GRINM超细和纳米晶WCCo硬质合金的研

GRINM超细和纳米晶WC-Co硬质合金的研讨开发林晨曦

北京有色金属研讨总院粉末冶金及特种资料研讨所*:pm@mail.grinm粉末冶金研讨所简介北京有色金属研讨总院粉末冶金及特种资料研讨所由教授级高级工程师、高级工程师、工程师、助工等人员组成，职工总数40人。拥有各种消费、实验仪器及设备330余台〔套〕，设备中包括引进的热等静压机、大型冷等静压机和100吨、63吨、45吨、25吨等各种吨位的油压机、200kg真空中频感应熔炼炉、高温真空热压炉、高温氢气烧结炉和真空烧结炉等及120kW聚焦环行电子束炉等。阅历52年的开展、壮大，积累了丰富的运用型研讨开发阅历，有雄厚的技术根底和齐全的科研、消费手段。主要研讨领域各种金属及化合物粉末〔铜合金粉、贮氢合金粉、超细贵金属粉等〕；难熔金属资料〔高比重钨合金、电子束熔炼法高纯钨、钼、钽、铌、锆、铪等〕；多孔资料〔钛、不锈钢多孔板、管资料等〕；活性钎焊资料和技术〔陶瓷-陶瓷、陶瓷-金属，金属-金属等〕；硬质合金和超硬资料〔超细和纳米晶硬质合金，金刚石工具、立方氮化硼工具/珩磨条〕。硬质合金国家级研讨课题稀土在硬质合金中的运用〔1986-1995〕超细硬质合金材质机理研讨〔1991-1995〕雾化冷冻枯燥复原法制备WC-Co纳米晶复合粉末工艺研讨〔1996-1998国际协作〕亚微米晶硬质合金的制备与构造性能研讨〔1997-1999国际协作〕超细晶硬质合金的制备与构造性能研讨〔2000-2003国际协作〕硬质合金专利三项中国发明专利和一项美国发明专利：“含稀土的硬质合金的制造方法〞〔1992〕硬质合金艰苦研讨成果“稀土在硬质合金中的运用研讨〞——国家科技提高三等奖完成单位：北京有色金属研讨总院东北工学院株洲硬质合金厂自贡硬质合金厂课题引见：稀土在硬质合金中的运用对微米级WC-Co、WC-TiC-Co和WC-TiC-TaC(NbC)-Co系硬质合金及其制备工艺进展了研讨，即稀土添加种类、参与方式及参与量的研讨；适用于硬质合金工业消费要求的稀土添加剂及其添加工艺的研讨；制备稀土硬质合金工艺参数及硬质相界面作用的研讨。课题引见：稀土在硬质合金中的运用采用获得专利的新型稀土添加剂和添加方法添加微量稀土可在根本不改动原料规范，消费工艺和设备的条件下使资料硬度和韧性两大相矛盾的性能都得到明显改善。课题引见：稀土在硬质合金中的运用抗弯强度提高10%以上；断裂韧性提高20%；对铸铁、碳钢、合金钢等多种资料进展现场切割考核实验耐用度可提高2～4倍，明显降低工件外表粗糙度和切削力。课题引见：稀土在硬质合金中的运用稀土元素有独特的物化性能，将其参与合金中可改动有害杂质分布形状，添加粘结相的强度和塑性，改善合金性能和构造，是提高合金耐磨性、抗冲击性、高温性能和降低摩擦系数的主要缘由。课题引见：稀土在硬质合金中的运用研制胜利的稀土硬质合金较相应的原牌号具有更好的耐磨和抗冲击等综合性能。可制造切削和矿用工具及耐磨零件等，在国民经济各部门得到广泛运用。稀土硬质合金的研制胜利，是我国硬质合金材质研讨的一大突破，为建立具有我国特征的新合金系列打下根底。稀土硬质合金产品已用于消费。硬质合金按晶粒度的分类合金类别纳米超细亚微米细中粗超粗晶粒度（μm）

<0.20.2-0.50.5-0.80.8-1.31.3-2.52.5-6.0>6.0目前国际通行的规范:目前的国际工业化程度瑞典、美国、德国、日本、以色列、奥地利等工业兴隆国家的主要硬质合金企业经过十余年系统、深化的运用根底性结合研讨和各自独立的产品化开发活动，获得了显著进展。推出了各自的接近纳米构造的超细晶硬质合金，其中尤以瑞典Sandvik公司1999年开场批量消费的PN90合金的晶粒度最细，到达200nm；制成直径0.07-0.10mm的PCB微钻。目前的国际实验室程度2001年召开的第15届国际普兰西会议上，德国H.C.STARCK和WIDIA等公司结合报道了WC平均晶粒尺寸〔截距法〕为100纳米的硬质合金的主要性能。WC-Co硬质合金开展趋势2000年全球〔不包括中国〕的亚微米、超细晶WC-Co硬质合金产品的总产量达11,500-12,500吨,已占硬质合金总产量的大约40%；近几年来国际上超细晶硬质合金得到更快的开展，超细晶WC-Co合金供不应求。我国是硬质合金消费和消费大国2001年的硬质合金总产量已突破10,000吨，2003年到达00吨，位居世界第一；硬质合金出口量已达1500吨～2000吨左右，,约占世界硬质合金市场流通量的20-30%；现代硬质合金消费过程中的高效球磨、喷雾枯燥制粒、高精度成形、气压烧结、研磨涂层等一系列先进配备和工艺技术已得到不同程度的运用。我国尚不是硬质合金消费强国产品技术含量及经济附加值不高；产品构造不尽合理(亚微米和超细合金<5%)；工艺技术和配备的整体程度与国外先进程度相比落后10～20年以上。中、低档普通合金产品低价大量出口而超细合金、高精度可转位涂层刀片等高档合金制品需破费大量外汇高价进口；难以满足制造业晋级对高性能硬质合金不断扩展的需求，硬质合金消费企业的经济效益也难以有效提高。在我国开展超细硬质合金等高技术含量和附加值的资料和产品体系有艰苦市场需求和开展机遇。超细粉末原料株硬、自贡、厦门金鹭等单位都已掌握了批量制备BET粒度0.1～0.2μm级别WC和WC-Co粉末的技术，产品批量出口欧美市场，为开发和实现有国际竞争才干的超细硬质合金产业化提供了良好的物质根底。实验室可获得纳米级WC粉末；超细合金合金牌号抗弯强度MPa硬度HRA密度gcm-3

WC晶粒度μmZUM103-自贡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武汉理工大学WC-0.5VC-8Co≥320090～92.0≤0.5GU15UF-厦门*WC-1.5MC-8Co350093.214.600.4-0.5GU25UF-厦门*WC-2MC-12Co400093.014.100.4-0.5*已实现小批量消费问题的提出合金资料的硬度、抗弯强度、耐磨性、切削寿命系数等重要性能的大幅度提高均与合金中WC相晶粒度的细化、均匀化亲密相关。国际上普遍以为:用超细或纳米原料，采用传统的添加VC、Cr3C2抑制WC晶粒长大的方法很难制备晶粒度<0.2μm的WC-Co硬质合金。问题的提出〔２〕工业上简便易行的X射线衍射法和磁矫顽力法虽可间接快速丈量合金的平均晶粒度，但须以直接观测的定量分析结果为根据;微观组织构造是联络资料的成分、制备工艺和性能的桥梁;迄今WC晶粒的定量丈量尚未规范化。纳米晶WC-Co硬质合金的制备采用欧洲的粉末冶金原料；经过国际科技协作，自创了协作对方的研讨积累和阅历；添加新型VC基复合晶粒生长抑制剂可获得高性能纳米晶硬质合金。光学显微镜(OM)样品察看在光学显微镜最高放大倍率下难以分辨合金中WC晶粒的形貌、粒度及其分布、WC／Co相界面、钴粘结相的分布等重要的细节;OM只适用于观测非均匀生长粗大WC晶粒的分布情况。图1.纳米晶WC-10Co合金的金相显微组织样品察看—场发射扫描电镜(FESEM)高分辨场发射扫描电镜可得到WC硬质相和Co粘结相衬度良好的二次电子图像。图中灰白色为WC硬质相，灰黑色为Co粘结相。图3.纳米晶WC-10Co合金的FESEM二次电子显微组织定量金相丈量结果1162个WC晶粒的测定结果阐明合金样品中可丈量的最小WC晶粒尺寸为15nm左右；最大的WC晶粒尺寸为109nm。图4纳米晶WC-10Co合金的平均晶粒尺寸及其粒度分布按照Fullman转换系数*可将WC晶粒的一维丈量结果转换成三维空间近球体尺寸：表1WC晶粒尺寸从一维到三维的转换合金的WC晶粒度进入了真正的意义上的纳米尺度。测量方法转换系数测量的晶粒尺寸／nm三维晶粒尺寸/nm

截线法1.5～1.564568~70*H.Engqvist,B.Uhrenius.Determinationoftheaveragegrainsizeofcementedcarbides[J].InternationalJournalofRefractoryMetals&HardMaterials.2003,21(1-2):31WC晶粒度的三维空间尺寸合金的主要性能WC-10Co合金样品与国际上实验室研讨到达的最好程度合金的主要性能对比方表２所示。表２研制的纳米晶硬质合金的主要性能合

金密度/g·cm-3硬度/HV30

裂纹扩展阻力/N·mm-1有研总院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.对钨业开展的建议钨是世界性的战略性元素。我国的钨资源占世界总储量的50%以上，得天独厚。从我国的根本利益出发，该当维护好、合理开发利用并充分提升其在经济建立、国防建立和世界贸易中的价值，构成经济效益不断提高、资源环境耗费不断降低的态势。对钨其其制品的进展全面的深度加工是必由之路。对钨业开展的建议硬质合金是钨最大、最重要的运用领域，是对制造业的开展起支撑性作用的关键工具资料〔95%〕，在全球范围内的市场规模和运用不断扩展。超细和纳米硬质合金能充分发扬资料的潜质和钨资源的利用率，是我国钨业优化产品构造、产业晋级、实现以科技为根底的经济增长和可继续开展，在国际钨和硬质合金高端产品市场起重要作用，获得较高经济效益的艰苦战略性开展方向。随着工业技术和配备的提高，管理程度的提高，目前工业消费的微米、亚微米级硬质合金资料体系将逐渐地向超细化、纳米化方向开展。对钨业开展的建议经过自主技术创新和国际协作，我国在超细和纳米晶硬质合金主要粉末原料的批量化消费技术及烧结过程中有效抑制WC晶粒长大等关键技术方面已获得重要进展，我国的超细硬质合金向产业化开展的根底条件已趋于成熟。开发适宜我国国情、有特征的工艺技术和配套配备，制造出高技术含量、高效益的超细硬质合金产品并进入国内外市场，进而实现规模化消费，真正将使我国珍贵的钨资源优势转化为性能与国际先进程度相当的高性能价钱比的合金制品优势，在国际市场上有较强的竞争才干，尚需做出更大的努力。展望“十五〞期间我国的“863〞“火炬方案〞等多个国家科技方案都相继支持超细晶硬质合金的研讨与开发；国内不少地域和单位也在招商引资，积极推进超细晶硬质合金的产业化；经过政府推进