冶金精品文檔GRINM超細和納米晶WCCo硬質(zhì)合金的研

GRINM超細和納米晶WC-Co硬質(zhì)合金的研究開發(fā)林晨光

北京有色金屬研究總院粉末冶金及特種材料研究所*Email:pm@粉末冶金研究所簡介北京有色金屬研究總院粉末冶金及特種材料研究所由教授級高級工程師、高級工程師、工程師、助工等人員組成，職工總數(shù)40人。擁有各種生產(chǎn)、實驗儀器及設(shè)備330余臺（套），設(shè)備中包括引進的熱等靜壓機、大型冷等靜壓機和100噸、63噸、45噸、25噸等各種噸位的油壓機、200kg真空中頻感應(yīng)熔煉爐、高溫真空熱壓爐、高溫氫氣燒結(jié)爐和真空燒結(jié)爐等及120kW聚焦環(huán)行電子束爐等。經(jīng)歷52年的發(fā)展、壯大，積累了豐富的應(yīng)用型研究開發(fā)經(jīng)驗，有雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)和齊全的科研、生產(chǎn)手段。主要研究領(lǐng)域各種金屬及化合物粉末（銅合金粉、貯氫合金粉、超細貴金屬粉等）；難熔金屬材料（高比重鎢合金、電子束熔煉法高純鎢、鉬、鉭、鈮、鋯、鉿等）；多孔材料（鈦、不銹鋼多孔板、管材料等）；活性釬焊材料和技術(shù)（陶瓷-陶瓷、陶瓷-金屬，金屬-金屬等）；硬質(zhì)合金和超硬材料（超細和納米晶硬質(zhì)合金，金剛石工具、立方氮化硼工具/珩磨條）。硬質(zhì)合金國家級研究課題稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用（1986-1995）超細硬質(zhì)合金材質(zhì)機理研究（1991-1995）霧化冷凍干燥還原法制備WC-Co納米晶復(fù)合粉末工藝研究（1996-1998國際合作）亞微米晶硬質(zhì)合金的制備與結(jié)構(gòu)性能研究（1997-1999國際合作）超細晶硬質(zhì)合金的制備與結(jié)構(gòu)性能研究（2000-2003國際合作）硬質(zhì)合金專利三項中國發(fā)明專利和一項美國發(fā)明專利：“含稀土的硬質(zhì)合金的制造方法”（1992）硬質(zhì)合金重大研究成果“稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用研究”

——國家科技進步三等獎完成單位：北京有色金屬研究總院東北工學(xué)院株洲硬質(zhì)合金廠自貢硬質(zhì)合金廠課題介紹：稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用

對微米級WC-Co、WC-TiC-Co和WC-TiC-TaC(NbC)-Co系硬質(zhì)合金及其制備工藝進行了研究，即稀土添加種類、加入方式及加入量的研究；適用于硬質(zhì)合金工業(yè)生產(chǎn)要求的稀土添加劑及其添加工藝的研究；制備稀土硬質(zhì)合金工藝參數(shù)及硬質(zhì)相界面作用的研究。課題介紹：稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用

采用獲得專利的新型稀土添加劑和添加方法添加微量稀土可在基本不改變原料標(biāo)準(zhǔn)，生產(chǎn)工藝和設(shè)備的條件下使材料硬度和韌性兩大相矛盾的性能都得到明顯改善。課題介紹：稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用抗彎強度提高10%以上；斷裂韌性提高20%；對鑄鐵、碳鋼、合金鋼等多種材料進行現(xiàn)場切割考核試驗?zāi)陀枚瓤商岣?～4倍，明顯降低工件表面粗糙度和切削力。課題介紹：稀土在硬質(zhì)合金中的應(yīng)用

稀土元素有獨特的物化性能，將其加入合金中可改變有害雜質(zhì)分布狀態(tài)，增加粘結(jié)相的強度和塑性，改善合金性能和結(jié)構(gòu)，是提高合金耐磨性、抗沖擊性、高溫性能和降低摩擦系數(shù)的主要原因。課題介介紹：：稀土在在硬質(zhì)質(zhì)合金金中的的應(yīng)用用研制成成功的的稀土土硬質(zhì)質(zhì)合金金較相相應(yīng)的的原牌牌號具具有更更好的的耐磨磨和抗抗沖擊擊等綜綜合性性能。?？芍浦谱髑星邢骱秃偷V用用工具具及耐耐磨零零件等等，在在國民民經(jīng)濟濟各部部門得得到廣廣泛應(yīng)應(yīng)用。。稀土硬硬質(zhì)合合金的的研制制成功功，是是我國國硬質(zhì)質(zhì)合金金材質(zhì)質(zhì)研究究的一一大突突破，，為建建立具具有我我國特特色的的新合合金系系列打打下基基礎(chǔ)。。稀土硬硬質(zhì)合合金產(chǎn)產(chǎn)品已已用于于生產(chǎn)產(chǎn)。硬質(zhì)合合金按按晶粒粒度的的分類類合金類別納米超細亞微米細中粗超粗晶粒度（μm）

<0.20.2-0.50.5-0.80.8-1.31.3-2.52.5-6.0>6.0目前國國際通通行的的規(guī)范范:目前的的國際際工業(yè)業(yè)化水水平瑞典、、美國國、德德國、、日本本、以以色列列、奧奧地利利等工業(yè)業(yè)發(fā)達達國家家的主主要硬硬質(zhì)合合金企企業(yè)經(jīng)經(jīng)過十十余年年系統(tǒng)統(tǒng)、深深入的的應(yīng)用基基礎(chǔ)性性聯(lián)合合研究究和各自自獨立立的產(chǎn)產(chǎn)品化化開發(fā)發(fā)活動動，取取得了了顯著著進展展。推出了各各自的接接近納米米結(jié)構(gòu)的的超細晶晶硬質(zhì)合合金，其其中尤以以瑞典Sandvik公司1999年開始始批量生生產(chǎn)的PN90合金的的晶粒度度最細，，達到200nm；制成直徑徑0.07-0.10mm的PCB微鉆。。目前的國國際實驗驗室水平平2001年召開的第第15屆屆國際普普蘭西會會議上，，德國H.C.STARCK和和WIDIA等公公司聯(lián)合合報道了了WC平平均晶粒粒尺寸（（截距法法）為100納納米的硬質(zhì)合合金的主主要性能能。WC-Co硬質(zhì)質(zhì)合金發(fā)發(fā)展趨勢勢2000年全球（不不包括中中國）的的亞微米米、超細細晶WC-Co硬質(zhì)合合金產(chǎn)品品的總產(chǎn)產(chǎn)量達11,500-12,500噸,已占硬硬質(zhì)合金金總產(chǎn)量量的大約約40%；近幾年來來國際上上超細晶晶硬質(zhì)合合金得到到更快的的發(fā)展，，超細晶晶WC-Co合合金供不不應(yīng)求。。我國是硬硬質(zhì)合金金生產(chǎn)和和消費大大國2001年的硬硬質(zhì)合金金總產(chǎn)量量已突破破10,000噸，2003年達到到13500噸，，位居世世界第一一；硬質(zhì)合金金出口量量已達1500噸～2000噸左右，,約占世世界硬質(zhì)質(zhì)合金市市場流通通量的20-30%；現(xiàn)代硬質(zhì)質(zhì)合金生生產(chǎn)過程程中的高高效球磨磨、噴霧霧干燥制制粒、高高精度成成形、氣氣壓燒結(jié)結(jié)、研磨磨涂層等等一系列列先進裝裝備和工工藝技術(shù)術(shù)已得到到不同程程度的應(yīng)應(yīng)用。我國尚不不是硬質(zhì)質(zhì)合金生生產(chǎn)強國國產(chǎn)品技術(shù)術(shù)含量及及經(jīng)濟附附加值不不高；產(chǎn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)構(gòu)不盡合合理(亞微米米和超細細合金<5%)；工藝技技術(shù)和裝裝備的整整體水平平與國外外先進水水平相比比落后10～20年以上。中、低檔檔普通合合金產(chǎn)品品低價大大量出口口而超細細合金、、高精度度可轉(zhuǎn)位位涂層刀刀片等高高檔合金金制品需需花費大大量外匯匯高價進進口；難以滿足足制造業(yè)業(yè)升級對對高性能能硬質(zhì)合合金不斷斷擴大的的需要，，硬質(zhì)合合金生產(chǎn)產(chǎn)企業(yè)的的經(jīng)濟效效益也難難以有效效提高。。在我國發(fā)發(fā)展超細細硬質(zhì)合合金等高高技術(shù)含含量和附附加值的的材料和和產(chǎn)品體體系有重重大市場場需求和和發(fā)展機機遇。超細粉末末原料株硬、自自貢、廈廈門金鷺鷺等單位都都已掌握握了批量量制備BET粒粒度0.1～～0.2μm級別WC和WC-Co粉末的的技術(shù)，，產(chǎn)品批批量出口口歐美市市場，為為開發(fā)和和實現(xiàn)有有國際競競爭能力力的超細細硬質(zhì)合合金產(chǎn)業(yè)業(yè)化提供供了良好好的物質(zhì)質(zhì)基礎(chǔ)。。實驗室可可獲得納米級WC粉末末；超細合金金合金牌號抗彎強度MPa硬度HRA密度gcm-3

WC晶粒度μmZUM103-自貢WC-XMC-13Co

>3700≥92.0≤0.6YU08-株硬WC-1MC-8Co4000≥93.514.56-14.650.2-0.4YF06-株硬*WC-0.5MC-6Co≥3800≥93.014.86-14.960.4-0.6武漢理工大學(xué)WC-0.5VC-8Co≥320090～92.0≤0.5GU15UF-廈門*WC-1.5MC-8Co350093.214.600.4-0.5GU25UF-廈門*WC-2MC-12Co400093.014.100.4-0.5*已實現(xiàn)小小批量生生產(chǎn)問題的提提出合金材料料的硬度度、抗彎彎強度、、耐磨性性、切削削壽命系系數(shù)等重重要性能能的大幅度提高均與合金金中WC相晶晶粒度的細化化、均勻化密密切相關(guān)。國際上普遍認認為:用超細細或納米原料料，采用傳統(tǒng)統(tǒng)的添加VC、Cr3C2抑制WC晶粒粒長大的方法法很難制備晶晶粒度<0.2μm的WC-Co硬質(zhì)合金。。問題的提出（（２）工業(yè)上簡便易易行的X射線線衍射法和磁磁矯頑力法雖雖可間接快速速測量合金的的平均晶粒度度，但須以直直接觀測的定定量分析結(jié)果果為依據(jù);微觀組織結(jié)構(gòu)構(gòu)是聯(lián)系材料料的成分、制制備工藝和性性能的橋梁;迄今WC晶粒粒的定量測量量尚未標(biāo)準(zhǔn)化化。納米晶WC-Co硬質(zhì)合合金的制備采用歐洲的粉粉末冶金原料料；通過國際科技技合作，借鑒鑒了合作對方方的研究積累累和經(jīng)驗；添加新型VC基復(fù)合晶粒粒生長抑制劑劑可獲得高性性能納米晶硬硬質(zhì)合金。光學(xué)顯微鏡(OM)樣品觀察在光學(xué)顯微鏡鏡最高放大倍倍率下難以分分辨合金中WC晶粒的形形貌、粒度及及其分布、WC／Co相界面、鈷粘粘結(jié)相的分布布等重要的細細節(jié);OM只適用于觀測測非均勻生長粗粗大WC晶粒的分布狀狀況。圖1.納米米晶WC-10Co合金金的金相顯微微組織樣品觀察—場場發(fā)射掃描電電鏡(FESEM)高分辨場發(fā)射射掃描電鏡可得到WC硬硬質(zhì)相和Co粘結(jié)相襯度度良好的二次電子圖像像。圖中灰白色為為WC硬質(zhì)相相，灰黑色為為Co粘結(jié)相相。圖3.納米米晶WC-10Co合金金的FESEM二次電子子顯微組織定量金相測量量結(jié)果1162個WC晶粒的測定結(jié)結(jié)果表明合金金樣品中可測測量的最小WC晶粒尺寸寸為15nm左右；最大的的WC晶粒尺尺寸為109nm。圖4納米晶晶WC-10Co合金的的平均晶粒尺尺寸及其粒度度分布按照Fullman轉(zhuǎn)換系數(shù)*可可將WC晶粒粒的一維測量量結(jié)果轉(zhuǎn)換成成三維空間近近球體尺寸：：表1WC晶晶粒尺寸從一一維到三維的的轉(zhuǎn)換合金的WC晶晶粒度進入了了真正的意義義上的納米尺尺度。測量方法轉(zhuǎn)換系數(shù)測量的晶粒尺寸／nm三維晶粒尺寸/nm

截線法1.5～1.564568~70*H.Engqvist,B.Uhrenius.Determinationoftheaveragegrainsizeofcementedcarbides[J].InternationalJournalofRefractoryMetals&HardMaterials.2003,21(1-2):31WC晶粒度的的三維空間尺尺寸合金的主要性性能WC-10Co合金樣品品與國際上實實驗室研究達達到的最好水水平合金的主主要性能對比比如表２所示示。表２研研制的納納米晶硬硬質(zhì)合金金的主要要性能合

金密度/g·cm-3硬度/HV30

裂紋擴展阻力/N·mm-1有研總院NanoWC-10Co14.43〉1946600Starck-WidiaNano*WC(0.1L)-10Co14.462043530*G.Gille,B.Szesny,K.Dreyeretal..SubmicroandUltrafineGrainedHardmetalsforMicrodrillsandMetalCuttingInserts[A].GunterKneringer,PeterRodhammer,HeikoWildner.Proceedingsof15thInternationalPlanseeSeminar,Volume2:P/MHardMaterials[C].Tyrol,Austria:PlanseeHoldingAG,2001:782.對鎢業(yè)發(fā)發(fā)展的建建議鎢是世界界性的戰(zhàn)戰(zhàn)略性元元素。我國的鎢鎢資源占占世界總總儲量的的50%以上，，得天獨獨厚。從我國的的根本利利益出發(fā)發(fā)，應(yīng)當(dāng)當(dāng)保護好好、合理理開發(fā)利利用并充充分提升升其在經(jīng)經(jīng)濟建設(shè)設(shè)、國防防建設(shè)和和世界貿(mào)貿(mào)易中的的價值，，形成經(jīng)經(jīng)濟效益益不斷提提高、資資源環(huán)境境消耗不不斷降低低的態(tài)勢勢。對鎢其其其制品的的進行全全面的深深度加工工是必由由之路。。對鎢業(yè)發(fā)發(fā)展的建建議硬質(zhì)合金金是鎢最最大、最最重要的的應(yīng)用領(lǐng)領(lǐng)域，是是對制造造業(yè)的發(fā)發(fā)展起支支撐性作作用的關(guān)關(guān)鍵工具具材料（（95%），在在全球范范圍內(nèi)的的市場規(guī)規(guī)模和應(yīng)應(yīng)用不斷斷擴大。。超細和納納米硬質(zhì)質(zhì)合金能能充分發(fā)發(fā)揮材料料的潛質(zhì)質(zhì)和鎢資資源的利利用率，，是我國國鎢業(yè)優(yōu)優(yōu)化產(chǎn)品品結(jié)構(gòu)、、產(chǎn)業(yè)升升級、實實現(xiàn)以科科技為基基礎(chǔ)的經(jīng)經(jīng)濟增長長和可持持續(xù)發(fā)展展，在國國際鎢和和硬質(zhì)合合金高端端產(chǎn)品市市場起重重要作用用，獲得得較高經(jīng)經(jīng)濟效益益的重大大戰(zhàn)略性性發(fā)展方方向。隨著工業(yè)業(yè)技術(shù)和和裝備的的進步，，管理水水平的提提高，目目前工業(yè)業(yè)生產(chǎn)的的微米、、亞微米米級硬質(zhì)質(zhì)合金材材料體系系將逐步步地向超超細化、、納米化化方向發(fā)發(fā)展。對鎢業(yè)發(fā)發(fā)展的建建議通過自主主技術(shù)創(chuàng)創(chuàng)新和國國際合作作，我國國在超細細和納米米晶硬質(zhì)質(zhì)合金主主要粉末末原料的的批量化化生產(chǎn)技技術(shù)及燒燒結(jié)過程程中有效效抑制WC晶粒粒長大等等關(guān)鍵技技術(shù)方面面已取得得重要進進展，我我國的超超細硬質(zhì)質(zhì)合金向向產(chǎn)業(yè)化化發(fā)展的的基礎(chǔ)條條件已趨趨于成熟熟。開發(fā)適合合我國國國情、有有特色的的工藝技技術(shù)和配配套裝備備，制造造出高技技術(shù)含量量、高效效益的超超細硬質(zhì)質(zhì)合金產(chǎn)產(chǎn)品并進進入國內(nèi)內(nèi)外市場場，進而而實現(xiàn)規(guī)規(guī)?；a(chǎn)，真真正將使使我國寶寶貴的鎢鎢資源優(yōu)優(yōu)勢轉(zhuǎn)化化為性能能與國際際先進水水平相當(dāng)當(dāng)?shù)母咝孕阅軆r格格比的合合金制品品優(yōu)勢，，在國際際市場上上有較強強的競爭爭能力，，尚需做做出更大大的努