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難加工材料利器：碳化鎢硬質合金的研究進展

2018-08-23 12:05:35 作者：谷雨來源：粉體圈分享至：

超細硬質合金由于碳化鎢顆粒與金屬粘結相的結合強度大、顯微結構細小，使其同時結合了陶瓷和金屬的特性，具有高韌性、高強度、高硬度。即便是在稍高的溫度下，超細晶硬質合金的硬度也不會明顯下降。由于其可制成鋒利的刃口，目前，該類材料不僅在難加工材料應用方面優勢明顯，而且在高科技領域也占有極其重要的地位，廣泛應用于各種微型工具和耐磨零件，比如電路板加工微型鉆等。

圖一碳化鎢顆粒和SEM圖（來源：網絡）

一、WC超細及納米粉體的制備技術

碳化鎢粉體一般的制備方法是碳熱還原法，但是這種方法有局限性，所制造的碳化鎢粉體為微米級的，不能進一步細化。近年來，碳化鎢粉體制備技術得到了充分的研究和開發，許多納米級粉體的制備技術被應用，如直接還原碳化技術、等離子體法、機械合金化技術、氣相碳化法等。

表一碳化鎢粉體制備技術

制備方法	原理	特點
直接碳化還原法	從鎢的氧化物中提取鎢并直接碳化	快速連續生產細而均勻的碳化鎢粉
機械合金化法	利用高能球磨下的機械驅動力、剪切力	低溫合成
等離子體法	通過等離子體加熱的方式，在高溫條件下原料分解然后重新組合	反應物轉化不完全、產品相組分較復雜、制備過程難于穩定和連續持久進行
氣相碳化法	金屬氣相和含碳氣體進行反應，發生碳化并生成金屬化合物	含碳量和粒度均可控制

二、超細硬質合金燒結技術

硬質合金的性能與其制造工藝密不可分，原材料性能當然是成品性能的根本，但不僅如此，成型、燒結工藝和設備因素也占據重要地位。眾多的制造過程中，最重要的工序莫過于燒結，這個特殊過程將直接決定制品的性能變化，合適的燒結工藝參數與燒結設備同種重要。在工業化生產當中，常用的燒結方法有氫氣燒結、真空燒結以及低壓燒結等。

表二碳化鎢超細硬質合金燒結技術

燒結技術	特點
氫氣燒結	爐體結構簡單，容易制造，生產成本低，碳管的升溫速度快，溫度高；但是溫度的控制精度差、波動大、燒結效率低下、浪費能源，爐管使用壽命短、產品容易滲碳
真空燒結	真空度高，可以使粘結相金屬鈷、鎳改善一定的金屬潤濕性，有利于液相的滲透和填充；能夠得到更為致密的燒結體，能夠有效提高產品密度；爐內氣氛穩定 , 產品不易滲碳和脫碳；真空燒結的產品不用填料隔開和保護，產品表面無粘附物和白亮的金屬鋁沉積物；產品質量明顯提高，使用壽命長；在真空狀態下，合金中的氧等氣體雜質容易排除，因而殘留孔隙較氫氣燒結時少
低壓燒結	有效消除孔隙，避免晶粒的過分長大，獲得更為均勻的粘結相分布

燒結技術

特點

氫氣燒結

爐體結構簡單，容易制造，生產成本低，碳管的升溫速度快，溫度高；但是溫度的控制精度差、波動大、燒結效率低下、浪費能源，爐管使用壽命短、產品容易滲碳

真空燒結

真空度高，可以使粘結相金屬鈷、鎳改善一定的金屬潤濕性，有利于液相的滲透和填充；能夠得到更為致密的燒結體，能夠有效提高產品密度；爐內氣氛穩定 , 產品不易滲碳和脫碳；真空燒結的產品不用填料隔開和保護，產品表面無粘附物和白亮的金屬鋁沉積物；

產品質量明顯提高，使用壽命長；在真空狀態下，合金中的氧等氣體雜質容易排除，因而殘留孔隙較氫氣

燒結時少

低壓燒結

有效消除孔隙，避免晶粒的過分長大，獲得更為均勻的粘結相分布

三、超細硬質合金的應用硬質合金主要應用

在切削刀具、礦用工具、模具和耐高壓高溫甩腔體等方面，其中切削刀具和礦用工具比例分別占到了硬質合金應用的33%和25%。切削刀具中，硬質合金主要作為刀具材料，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材以及難加工的材料等，切削加工主要依托機床來實現。礦用工具方面，硬質合金主要作為鑿巖工具、采掘工具、鉆探工具，在礦產、石油開采、基礎設施建設等方面發揮重要作用。

近年來，中國切削刀具對硬質合金的需求量逐年提升。2016年，切削刀具對硬質合金的需求量約為9686噸，較上年增長4.15%；地質礦山工具行業硬質合金需求量約為7512噸，同比增長4.39%。根據國家規劃，到2020年我國將成為汽車、大型飛機、船舶、電子元器件、大規模集成電路、高檔數控機床等關鍵成套設備和先進科學儀器的制造基地，這一切都將極大提升對切削刀具的需求。前瞻估算，到2023年，切削刀具對硬質合金需求量將達到13600噸左右；地質礦山工具對硬質合金的需求量將達到1萬噸左右。

圖二碳化鎢硬質合金的應用（來源：網絡）