超细晶粒WC硬质合金的研制动态

1、超细晶粒WC硬质合金的研制动态3邵刚勤吴伯麟魏明坤袁润章(武汉工业大学)摘要:论述了超细晶粒WC硬质合金经历的从普通合金、亚微细晶粒合金到超细乃至纳米晶粒合金三大发展阶段,它们在金属加工、电子工业、木材加工、医学等领域的主要应用,以及有关的粉末原料和合金的最新研制动态。关键词:WC硬质合金;超细晶粒硬质合金;动态中图法分类号:TF123.7收稿日期:.邵刚勤:男,1965年生,副研究员;武汉:武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室().3国家“863”九五研究项目(20010).碳化钨(WC)硬质合金因其特殊的耐磨蚀、高硬度、优良的断裂韧性和抗压强度使它们在切削工具、模具、矿山工具及耐磨零部

2、件等领域得以广泛应用。WC硬质合金性能的提高主要在于晶粒粒度的减小,其关键技术在于原料粉末的制备及合金的烧成。超细晶粒硬质合金与普通硬质合金的主要区别在于晶粒达到超细(0.5m),原料粉末达到纳米级(0.1m)。WC硬质合金的晶粒越细,缺陷越小,粘结相如Co的的平均自由程减小,抗弯强度和硬度就都能保持较高值。实际上,当其它一切条件等同的情况下,WC硬质合金的每一项性能硬度、模量、耐磨性、抗压强度等都随着硬质成分(碳化物)的平均粒度变小、粒度分布变窄而得到增强。同样地,虽然在烧结温度下呈液态,粘结相金属的弥散性也因较细原材料而得到改善。1WC硬质合金发展阶段从1923年德国人Schroter首先

3、采用粉末冶金方法生产WC硬质合金以来,WC硬质合金经历了普通合金、亚微细(0.51m)晶粒合金、超细(0.10.5m)乃至纳米(90HRA)和高强度(3200MPa)的合金。3.1超细及纳米级WC2Co粉末的研制制备优质WC2Co粉末,不仅要求它超细、还要高纯,粉末粒度分布要窄,其它还有颗粒形貌、结晶完整性、亚晶尺寸大小等的要求。制备超细晶粒WC2Co硬质合金所需的超细或纳米级WC2Co粉末主要有三种方法:(1)用固定床、回转炉、氢等离子体等方法使钨氧化物被氢气还原成W粉,然后将它与C粉球磨混合,经高温碳化成WC,再与预制的Co粉球磨混合;(2)用回转炉使钨氧化物和C粉的混合物在高温氢气中直接

4、还原碳化成WC,再与预制的Co粉球磨混合3;(3)用回转炉4或流化床56使钨钴复合盐在CH4H2或COCO2气相中连续还原碳化成WC2Co粉末。显然,最后一种方法简化了工艺流程,可以保证Co在复合粉和合金中的均匀分布,Co的存在可以加快还原与碳化的速度,并且大幅度降低碳化反应所需的温度。传统工艺碳化过程需要13002000的高温,而该工艺中碳化温度为8501000。由于工艺过程的连续性以及复合粉与反应气体的充分接触,保持了粉末的高活性,并且粉末的晶粒能够保持细小均匀。这样,对设备的要求也大幅度地降低。因此,用回转炉或流化床气相连续还原碳化制备WC2Co粉末的方法引起了众多研制者的高度重视。但由

5、于诸如复合盐制备、流态化工艺或回转炉工艺、温度和气氛控制等技术上的难度,目前世界上仅有少数国家致力于此项研究,美国的Rutgers大学和中国的武汉工业大学是世界上最早将流化床应用于硬质合金研制领域的两个单位56。3.2超细及纳米晶粒WC硬质合金的研制美国新泽西州Nanodyne公司1992年以来一直致力于WC系列纳米粉末的商业化生产(用喷雾转化工艺SCP,该工艺由Rutgers大学发明),但遇到不少困难,实际上目前仍处于试制阶段,用此种粉末烧制的超细或纳米晶粒硬质合金还未商业化,据报道7,以色列、匈牙利和南非有不少研制者正致力于此类粉末烧结新技术的研究,所制WC214.7Co21.0V合金的硬

6、度达92.6HRA、强度达3300MPa左右。日本住友(SUMITOMO)电气公司和东京钨有限公司用WO3+C粉在氢气氛的回转炉内直接连续还原碳化生产超细WC粉末,再加钴粉和抑制剂烧制的AF1牌号超细晶粒WC212Co合金的硬度达93HRA、强度达5000MPa左右8。瑞典山特维克97年推出的T002超细晶粒WC合金,晶粒度为0.25m,硬度达93.8HRA、强度达4300MPa。91第21卷第6期邵刚勤等:超细晶粒WC硬质合金的研制动态美国DOW化学公司、德国(氯化钨还原2碳化法)、乌克兰(氢等离子还原2碳化法)、奥地利等一些国家的公司目前也在积极开展超细晶粒WC硬质合金的研制和开发9。国外

7、新型超细晶粒WC硬质合金的发展,引起了中国的研究单位和合金厂的高度重视,武汉工业大学、北京科技大学、清华大学、中南工业大学、北京有色金属研究总院,以及中国最大的两个硬质合金厂株洲硬质合金厂和自贡硬质合金厂等都加紧了有关方面的研制和开发。中国拥有世界50%的钨资源,是世界最大的钨产品生产和出口国,对超细晶粒WC硬质合金的研制起步并不晚,但工业化生产与国外先进水平还有一定差距,出口的钨产品以原料和低、中档次合金为主。株洲硬质合金厂控股的深圳金洲硬质合金有限公司、湖南省钻石硬质合金工具公司、海南馥海木工工具公司是目前中国最大、最先进的微型钻头(0.12mm)、孔加工刀具(36mm、90HRA、强度3200MPa。预计再经过一定的投资、建立起合适的中间性生产线,完善设备、形成规模,我国在超细晶粒WC硬质合金领域是可以占据一席之地的。4结语WC硬质合金经历了普通硬质合金、亚微细晶粒硬质合