納米晶硬質(zhì)合金

納米WC-Co硬質(zhì)合金，因其特殊的耐磨蝕、高硬度，以及優(yōu)異的斷裂韌性和抗壓強(qiáng)度被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技各個(gè)領(lǐng)域，己被制成加工集成電路板的微型鉆頭、點(diǎn)陣打印機(jī)打印針頭、整體孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙鉆、難加工材料刀具等。其主要應(yīng)用概括為以下幾個(gè)方面：

(1)金屬加工。當(dāng)初，亞微細(xì)WC硬質(zhì)合金的開發(fā)是為了解決高溫合金等難加工材料的切削加工的需要，現(xiàn)代納米WC硬質(zhì)合金在強(qiáng)度和韌性方面優(yōu)于亞微細(xì)合金，因而更適用于高溫合金、鈦合金、不銹鋼、各種噴涂(焊)材料、淬火鋼、冷硬鑄鐵等的加工。納米WC硬質(zhì)合金突破了普通硬質(zhì)合金的抗彎強(qiáng)度遠(yuǎn)比高速鋼低這個(gè)局限，其應(yīng)用已延伸到高速鋼占統(tǒng)治地位的領(lǐng)域。

(2)電子工業(yè)。電子工業(yè)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是小型化、集成化、精密化。集成電路板材質(zhì)是環(huán)氧樹脂粘結(jié)玻璃纖維或玻璃纖維增強(qiáng)的塑料。這就要求微型鉆頭有很高的硬度和耐磨性;而鉆頭直徑很小(一般0.2～0.3mm，甚至0.05mm)、易折斷，還要求鉆頭有高的強(qiáng)度和韌性：并且鉆孔需要正確的孔位精度，又要求鉆頭有高的剛度(彈性模量)，這些要求相互矛盾。致使普通硬質(zhì)合金以及亞微細(xì)晶粒硬質(zhì)合金鉆頭都難以滿足這些要求，只有用晶粒度小于0.5μm的納米晶粒硬質(zhì)合金才行。又如點(diǎn)陣打印針，其直徑僅有0.2-0.35mm；加工集成電路引線的框架用的多工位跳步模，沖頭厚度≤0.2mm,誤差僅為0.002mm；另外還有印刷電路板引線切頭用的圓片切刀，以及精密的小模具等，都要求使用納米晶粒WC硬質(zhì)合金來制作以實(shí)現(xiàn)其功能。

(3)木材加工。早在50年代，硬質(zhì)合金鑲尖工具就被用于木材加工行業(yè)。而今，各種材質(zhì)的板材的出現(xiàn)，對加工精度和外觀的要求大大提高，高速切割時(shí)的離心力、切削力使普通硬質(zhì)合金難以滿足加工要求，于是納米晶粒WC硬質(zhì)合金有了用武之地。

(4)醫(yī)學(xué)應(yīng)用。醫(yī)用牙鉆是精細(xì)儀器，其切口必須鋒利，而且要求具有很好的耐磨性和韌性，超細(xì)晶粒WC硬質(zhì)合金以其高強(qiáng)度、高韌性和耐磨性在這一領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

(5)其它應(yīng)用。納米晶粒WC硬質(zhì)合金由于其晶粒細(xì)小，作刀具可以磨出精度極高、鋒利的切削刃和刀尖圓弧半徑;因其高強(qiáng)度就可用于制作大前角、小進(jìn)給量和小吃刀量的精細(xì)刀具，如小直徑立銑刀、小鉸刀等；因其高彈性模量、抗磨擦磨損性能，可用于制作高精度模具、沖頭等；另外還可用于制作高耐磨、耐沖蝕工具，如高壓噴嘴、閥門、高壓槍、玻璃刀、紡織品切刀以及磁帶、錄相帶切刀等等。另外科學(xué)家們還正在研制圓形刀具、鑿巖刀具以及納米WC-Co基增強(qiáng)復(fù)合材料等。

因此開發(fā)納米WC硬質(zhì)合金和尋求更為廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域成為發(fā)展的熱點(diǎn)，而制備的關(guān)鍵技術(shù)在于納米原料粉末的制備及隨后的燒結(jié)過程。減小粒徑是提高WC-Co硬質(zhì)合金性能(強(qiáng)度、硬度和抗磨性鈞的有效途徑，因此研制納米晶硬質(zhì)合金是下階段研究者的開發(fā)重點(diǎn)，它將大大拓寬WC-Co硬質(zhì)合金的應(yīng)用領(lǐng)域，并因此帶動(dòng)各種精密儀器、模具、刀具及電子通信技術(shù)的飛速發(fā)展。

研制納米晶或納米結(jié)構(gòu)的WC-Co硬質(zhì)合金的關(guān)鍵是探索新型的制粉和燒結(jié)工藝，尤其是在抑制晶粒長大方面的研究，通過精減工藝，降低燒結(jié)溫度來進(jìn)一步降低成本，實(shí)現(xiàn)納米WC-Co硬質(zhì)合金的產(chǎn)業(yè)化。

我國的鎢和稀土礦資源十分豐富，鎢是生產(chǎn)硬質(zhì)合金的主要原料。我國是硬質(zhì)合金生產(chǎn)大國，但其產(chǎn)品平均售價(jià)比國外發(fā)達(dá)國家約低1～2倍，大部分產(chǎn)品仍屬于低技術(shù)含量和低附加值的初級產(chǎn)品。納米晶硬質(zhì)合金材料，具有優(yōu)異的力學(xué)性能，是目前國內(nèi)外材料研究和開發(fā)的熱點(diǎn)之一，也是硬質(zhì)合金工業(yè)發(fā)展的重要方向。但是，納米粉末在燒結(jié)過程中容易長大，致使獲得納米晶粒的硬質(zhì)合金變得困難。在硬質(zhì)合金中添加微量稀土元素，不僅可以抑制燒結(jié)過程中合金的晶粒長大，而且還能改善合金的力學(xué)性能，從而進(jìn)一步提高其產(chǎn)品使用壽命。

因此，充分利用好我國的鎢礦和稀土礦資源，研究和開發(fā)納米稀土硬質(zhì)合金粉末材料，對提高我國硬質(zhì)合金工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平，開發(fā)高質(zhì)量高附加值的深加工硬質(zhì)合金產(chǎn)品，具有十分重要的意義。2100433B

隨著世界進(jìn)入電子時(shí)代以及各種難加工材料的問世，納米硬質(zhì)合金的需求量愈來愈大，迄今為止世界上已有90多個(gè)納米硬質(zhì)合金牌號。

1.組織性能。納米晶硬質(zhì)合金的顯微組織非常細(xì)小，決定了其優(yōu)良的力學(xué)性能。但由于納米粉末的制備方法、燒結(jié)工藝不同。其顯微組織也各不相同。Jia等在1350℃燒結(jié)用噴霧轉(zhuǎn)化法制備的納米WC-Co粉末，得到納米硬質(zhì)合金WC晶粒尺寸約為70 nm，其晶粒的邊界與普通的硬質(zhì)合金相同，同樣是平直的邊界。但其位錯(cuò)密度反而明顯少于普通的硬質(zhì)合金。用不同的制備方法來制備的納米硬質(zhì)合金粉末，其粉末的顯微結(jié)構(gòu)有很大的不同，如采用化學(xué)法合成與機(jī)械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是機(jī)械球磨使晶粒發(fā)生較大的變形，而且堆積大量的位錯(cuò)。盡管燒結(jié)時(shí)位錯(cuò)大部分消除，但仍然有很高的位能。

2.力學(xué)性能。隨著粘結(jié)相自由程的減小，硬質(zhì)合金的維氏硬度顯著提高:當(dāng)鈷粘結(jié)相平均自由程為30 mn時(shí)，其維氏硬度高達(dá)2300kg/mm2以上。而且裂紋擴(kuò)展阻力也隨著提高，相應(yīng)提高合金的韌性。

3.刀具切削性能。納米晶硬質(zhì)合金制作的刀具產(chǎn)品具有非常優(yōu)異的使用性能。

2020年7月21日，《納米晶硬質(zhì)合金棒材》發(fā)布。

2021年6月1日，《納米晶硬質(zhì)合金棒材》實(shí)施。

主要起草單位：株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司、有色金屬技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院、崇義章源鎢業(yè)股份有限公司、廈門金鷺特種合金有限公司、南昌硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司。

主要起草人：袁軍文、梁鴻、吳艷華、黃帥、黃偉、陳邦明、凌芝、劉鐵梅、鄒建平、陳成藝、章秋霖。