GRINM超細(xì)和納米晶WCCo硬質(zhì)合金的研

GRINM超細(xì)和納米晶WC-Co硬質(zhì)合金的研討開(kāi)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(jiǎn)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(jí)高級(jí)工程師、高級(jí)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(fèi)、實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備330余臺(tái)〔套〕，設(shè)備中包括引進(jìn)的熱等靜壓機(jī)、大型冷等靜壓機(jī)和100噸、63噸、45噸、25噸等各種噸位的油壓機(jī)、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(kāi)展、壯大，積累了豐富的運(yùn)用型研討開(kāi)發(fā)閱歷，有雄厚的技術(shù)根底和齊全的科研、消費(fèi)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(xì)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(xì)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(guó)家級(jí)研討課題稀土在硬質(zhì)合金中的運(yùn)用〔1986-1995〕超細(xì)硬質(zhì)合金材質(zhì)機(jī)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(guó)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(guó)際協(xié)作〕超細(xì)晶硬質(zhì)合金的制備與構(gòu)造性能研討〔2000-2003國(guó)際協(xié)作〕硬質(zhì)合金專(zhuān)利三項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利和一項(xiàng)美國(guó)發(fā)明專(zhuān)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(yùn)用研討〞——國(guó)家科技提高三等獎(jiǎng)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(chǎng)自貢硬質(zhì)合金廠(chǎng)課題引見(jiàn)：稀土在硬質(zhì)合金中的運(yùn)用對(duì)微米級(jí)WC-Co、WC-TiC-Co和WC-TiC-TaC(NbC)-Co系硬質(zhì)合金及其制備工藝進(jìn)展了研討，即稀土添加種類(lèi)、參與方式及參與量的研討；適用于硬質(zhì)合金工業(yè)消費(fèi)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(jiàn)：稀土在硬質(zhì)合金中的運(yùn)用采用獲得專(zhuān)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(dòng)原料規(guī)范，消費(fèi)工藝和設(shè)備的條件下使資料硬度和韌性?xún)纱笙嗝艿男阅芏嫉玫矫黠@改善。課題引見(jiàn)：稀土在硬質(zhì)合金中的運(yùn)用抗彎強(qiáng)度提高10%以上；斷裂韌性提高20%；對(duì)鑄鐵、碳鋼、合金鋼等多種資料進(jìn)展現(xiàn)場(chǎng)切割考核實(shí)驗(yàn)?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(jiàn)：稀土在硬質(zhì)合金中的運(yùn)用稀土元素有獨(dú)特的物化性能，將其參與合金中可改動(dòng)有害雜質(zhì)分布形狀，添加粘結(jié)相的強(qiáng)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(jiàn)：稀土在硬質(zhì)合金中的運(yùn)用研制勝利的稀土硬質(zhì)合金較相應(yīng)的原牌號(hào)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(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)得到廣泛運(yùn)用。稀土硬質(zhì)合金的研制勝利，是我國(guó)硬質(zhì)合金材質(zhì)研討的一大突破，為建立具有我國(guó)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(fèi)。硬質(zhì)合金按晶粒度的分類(lèi)合金類(lèi)別納米超細(xì)亞微米細(xì)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(guó)際通行的規(guī)范:目前的國(guó)際工業(yè)化程度瑞典、美國(guó)、德國(guó)、日本、以色列、奧地利等工業(yè)興隆國(guó)家的主要硬質(zhì)合金企業(yè)經(jīng)過(guò)十余年系統(tǒng)、深化的運(yùn)用根底性結(jié)合研討和各自獨(dú)立的產(chǎn)品化開(kāi)發(fā)活動(dòng)，獲得了顯著進(jìn)展。推出了各自的接近納米構(gòu)造的超細(xì)晶硬質(zhì)合金，其中尤以瑞典Sandvik公司1999年開(kāi)場(chǎng)批量消費(fèi)的PN90合金的晶粒度最細(xì)，到達(dá)200nm；制成直徑0.07-0.10mm的PCB微鉆。目前的國(guó)際實(shí)驗(yàn)室程度2001年召開(kāi)的第15屆國(guó)際普蘭西會(huì)議上，德國(guó)H.C.STARCK和WIDIA等公司結(jié)合報(bào)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(kāi)展趨勢(shì)2000年全球〔不包括中國(guó)〕的亞微米、超細(xì)晶WC-Co硬質(zhì)合金產(chǎn)品的總產(chǎn)量達(dá)11,500-12,500噸,已占硬質(zhì)合金總產(chǎn)量的大約40%；近幾年來(lái)國(guó)際上超細(xì)晶硬質(zhì)合金得到更快的開(kāi)展，超細(xì)晶WC-Co合金供不應(yīng)求。我國(guó)是硬質(zhì)合金消費(fèi)和消費(fèi)大國(guó)2001年的硬質(zhì)合金總產(chǎn)量已突破10,000噸，2003年到達(dá)00噸，位居世界第一；硬質(zhì)合金出口量已達(dá)1500噸～2000噸左右，,約占世界硬質(zhì)合金市場(chǎng)流通量的20-30%；現(xiàn)代硬質(zhì)合金消費(fèi)過(guò)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(jìn)配備和工藝技術(shù)已得到不同程度的運(yùn)用。我國(guó)尚不是硬質(zhì)合金消費(fèi)強(qiáng)國(guó)產(chǎn)品技術(shù)含量及經(jīng)濟(jì)附加值不高；產(chǎn)品構(gòu)造不盡合理(亞微米和超細(xì)合金<5%)；工藝技術(shù)和配備的整體程度與國(guó)外先進(jìn)程度相比落后10～20年以上。中、低檔普通合金產(chǎn)品低價(jià)大量出口而超細(xì)合金、高精度可轉(zhuǎn)位涂層刀片等高檔合金制品需破費(fèi)大量外匯高價(jià)進(jìn)口；難以滿(mǎn)足制造業(yè)晉級(jí)對(duì)高性能硬質(zhì)合金不斷擴(kuò)展的需求，硬質(zhì)合金消費(fèi)企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益也難以有效提高。在我國(guó)開(kāi)展超細(xì)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(chǎng)需求和開(kāi)展機(jī)遇。超細(xì)粉末原料株硬、自貢、廈門(mén)金鷺等單位都已掌握了批量制備BET粒度0.1～0.2μm級(jí)別WC和WC-Co粉末的技術(shù)，產(chǎn)品批量出口歐美市場(chǎng)，為開(kāi)發(fā)和實(shí)現(xiàn)有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)才干的超細(xì)硬質(zhì)合金產(chǎn)業(yè)化提供了良好的物質(zhì)根底。實(shí)驗(yàn)室可獲得納米級(jí)WC粉末；超細(xì)合金合金牌號(hào)抗彎強(qiáng)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(mén)*WC-1.5MC-8Co350093.214.600.4-0.5GU25UF-廈門(mén)*WC-2MC-12Co400093.014.100.4-0.5*已實(shí)現(xiàn)小批量消費(fèi)問(wèn)題的提出合金資料的硬度、抗彎強(qiáng)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(xì)化、均勻化親密相關(guān)。國(guó)際上普遍以為:用超細(xì)或納米原料，采用傳統(tǒng)的添加VC、Cr3C2抑制WC晶粒長(zhǎng)大的方法很難制備晶粒度<0.2μm的WC-Co硬質(zhì)合金。問(wèn)題的提出〔２〕工業(yè)上簡(jiǎn)便易行的X射線(xiàn)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(guān)測(cè)的定量分析結(jié)果為根據(jù);微觀(guān)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(guò)國(guó)際科技協(xié)作，自創(chuàng)了協(xié)作對(duì)方的研討積累和閱歷；添加新型VC基復(fù)合晶粒生長(zhǎng)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(xì)節(jié);OM只適用于觀(guān)測(cè)非均勻生長(zhǎng)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(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)高分辨場(chǎng)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(gè)WC晶粒的測(cè)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(jìn)入了真正的意義上的納米尺度。測(cè)量方法轉(zhuǎn)換系數(shù)測(cè)量的晶粒尺寸／nm三維晶粒尺寸/nm

截線(xiàn)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(guó)際上實(shí)驗(yàn)室研討到達(dá)的最好程度合金的主要性能對(duì)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(kuò)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(duì)鎢業(yè)開(kāi)展的建議鎢是世界性的戰(zhàn)略性元素。我國(guó)的鎢資源占世界總儲(chǔ)量的50%以上，得天獨(dú)厚。從我國(guó)的根本利益出發(fā)，該當(dāng)維護(hù)好、合理開(kāi)發(fā)利用并充分提升其在經(jīng)濟(jì)建立、國(guó)防建立和世界貿(mào)易中的價(jià)值，構(gòu)成經(jīng)濟(jì)效益不斷提高、資源環(huán)境耗費(fèi)不斷降低的態(tài)勢(shì)。對(duì)鎢其其制品的進(jìn)展全面的深度加工是必由之路。對(duì)鎢業(yè)開(kāi)展的建議硬質(zhì)合金是鎢最大、最重要的運(yùn)用領(lǐng)域，是對(duì)制造業(yè)的開(kāi)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(chǎng)規(guī)模和運(yùn)用不斷擴(kuò)展。超細(xì)和納米硬質(zhì)合金能充分發(fā)揚(yáng)資料的潛質(zhì)和鎢資源的利用率，是我國(guó)鎢業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品構(gòu)造、產(chǎn)業(yè)晉級(jí)、實(shí)現(xiàn)以科技為根底的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和可繼續(xù)開(kāi)展，在國(guó)際鎢和硬質(zhì)合金高端產(chǎn)品市場(chǎng)起重要作用，獲得較高經(jīng)濟(jì)效益的艱苦戰(zhàn)略性開(kāi)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(fèi)的微米、亞微米級(jí)硬質(zhì)合金資料體系將逐漸地向超細(xì)化、納米化方向開(kāi)展。對(duì)鎢業(yè)開(kāi)展的建議經(jīng)過(guò)自主技術(shù)創(chuàng)新和國(guó)際協(xié)作，我國(guó)在超細(xì)和納米晶硬質(zhì)合金主要粉末原料的批量化消費(fèi)技術(shù)及燒結(jié)過(guò)程中有效抑制WC晶粒長(zhǎng)大等關(guān)鍵技術(shù)方面已獲得重要進(jìn)展，我國(guó)的超細(xì)硬質(zhì)合金向產(chǎn)業(yè)化開(kāi)展的根底條件已趨于成熟。開(kāi)發(fā)適宜我國(guó)國(guó)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(xì)硬質(zhì)合金產(chǎn)品并進(jìn)入國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)規(guī)?；M(fèi)，真正將使我國(guó)珍貴的鎢資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為性能與國(guó)際先進(jìn)程度相當(dāng)?shù)母咝阅軆r(jià)錢(qián)比的合金制品優(yōu)勢(shì)，在國(guó)際市場(chǎng)上有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)才干，尚需做出更大的努力。展望“十五〞期間我國(guó)的“863〞“火炬方案〞等多個(gè)國(guó)家科技方案都相繼支持超細(xì)晶硬質(zhì)合金的研討與開(kāi)發(fā)；國(guó)內(nèi)不少地域和單位也在招商引資，積極推進(jìn)超細(xì)晶硬質(zhì)合金的產(chǎn)業(yè)化；經(jīng)過(guò)政府推進(jìn)