能硬质合金刀具提出了更高的要求。在可再生能源领域,风力发电机和太阳能电池板的生产需要高精度、高耐磨性的切削工具,以确保组件的质量和效率。

在医疗器械制造方面,随着医疗技术的发展,对精密切削工具的需求日益增加。医疗器械通常需要在极其严格的卫生标准下进行生产,同时还需满足高精度和耐用性的要求。硬质合金刀具因其优异的耐磨性和加工精度,成为满足这些需求的重要选择。因此,新兴行业的发展不仅推动了硬质合金刀具市场的扩展,也促使相关技术与材料研究不断进步,以适应更为复杂多变的市场需求[14]。

3 结论
2024年的全球硬质合金刀具技术正在向高效、环保、智能化方向发展,显著提升了工业生产效率并促进可持续发展。技术进步使刀具在切削性能、耐磨性和使用寿命上有了显著提升,降低了生产成本。同时,环保理念的融入推动了低能耗、低排放的制造方法和资源回收利用技术的发展。此外,智能化趋势通过物联网和人工智能的应用,提高了刀具的监测和管理效率。综上所述,硬质合金刀具将在未来几年继续发挥重要作用,相关企业有望在此领域取得更大成功。

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Current Development Status and Future Trends of Cemented Carbide Cutting Tool Technology
Liu Shuang-shuang1, Wu Feng-wei2, Liu Xiang-xiang3

(1.Hebei Vocational University of Industry and Technology, Hebei Shijiazhuang 050091;2.Fengtai Track Maintenance Section,China Railway Beijing Group Co.,Ltd., Beijing 100071,China;3.Tianjin University of Commerce,Tianjin 300000,China)

Abstract：This paper discusses the current development status and future trends of global cemented carbide cutting tool technology in 2024. As the demand for high-performance and wear-resistant cutting tools in industries like manufacturing, construction, and aerospace continues to grow, the global cemented carbide cutting tool market is expected to expand from $115.4 billion in 2024 to $184.1 billion in 2032, with an average annual growth rate between 6.0% and 7.1%. In terms of technological advancements, the application of advanced coating technologies, intelligent manufacturing, and hybrid material cutting tools has significantly enhanced the performance and service life of cutting tools. Meanwhile, the application of cemented carbide cutting tools in industries such as automobiles, aerospace, and construction is also rapidly expanding, meeting the requirements for lightweight and high-precision processing. Future development trends mainly concentrate on intelligent manufacturing, sustainability, and environmental protection, including the research and development of intelligent cutting tools, the use of environmentally friendly materials, and the implementation of waste recycling and reuse. Moreover, the rise of emerging industries such as electric vehicles and renewable energy will further boost the demand for high-performance cemented carbide cutting tools. In conclusion, cemented carbide cutting tool technology is advancing towards a more efficient, environmentally friendly, and intelligent direction, bringing new opportunities and challenges to the manufacturing industry.

Key words：Cemented carbide cutting tools; Current development status; Future trends; Materials

中图分类号：TG501.3;TG115+8;TG115.6+3;TH162

文献标识码：A

文章编号：1674-957X(2025)04-0135-03

作者简介：刘爽爽(1989—),女,河北晋州人,汉族,讲师,硕士研究生,研究方向:机械设计、职业教育、电子信息技术、电气自动化技术。

通讯作者：吴锋炜(1988—),男,北京人,汉族,工程师,本科学士,研究方向:工程管理、土木工程。