納米晶硬質(zhì)合金的組織性能及應用

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：4586

物理學界的研究認為，當材料顆粒不斷減小，直到進入凝聚態(tài)物理學中的特征長度，如電子的波長，平均自由程長度，將會出現(xiàn)一種物理極限。這時，很多傳統(tǒng)的物理規(guī)律將不復存在，而出現(xiàn)光、電、磁、化學、機械性能的奇異變化，構成全新的“介觀物理”領域。這時，材料穎粒尺度在100nm以下，直到接近于原子尺寸0.2nm～0.3nm，這種材料被稱為“納米材料”。
硬質(zhì)合金是一種重要的刀具材料和模具材料，對工業(yè)的發(fā)展和社會的進步有著舉足輕重的作用。但硬質(zhì)合金是脆性材料，其硬度和強度之間存在著矛盾:硬度高則強度偏低，而強度高則硬度偏低。緩和兩者矛盾使二者有效結合起來是人們一直努力的方向。1984年德國科學家H.Gleiter首次成功研制出納米晶體材料，這一成果開辟了材料史的新紀元，世界眾多科學家競相對這一“新材料”進行廣泛而深入的研究。研究發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金中，在鈷相含量不變的情況下，當WC晶粒降到1µm以下時，硬質(zhì)合金的硬度和強度同時提高，而且這一提高的幅度隨著晶粒度進一步減小而更加明顯。當顯微結構的尺寸減小到5nm時。合金的性能會發(fā)生突變，這為解決硬質(zhì)合金硬度和強度之間的矛盾提供了一種有效途徑。納米晶硬質(zhì)合金是納米材料中的一個分支，是繼發(fā)現(xiàn)納米晶的陶瓷材料在具有較高硬度的同時又具有高的斷裂韌性和延展性后，用納米級的WC/Co粉末作原料，生產(chǎn)出的具有高硬度、高耐磨性和高韌性的硬質(zhì)合金材料。納米級硬質(zhì)合金的出現(xiàn)是硬質(zhì)合金領域中的一場革命，由于這種合金具有納米級的顯微結構，因此具有極高的硬度和韌性，從而實現(xiàn)了過去難以達到的力學性能。納米級硬質(zhì)合金的問世，為硬質(zhì)合金在切削刀具，印刷板電路鉆頭等方面的發(fā)展提供了嶄新的前景。
習慣上人們把WC晶粒在1µ左右的合金稱為細晶粒硬質(zhì)合金，把小于1µ而在0.5µ左右的合金稱為納米晶硬質(zhì)合金。Co含量在10%以下的納米合金的耐磨性是普通合金的3～10倍，10%～20%Co的高鈷合金，用于電子工業(yè)集成電路板的微型鉆，其壽命超過高速鋼的50倍。隨著世界進入電子時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多個納米硬質(zhì)合金牌號。

1 納米晶硬質(zhì)合金顯微組織和力學性能



  1. 顯微組織
    納米晶硬質(zhì)合金的顯微組織非常細小，決定了其優(yōu)良的力學性能。但由于納米粉末的制備方法、燒結工藝不同。其顯微組織也各不相同。Jia等在1350℃燒結用噴霧轉(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，其粉末的顯微結構有很大的不同，如采用化學法合成與機械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是機械球磨使晶粒發(fā)生較大的變形，而且堆積大量的位錯。盡管燒結時位錯大部分消除，但仍然有很高的位能。

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

  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。比如RTW公司制造的印刷電路板納米硬質(zhì)合金鉆頭與普通硬質(zhì)合金鉆頭相比較，鉆相同數(shù)量的微孔時其磨損量小很多。

2 在硬質(zhì)合金領域，納米技術的一些開發(fā)和應用方向



  1. 納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā)
    納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā)可歸納如下幾方面:(1)納米晶硬質(zhì)合金的研制打破了常規(guī)硬質(zhì)合金生產(chǎn)中的一些定律，即硬度提高必然伴隨韌性下降的結論。(2)研究和開發(fā)還處在初級階段、工藝與技術有待完善和創(chuàng)新，批量生產(chǎn)還有待突破。(3)根據(jù)WC-Co的納米尺度來推斷產(chǎn)品的晶粒度和性能的理論已起步。(4)納米WC-Co硬質(zhì)合金材料燒結過程中晶粒長大迅速，材料中很易出現(xiàn)致密度不高、晶粒粗大。有關添加晶粒生長抑制劑防止燒結過程中晶粒瘋長的報導文獻較多，但有關低溫燒結納米硬質(zhì)合金的報導不多。(5)對于納米材料晶界的研究多為表象研究，尚未形成明確、深刻、系統(tǒng)的理論，而且對于納米WC-Co硬質(zhì)合金材料晶界作用機理的研究報道很少。(6)納米WC-Co硬質(zhì)合金的燒結工藝的改進和創(chuàng)新，以及對其燒結特性、燒結機理的研究是今后研究的重點。
    納米晶或納米結構以下的硬質(zhì)合金，將是本世紀的開發(fā)重點，會是一次技術革命。目前，將是重點對描述納米晶硬質(zhì)合金的專業(yè)名詞術語進行標準化構想，對晶粒尺寸進行預測，能對硬度和磁性能推導出一個理想模型。對一些合適的經(jīng)驗公式講行規(guī)范化整理，晶粒尺寸測量標準化。
    未來納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā)，無金屬粘接相的合金開發(fā)將是熱門。具有高度催化制造WC-Co復合超微粉的構造系統(tǒng)將最有前途。納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā)將給人類帶來巨大的效益。納米晶硬質(zhì)合金的產(chǎn)業(yè)化即將來臨。

  2. 納米晶硬質(zhì)合金的應用
    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度被廣泛應用于現(xiàn)代科技各個領域，己被制成加工集成電路板的微型鉆頭、點陣打印機打印針頭、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。其主要應用概括為以下幾個方面：
    (1)金屬加工 當初，亞微細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)合金在強度和韌性方面優(yōu)于亞微細合金，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)合金的抗彎強度遠比高速鋼低這個局限，其應用已延伸到高速鋼占統(tǒng)治地位的領域。
    (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)氧樹脂粘結玻璃纖維或玻璃纖維增強的塑料。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)學應用 醫(yī)用牙鉆是精細儀器，其切口必須鋒利，而且要求具有很好的耐磨性和韌性，超細晶粒WC硬質(zhì)合金以其高強度、高韌性和耐磨性在這一領域得到廣泛的應用。
    (5)其它應用 納米晶粒WC硬質(zhì)合金由于其晶粒細小，作刀具可以磨出精度極高、鋒利的切削刃和刀尖圓弧半徑;因其高強度就可用于制作大前角、小進給量和小吃刀量的精細刀具，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。另外科學家們還正在研制圓形刀具、鑿巖刀具以及納米WC-Co基增強復合材料等。因此開發(fā)納米WC硬質(zhì)合金和尋求更為廣闊的應用領域成為發(fā)展的熱點，而制備的關鍵技術在于納米原料粉末的制備及隨后的燒結過程。減小粒徑是提高WC-Co硬質(zhì)合金性能(強度、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，它將大大拓寬WC-Co硬質(zhì)合金的應用領域，并因此帶動各種精密儀器、模具、刀具及電子通信技術的飛速發(fā)展。研制納米晶或納米結構的WC-Co硬質(zhì)合金的關鍵是探索新型的制粉和燒結工藝，尤其是在抑制晶粒長大方面的研究，通過精減工藝，降低燒結溫度來進一步降低成本，實現(xiàn)納米WC-Co硬質(zhì)合金的產(chǎn)業(yè)化。

3 發(fā)展與展望


在硬質(zhì)合金生產(chǎn)中，新技術不斷出現(xiàn)。其中微波的應用，就是明顯的例證。微波能與粉末物質(zhì)相互作用，在物質(zhì)內(nèi)部產(chǎn)生熱。這種熱是通過電磁場與物質(zhì)的分子和電子相互作用而產(chǎn)生的。德國埃森市維迪亞硬質(zhì)合金研究所開發(fā)了硬質(zhì)合金的微波燒結技術。匈牙利科學院的研究人員開發(fā)了仲鎢酸銨的微波干燥和脫水技術。實驗研究結果表明，微波燒結的特點是能激發(fā)物料的離子化和諸如交互置換、氧化、相變等物理化學過程，促使物料中的礦物產(chǎn)生結構變化，令燒結反應能在短時間內(nèi)完成。
納米材料制備技術和應用技術是納米晶硬質(zhì)合金的制備和應用的基礎，因此納米粉的制備技術一直深受全球的關注，許多國家都在這方面投入了大量的人力和物力。雖然現(xiàn)在納米粉的制備方法多種多樣，而且還不斷有新的制備技術出現(xiàn)，但這些方法都存在這樣或那樣的不足。這是由于目前納米技術的研究還過于基礎，尤其是納米粉的制備特別具有交叉性，需要物理、化學、生物、表面及工程等眾多學科的知識，這就要求各學科工作者的共同參與。今后的研究重點應是尋求行之有效的各種高純均勻納米粉的制備方法，并使之工業(yè)化。另外，不管搞什么科技研究與開發(fā)最終的目標都是服務于社會，所以開發(fā)與推廣納米粉的應用也是今后工作的重點。實驗裝備和技術的革新與改進是完善納米粉制備技術的手段，制備工藝與方法的發(fā)展與成本的降低是增強納米粉應用的前提，應用技術的開發(fā)是納米粉服務于社會的途徑。相信在不久的將來會有更完善、更有效的納米粉制備技術出現(xiàn)，會有大量結構合理、性能優(yōu)異的納米粉應用于實踐。
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)品平均售價比國外發(fā)達國家約低1～2倍，大部分產(chǎn)品仍屬于低技術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)異的力學性能，是目前國內(nèi)外材料研究和開發(fā)的熱點之一，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，不僅可以抑制燒結過程中合金的晶粒長大，而且還能改善合金的力學性能，從而進一步提高其產(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。

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