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)合金的研討開發(fā)林晨曦

北京有色金屬研討總院粉末冶金及特種資料研討所*:pm@mail.grinm粉末冶金研討所簡介北京有色金屬研討總院粉末冶金及特種資料研討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。擁有各種消費、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。閱歷52年的開展、壯大，積累了豐富的運用型研討開發(fā)閱歷，有雄厚的技術(shù)根底和齊全的科研、消費手段。主要研討領(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〕；難熔金屬資料〔高比重鎢合金、電子束熔煉法高純鎢、鉬、鉭、鈮、鋯、鉿等〕；多孔資料〔鈦、不銹鋼多孔板、管資料等〕；活性釬焊資料和技術(shù)〔陶瓷-陶瓷、陶瓷-金屬，金屬-金屬等〕；硬質(zhì)合金和超硬資料〔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)合金國家級研討課題稀土在硬質(zhì)合金中的運用〔1986-1995〕超細硬質(zhì)合金材質(zhì)機理研討〔1991-1995〕霧化冷凍枯燥復(fù)原法制備WC-Co納米晶復(fù)合粉末工藝研討〔1996-1998國際協(xié)作〕亞微米晶硬質(zhì)合金的制備與構(gòu)造性能研討〔1997-1999國際協(xié)作〕超細晶硬質(zhì)合金的制備與構(gòu)造性能研討〔2000-2003國際協(xié)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)合金艱苦研討成果“稀土在硬質(zhì)合金中的運用研討〞——國家科技提高三等獎完成單位：北京有色金屬研討總院東北工學(xué)院株洲硬質(zhì)合金廠自貢硬質(zhì)合金廠課題引見：稀土在硬質(zhì)合金中的運用對微米級WC-Co、WC-TiC-Co和WC-TiC-TaC(NbC)-Co系硬質(zhì)合金及其制備工藝進展了研討，即稀土添加種類、參與方式及參與量的研討；適用于硬質(zhì)合金工業(yè)消費要求的稀土添加劑及其添加工藝的研討；制備稀土硬質(zhì)合金工藝參數(shù)及硬質(zhì)相界面作用的研討。課題引見：稀土在硬質(zhì)合金中的運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根本不改動原料規(guī)范，消費工藝和設(shè)備的條件下使資料硬度和韌性兩大相矛盾的性能都得到明顯改善。課題引見：稀土在硬質(zhì)合金中的運用抗彎強度提高10%以上；斷裂韌性提高20%；對鑄鐵、碳鋼、合金鋼等多種資料進展現(xiàn)場切割考核實驗?zāi)陀枚瓤商岣?～4倍，明顯降低工件外表粗糙度和切削力。課題引見：稀土在硬質(zhì)合金中的運用稀土元素有獨特的物化性能，將其參與合金中可改動有害雜質(zhì)分布形狀，添加粘結(jié)相的強度和塑性，改善合金性能和構(gòu)造，是提高合金耐磨性、抗沖擊性、高溫性能和降低摩擦系數(shù)的主要緣由。課題引見：稀土在硬質(zhì)合金中的運用研制勝利的稀土硬質(zhì)合金較相應(yīng)的原牌號具有更好的耐磨和抗沖擊等綜合性能?？芍圃烨邢骱偷V用工具及耐磨零件等，在國民經(jīng)濟各部門得到廣泛運用。稀土硬質(zhì)合金的研制勝利，是我國硬質(zhì)合金材質(zhì)研討的一大突破，為建立具有我國特征的新合金系列打下根底。稀土硬質(zhì)合金產(chǎn)品已用于消費。硬質(zhì)合金按晶粒度的分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目前國際通行的規(guī)范:目前的國際工業(yè)化程度瑞典、美國、德國、日本、以色列、奧地利等工業(yè)興隆國家的主要硬質(zhì)合金企業(yè)經(jīng)過十余年系統(tǒng)、深化的運用根底性結(jié)合研討和各自獨立的產(chǎn)品化開發(fā)活動，獲得了顯著進展。推出了各自的接近納米構(gòu)造的超細晶硬質(zhì)合金，其中尤以瑞典Sandvik公司1999年開場批量消費的PN90合金的晶粒度最細，到達200nm；制成直徑0.07-0.10mm的PCB微鉆。目前的國際實驗室程度2001年召開的第15屆國際普蘭西會議上，德國H.C.STARCK和WIDIA等公司結(jié)合報道了WC平均晶粒尺寸〔截距法〕為100納米的硬質(zhì)合金的主要性能。WC-Co硬質(zhì)合金開展趨勢2000年全球〔不包括中國〕的亞微米、超細晶WC-Co硬質(zhì)合金產(chǎn)品的總產(chǎn)量達11,500-12,500噸,已占硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的大約40%；近幾年來國際上超細晶硬質(zhì)合金得到更快的開展，超細晶WC-Co合金供不應(yīng)求。我國是硬質(zhì)合金消費和消費大國2001年的硬質(zhì)合金總產(chǎn)量已突破10,000噸，2003年到達00噸，位居世界第一；硬質(zhì)合金出口量已達1500噸～2000噸左右，,約占世界硬質(zhì)合金市場流通量的20-30%；現(xiàn)代硬質(zhì)合金消費過程中的高效球磨、噴霧枯燥制粒、高精度成形、氣壓燒結(jié)、研磨涂層等一系列先進配備和工藝技術(shù)已得到不同程度的運用。我國尚不是硬質(zhì)合金消費強國產(chǎn)品技術(shù)含量及經(jīng)濟附加值不高；產(chǎn)品構(gòu)造不盡合理(亞微米和超細合金<5%)；工藝技術(shù)和配備的整體程度與國外先進程度相比落后10～20年以上。中、低檔普通合金產(chǎn)品低價大量出口而超細合金、高精度可轉(zhuǎn)位涂層刀片等高檔合金制品需破費大量外匯高價進口；難以滿足制造業(yè)晉級對高性能硬質(zhì)合金不斷擴展的需求，硬質(zhì)合金消費企業(yè)的經(jīng)濟效益也難以有效提高。在我國開展超細硬質(zhì)合金等高技術(shù)含量和附加值的資料和產(chǎn)品體系有艱苦市場需求和開展機遇。超細粉末原料株硬、自貢、廈門金鷺等單位都已掌握了批量制備BET粒度0.1～0.2μm級別WC和WC-Co粉末的技術(shù)，產(chǎn)品批量出口歐美市場，為開發(fā)和實現(xiàn)有國際競爭才干的超細硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)化提供了良好的物質(zhì)根底。實驗室可獲得納米級WC粉末；超細合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)小批量消費問題的提出合金資料的硬度、抗彎強度、耐磨性、切削壽命系數(shù)等重要性能的大幅度提高均與合金中WC相晶粒度的細化、均勻化親密相關(guān)。國際上普遍以為:用超細或納米原料，采用傳統(tǒng)的添加VC、Cr3C2抑制WC晶粒長大的方法很難制備晶粒度<0.2μm的WC-Co硬質(zhì)合金。問題的提出〔２〕工業(yè)上簡便易行的X射線衍射法和磁矯頑力法雖可間接快速丈量合金的平均晶粒度，但須以直接觀測的定量分析結(jié)果為根據(jù);微觀組織構(gòu)造是聯(lián)絡(luò)資料的成分、制備工藝和性能的橋梁;迄今WC晶粒的定量丈量尚未規(guī)范化。納米晶WC-Co硬質(zhì)合金的制備采用歐洲的粉末冶金原料；經(jīng)過國際科技協(xié)作，自創(chuàng)了協(xié)作對方的研討積累和閱歷；添加新型VC基復(fù)合晶粒生長抑制劑可獲得高性能納米晶硬質(zhì)合金。光學(xué)顯微鏡(OM)樣品察看在光學(xué)顯微鏡最高放大倍率下難以分辨合金中WC晶粒的形貌、粒度及其分布、WC／Co相界面、鈷粘結(jié)相的分布等重要的細節(jié);OM只適用于觀測非均勻生長粗大WC晶粒的分布情況。圖1.納米晶WC-10Co合金的金相顯微組織樣品察看—場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)高分辨場發(fā)射掃描電鏡可得到WC硬質(zhì)相和Co粘結(jié)相襯度良好的二次電子圖像。圖中灰白色為WC硬質(zhì)相，灰黑色為Co粘結(jié)相。圖3.納米晶WC-10Co合金的FESEM二次電子顯微組織定量金相丈量結(jié)果1162個WC晶粒的測定結(jié)果闡明合金樣品中可丈量的最小WC晶粒尺寸為15nm左右；最大的WC晶粒尺寸為109nm。圖4納米晶WC-10Co合金的平均晶粒尺寸及其粒度分布按照Fullman轉(zhuǎn)換系數(shù)*可將WC晶粒的一維丈量結(jié)果轉(zhuǎn)換成三維空間近球體尺寸：表1WC晶粒尺寸從一維到三維的轉(zhuǎn)換合金的WC晶粒度進入了真正的意義上的納米尺度。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晶粒度的三維空間尺寸合金的主要性能WC-10Co合金樣品與國際上實驗室研討到達的最好程度合金的主要性能對比方表２所示。表２研制的納米晶硬質(zhì)合金的主要性能合

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)開展的建議鎢是世界性的戰(zhàn)略性元素。我國的鎢資源占世界總儲量的50%以上，得天獨厚。從我國的根本利益出發(fā)，該當維護好、合理開發(fā)利用并充分提升其在經(jīng)濟建立、國防建立和世界貿(mào)易中的價值，構(gòu)成經(jīng)濟效益不斷提高、資源環(huán)境耗費不斷降低的態(tài)勢。對鎢其其制品的進展全面的深度加工是必由之路。對鎢業(yè)開展的建議硬質(zhì)合金是鎢最大、最重要的運用領(lǐng)域，是對制造業(yè)的開展起支撐性作用的關(guān)鍵工具資料〔95%〕，在全球范圍內(nèi)的市場規(guī)模和運用不斷擴展。超細和納米硬質(zhì)合金能充分發(fā)揚資料的潛質(zhì)和鎢資源的利用率，是我國鎢業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品構(gòu)造、產(chǎn)業(yè)晉級、實現(xiàn)以科技為根底的經(jīng)濟增長和可繼續(xù)開展，在國際鎢和硬質(zhì)合金高端產(chǎn)品市場起重要作用，獲得較高經(jīng)濟效益的艱苦戰(zhàn)略性開展方向。隨著工業(yè)技術(shù)和配備的提高，管理程度的提高，目前工業(yè)消費的微米、亞微米級硬質(zhì)合金資料體系將逐漸地向超細化、納米化方向開展。對鎢業(yè)開展的建議經(jīng)過自主技術(shù)創(chuàng)新和國際協(xié)作，我國在超細和納米晶硬質(zhì)合金主要粉末原料的批量化消費技術(shù)及燒結(jié)過程中有效抑制WC晶粒長大等關(guān)鍵技術(shù)方面已獲得重要進展，我國的超細硬質(zhì)合金向產(chǎn)業(yè)化開展的根底條件已趨于成熟。開發(fā)適宜我國國情、有特征的工藝技術(shù)和配套配備，制造出高技術(shù)含量、高效益的超細硬質(zhì)合金產(chǎn)品并進入國內(nèi)外市場，進而實現(xiàn)規(guī)?；M，真正將使我國珍貴的鎢資源優(yōu)勢轉(zhuǎn)化為性能與國際先進程度相當?shù)母咝阅軆r錢比的合金制品優(yōu)勢，在國際市場上有較強的競爭才干，尚需做出更大的努力。展望“十五〞期間我國的“863〞“火炬方案〞等多個國家科技方案都相繼支持超細晶硬質(zhì)合金的研討與開發(fā)；國內(nèi)不少地域和單位也在招商引資，積極推進超細晶硬質(zhì)合金的產(chǎn)業(yè)化；經(jīng)過政府推進