鎢鋼刀是現代精密加工最受歡迎的切削刀具。
雖鎢鋼刀比其它刀具材質貴很多倍，但是它卻是刀具推薦的首選！為什麼？
這篇文章就從鎢鋼原材料、碳化鎢的優缺點與等級分類，再到鎢鋼刀的優缺點與成本效益，訴你為什麼鎢鋼刀會成為刀具推薦首選的原因。同時，加碼為你介紹優質的鎢鋼刀推薦。
鎢鋼是什麼？
鎢鋼是主要由碳鎢 (WC) 與鈷(Co)及少數碳化物金屬粉未，燒結製成的硬質合金，俗稱碳化鎢 (Tungsten Carbide)。
鎢鋼是最硬和最耐磨的金屬之一，有分很多不同等級，是目前最普遍用來做為切削刀具銑刀的母材料。
黑色的鎢鋼粉未 圖片來源：Buffalo Tungsten
鎢鋼的材料組成
鎢鋼(碳化鎢) = 80%~97%的碳化鎢 (WC) + 3%~10%的鈷 (Co) + 少量其它金屬粘結劑。
鎢鋼的材料主要由 3 種微米粉未材料構成：
- 碳化鎢 (WC) ： 比例介於 80% 到 97%，做為堅硬的母材料。
- 鈷 (Co) ： 比例介於 3% 到 10% 之間，做為黏合劑，黏合碳化鎢。
- 其它少量金屬粘結劑：少量的碳化鈦(TiC)、碳化鉭 (TaC) 或碳化鈮 (NbC)等。
這3種微米粉未混合後，在高溫、高壓下燒結成為硬質合金。其中的重要影響因素：
- 碳化鎢含量越高，合金就越堅硬。
- 鈷的含量越高，合金的韌性越好，但是硬度就低。
- 微米粉未的粒徑越小，合金的耐磨性就越好，但成本就越高。
鎢鋼的特性
碳化鎢是最硬與最耐磨的金屬之一。具有下特性：
- 高硬度(莫氏硬度為 9~9.5，僅低於鑽石）
- 耐磨、
- 耐衝擊、
- 耐變形性、
- 耐高溫(高熔點達2,870°C)
- 耐腐蝕
適合用來切削堅硬的材料，廣泛作為切削刀具銑刀最常見材料。
碳化鎢的優點
超硬度
碳化鎢是最硬的金屬之一，非常適合用於金屬切削加工以及耐磨塗層。
高耐磨，壽命長
碳化鎢的高耐磨性，使得切削加工不需要經常更換刀片，減少刀片更換停機時間，有助於提高產量和獲利能力。因此，碳化鎢是切削加工刀具極佳的選擇。
具有高溫條件下的切削能力
碳化鎢的熔點約為攝氏 2,870 °C，切削加工時的紅硬度約 1,200 °C，明顯高於傳統碳鋼與高速鋼。這使得碳化鎢刀具非常適合高溫應用與耐熱合金等材料的切削加工。
具有抗腐蝕能力
碳化鎢具有很強的耐化學腐蝕性，而且在大多數環境下都不會腐蝕與生鏽。所以，碳化鎢成為化學加工設備和需要耐腐蝕的領域的理想材料。
碳化鎢的缺點
韌性低
由於碳化鎢非常硬且耐磨，是優點。
但是，與硬度相對的，缺少韌性的缺點。
韌性低，代表承受衝擊與突然施加和釋放負載或重大衝擊，就會增加破裂的風險。
價格昂貴
碳化鎢的原材料比碳鋼的鐵礦石，貴上很多。
根據統計資料，2020 年鎢的平均售價為每噸 270 美元。而製作鋼材的鐵礦石，在同期下降了30%，售價約為每噸 85 美元。鎢的原料價格大約是鐵礦石的4~5倍。
更不用說，製作碳化鎢銑刀會加入的鈷， 每噸的價格超過 53,000 美元。因此，在刀具其他條件都相同的情况下，鎢鋼刀具的成本硬是比高速剛的成本貴了 3 倍以上。
碳化鎢的等級或種類有那些？
碳化鎢有不同的等級，取決2大因素：黏合劑占比與微米粉未的粒徑。
- 黏合劑：通指的是鈷(Co)的含量，直接影響碳化鎢的韌性。鈷的含量越高，合金的韌性越好。
- 微米粉未的粒徑：碳化鎢粉未的粒徑。粒徑越小，合金硬度越高。
碳化鎢的等級種類由粉未粒徑與鈷的含量比重，常見分成以下 3 種：
- 超微粒碳化鎢（Micro Grain Carbide, MGC)
- 特性：與標準硬質合金相比，MGC 的晶粒尺寸稍細，硬度和耐磨性的提高，可延長刀具壽命並提高切削性能。
- 應用：特別適合加工較軟到中等硬度的材料，如鋁、黃銅和某些鋼。性能和成本取得很好的平衡。
- 極細超微粒碳化鎢（Super Micro Grain Carbide, SMGC)
- 特性：更細的晶粒尺寸，具有優異的硬度、耐磨性和切削刃強度。實現更高的切割速度並改善表面光潔度。
- 應用：適合加工中等至難切削材料，如高強度鋼、不銹鋼和鑄鐵。特別適合要求更高性能和更長刀具壽命的應用。
- 奈米超微粒碳化鎢（Nano Micro Grain Carbide, NMGC)
- 特性：極細的晶粒尺寸，將奈米顆粒融入碳化物結構中。提供卓越的硬度、耐磨性和切割刃韌性。能夠加工非常堅硬的材料。
- 應用：專門設計用於加工非常硬的磨蝕性材料，如鈦合金、鎳合金和淬火鋼。是苛刻加工的應用的首選。
| 碳化鎢的等級列表 | ||||
| 超微粒碳化鎢 (MGC) | 極細超微粒碳化鎢(SMGC) | 奈米超微粒碳化鎢(NMGC) | ||
| 化學成份 | Co(%) | 10 | 12 | 9 |
| WC(%) | 90 | 88 | 91 | |
| 超微粒等級(μm) | 0.6 | 0.5 | 0.2 | |
注意：在微米粒徑 vs. 黏合劑、硬度 vs. 韌度上的最大化上，必需尋求兩者之間的成本效益與可生產性的適當平衡。
為什麼用碳化鎢製作成鎢鋼刀成為切削刀具主流？
鎢鋼刀材質
以碳化鎢圓棒所製成的鎢鋼刀，完全承襲化鎢材質特性：
- 80~90%的碳化鎢 (WC) ，做為最堅硬的母材料。
- 3% ~ 12% 比例的鈷，做為黏合劑，粘結碳化鎢，也提供刀具的韌性。
鎢鋼刀的優勢
- 高硬度、高耐磨性： 鎢鋼刀的硬度僅次於鑽石，耐磨性也非常好，因此非常適合切削硬度較高的材料，例如鋼、鑄鐵、耐磨鋼等。
- 良好的耐熱性： 鎢鋼刀在超過600°C的高溫下也能保持較高的硬度和強度，在高速切削，會產生大量的熱， 鎢鋼刀是最佳選擇。
- 良好的抗震性： 鎢鋼刀的韌性較好，抗震性強，因此適合重負荷切削。
- 較長的刀具壽命： 鎢鋼刀的耐磨性好，因此刀具壽命較長，可以減少換刀頻率，降低加工成本。
鎢鋼刀的缺點
- 脆性較大： 鎢鋼刀雖然硬度很高，但韌性較差，因此在衝擊載荷下容易崩刃。或是選擇含鈷比較高的鎢鋼刀。
- 成本較高： 鎢鋼刀的原材料價格較高，加工工藝也較複雜，因此成本較高。
使用鎢鋼刀的成本效益
鎢鋼刀具，硬度、耐磨性遠勝過傳統碳鋼與高速鋼，使得刀具的壽命更長，持續加工時間更長，切削的更快。
鎢鋼刀與其它刀具材料比較的絕對優勢
- 鎢鋼刀的切削速度比高速鋼的高4～7倍
- 鎢鋼刀的刀具壽命比傳統高碳鋼高出數 10倍以上
- 鎢鋼刀在超過800°C的高溫下也能保持較高的硬度和強度。相對高碳鋼到200°C、高速鋼到600°C以上硬度與強度都會下降，無法滿足高速刀削產生的高熱挑戰。
雖然鎢鋼比高速鋼還要貴，但是當切削的東西越多，攤提下來成本就會越少。
從長時間的使用來看，使用鎢鋼會比較高速鋼更具有成本效益。這就是目前精密加工行業採用鎢鋼刀的關鍵原因。
如何挑選鎢鋼刀？
挑選鎢鋼刀時需要評估加工材料、切削速度、加工精度與成本效益。具體選擇鎢鋼刀的步驟如下：
挑選鎢鋼刀 5 步驟
步驟1：確定加工材料和切削速度
先確定要加工材料的硬度和切削速度。這兩個因素將決定鎢鋼刀的硬度和耐熱性要求。
- 加工材料越硬，選擇碳化鎢微粒徑越小，硬度越高的鎢鋼刀。
- 需要高速切削，要排除碳鋼或高速鋼，應選擇耐熱性較好的鎢鋼刀。
步驟2：選擇刀具的刀型與幾何尺寸
根據加工精度的要求，選擇合適的刀具型狀與幾何尺寸。
步驟3：選擇刀具的塗層
鎢鋼刀的塗層可以進一步提高其性能與延長刀具壽命，例如耐磨性、耐熱性、潤滑性等。因此，可以根據具體的加工情況來選擇合適的塗層。
步驟4：選擇刀具的品牌
鎢鋼刀的碳化鎢與鈷的比例、刀具塗層對碳化鎢性能提升與刀具壽命延長，刀具品牌是最清楚的。有規模的刀具品牌，會提供適合加工的材質列表，以及最佳的切削條件參數。因此在選擇刀具時，應選擇有規模且信譽良好的品牌。
鎢鋼刀廠商推薦：震虎精密科技
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鎢鋼刀具廠商推薦原因
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鎢鋼銑刀刀具推薦
超微粒碳化鎢刀具推薦：600 PLUS 系列
用途最廣的鎢鋼銑刀系列，是刀具壽命、加工效率、成本效益兼顧的好刀具。
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- 刀具推薦理由3：成本效益兼顧
極細超微粒碳化鎢刀具推薦：400 PLUS 系列
這系的鎢鋼銑刀結合碳化鎢的特性與特殊的刀型設計，提供卓越的加工精度，滿足嚴苛的公差要求。
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奈米超微粒碳化鎢刀具推薦：200 PLUS 系列
這系的鎢鋼銑刀，特別適用於高硬度、難切銷的材料加工。包含：立銑刀、球型立銑刀、圓鼻立銑刀、平頭立銑刀等。
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參考資料
- 什麼是鎢鋼？
- NN0208 Nano Tungsten Carbide (WC) Powder (CAS No. 12070-12-1)
- High-Speed Steel: Definition, Compositions, Properties, and Uses
- Why Are Tungsten Carbide Prices Higher Than Steel?
- Price of tungsten worldwide from 2018 to 2023
- Carbide end mill Coated: A comprehensive Guide – Huana Tools