GRINM超细和纳米晶WC-Co硬质合金的研究开发.

GRINM超细和纳米晶WC-Co硬质合金的研究开发林晨光北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究所*Email:[e-mail]北京有色金属研究总院粉末冶金研究所简介北京有色金属研究总院粉末冶金及特种材料研究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。拥有各种生产、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。经历52年的发展、壮大，积累了丰富的应用型研究开发经验，有雄厚的技术基础和齐全的科研、生产手段。北京有色金属研究总院主要研究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）；难熔金属材料（高比重钨合金、电子束熔炼法高纯钨、钼、钽、铌、锆、铪等）；多孔材料（钛、不锈钢多孔板、管材料等）；活性钎焊材料和技术（陶瓷-陶瓷、陶瓷-金属，金属-金属等）；硬质合金和超硬材料（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）。北京有色金属研究总院硬质合金国家级研究课题稀土在硬质合金中的应用（1986-1995）超细硬质合金材质机理研究（1991-1995）雾化冷冻干燥还原法制备WC-Co纳米晶复合粉末工艺研究（1996-1998国际合作）亚微米晶硬质合金的制备与结构性能研究（1997-1999国际合作）超细晶硬质合金的制备与结构性能研究（2000-2003国际合作）北京有色金属研究总院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）北京有色金属研究总院硬质合金重大研究成果“稀土在硬质合金中的应用研究”——国家科技进步三等奖完成单位：北京有色金属研究总院东北工学院株洲硬质合金厂自贡硬质合金厂北京有色金属研究总院课题介绍：稀土在硬质合金中的应用对微米级WC-Co、WC-TiC-Co和WC-TiC-TaC(NbC)-Co系硬质合金及其制备工艺进行了研究，即稀土添加种类、加入方式及加入量的研究；适用于硬质合金工业生产要求的稀土添加剂及其添加工艺的研究；制备稀土硬质合金工艺参数及硬质相界面作用的研究。北京有色金属研究总院课题介绍：稀土在硬质合金中的应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基本不改变原料标准，生产工艺和设备的条件下使材料硬度和韧性两大相矛盾的性能都得到明显改善。北京有色金属研究总院课题介绍：稀土在硬质合金中的应用抗弯强度提高10%以上；断裂韧性提高20%；对铸铁、碳钢、合金钢等多种材料进行现场切割考核试验耐用度可提高2～4倍，明显降低工件表面粗糙度和切削力。北京有色金属研究总院课题介绍：稀土在硬质合金中的应用稀土元素有独特的物化性能，将其加入合金中可改变有害杂质分布状态，增加粘结相的强度和塑性，改善合金性能和结构，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原因。北京有色金属研究总院课题介绍：稀土在硬质合金中的应用研制成功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。可制作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应用。稀土硬质合金的研制成功，是我国硬质合金材质研究的一大突破，为建立具有我国特色的新合金系列打下基础。稀土硬质合金产品已用于生产。北京有色金属研究总院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）0.20.2-0.50.5-0.80.8-1.31.3-2.52.5-6.06.0目前国际通行的规范:北京有色金属研究总院目前的国际工业化水平瑞典、美国、德国、日本、以色列、奥地利等工业发达国家的主要硬质合金企业经过十余年系统、深入的应用基础性联合研究和各自独立的产品化开发活动，取得了显著进展。推出了各自的接近纳米结构的超细晶硬质合金，其中尤以瑞典Sandvik公司1999年开始批量生产的PN90合金的晶粒度最细，达到200nm；制成直径0.07-0.10mm的PCB微钻。北京有色金属研究总院目前的国际实验室水平2001年召开的第15届国际普兰西会议上，德国H.C.STARCK和WIDIA等公司联合报道了WC平均晶粒尺寸（截距法）为100纳米的硬质合金的主要性能。北京有色金属研究总院WC-Co硬质合金发展趋势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发展，超细晶WC-Co合金供不应求。北京有色金属研究总院我国是硬质合金生产和消费大国2001年的硬质合金总产量已突破10,000吨，2003年达到13500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%；现代硬质合金生产过程中的高效球磨、喷雾干燥制粒、高精度成形、气压烧结、研磨涂层等一系列先进装备和工艺技术已得到不同程度的应用。北京有色金属研究总院我国尚不是硬质合金生产强国产品技术含量及经济附加值不高；产品结构不尽合理(亚微米和超细合金5%)；工艺技术和装备的整体水平与国外先进水平相比落后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花费大量外汇高价进口；难以满足制造业升级对高性能硬质合金不断扩大的需要，硬质合金生产企业的经济效益也难以有效提高。在我国发展超细硬质合金等高技术含量和附加值的材料和产品体系有重大市场需求和发展机遇。北京有色金属研究总院超细粉末原料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能力的超细硬质合金产业化提供了良好的物质基础。实验室可获得纳米级WC粉末；北京有色金属研究总院超细合金合金牌号抗弯强度MPa硬度HRA密度gcm-3WC晶粒度μmZUM103-自贡WC-XMC-13Co3700≥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*已实现小批量生产北京有色金属研究总院问题的提出合金材料的硬度、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、均匀化密切相关。国际上普遍认为: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。北京有色金属研究总院问题的提出（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测量合金的平均晶粒度，但须以直接观测的定量分析结果为依据;微观组织结构是联系材料的成分、制备工艺和性能的桥梁;迄今WC晶粒的定量测量尚未标准化。北京有色金属研究总院纳米晶WC-Co硬质合金的制备采用欧洲的粉末冶金原料；通过国际科技合作，借鉴了合作对方的研究积累和经验；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。北京有色金属研究总院光学显微镜(OM)样品观察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晶粒的分布状况。图1.纳米晶WC-10Co合金的金相显微组织北京有色金属研究总院样品观察—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二次电子显微组织北京有色金属研究总院定量金相测量结果1162个WC晶粒的测定结果表明合金样品中可测量的最小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204060801000510152025Meangrainsize:45nmProbability/%DistributionofWCgrain/nm北京有色金属研究总院按照Fullman转换系数*可将WC晶粒的一维测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北京有色金属研究总院合金的主要性能•WC-10Co合金样品与国际上实验室研究达到的最好水平合金的主要性能对比如表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.北京有色金属研究总院对钨业发展的建议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，应当保护好、合理开发利用并充分提升其在经济建设、国防建设和世界贸易中的价值，形成经济效益不断提高、资源环境消耗不断降低的态势。对钨其其制品的进行全面的深度加工是必由之路。北京有色金属研究总院对钨业发展的建议硬质合金是钨最大、最重要的应用领域，是对制造业的发展起支撑性作用的关键工具材料（95%），在全球范围内的市场规模和应用不断扩大。超细和纳米硬质合金能充分发挥材料的潜质和钨资源的利用率，是我国钨业优化产品结构、产业升级、实现以科技为基础的经济增长和可持续发展，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重大战略性发展方向。随着工业技术和装备的进步，管理水平的提高，目前工业生产的微米、亚微米级硬质合金材料体系将逐步地向超细化、纳米化方向发展。北京有色金属研究总院对钨业发展的建议通过自主技术创新和国际合作，我国在超细和纳米晶硬质合金主要粉末原料的批量化生产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取得重要进展，我国的超细硬质合金向产业化发展的基础条件已趋于成熟。开发适合我国国情、有特色的工艺技术和配套装备，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，进而实现规模化生产，真正将使我国宝贵的钨资源优势转化为性能与国际先进水平相当的高性能价格比的合金制品优势，在国际市场上有较强的竞争能力，尚需做出更大的努力。北京有色金属研究总院展望“十五”期间我国的“863”“火炬计划”等多个国家科技