难加工材料利器：碳化钨硬质合金的研究进展

2018-08-23 12:05:35 作者：谷雨来源：粉体圈分享至：

超细硬质合金由于碳化钨颗粒与金属粘结相的结合强度大、显微结构细小，使其同时结合了陶瓷和金属的特性，具有高韧性、高强度、高硬度。即便是在稍高的温度下，超细晶硬质合金的硬度也不会明显下降。由于其可制成锋利的刃口，目前，该类材料不仅在难加工材料应用方面优势明显，而且在高科技领域也占有极其重要的地位，广泛应用于各种微型工具和耐磨零件，比如电路板加工微型钻等。

图一碳化钨颗粒和SEM图（来源：网络）

一、WC超细及纳米粉体的制备技术

碳化钨粉体一般的制备方法是碳热还原法，但是这种方法有局限性，所制造的碳化钨粉体为微米级的，不能进一步细化。近年来，碳化钨粉体制备技术得到了充分的研究和开发，许多纳米级粉体的制备技术被应用，如直接还原碳化技术、等离子体法、机械合金化技术、气相碳化法等。

表一碳化钨粉体制备技术

制备方法	原理	特点
直接碳化还原法	从钨的氧化物中提取钨并直接碳化	快速连续生产细而均匀的碳化钨粉
机械合金化法	利用高能球磨下的机械驱动力、剪切力	低温合成
等离子体法	通过等离子体加热的方式，在高温条件下原料分解然后重新组合	反应物转化不完全、产品相组分较复杂、制备过程难于稳定和连续持久进行
气相碳化法	金属气相和含碳气体进行反应，发生碳化并生成金属化合物	含碳量和粒度均可控制

二、超细硬质合金烧结技术

硬质合金的性能与其制造工艺密不可分，原材料性能当然是成品性能的根本，但不仅如此，成型、烧结工艺和设备因素也占据重要地位。众多的制造过程中，最重要的工序莫过于烧结，这个特殊过程将直接决定制品的性能变化，合适的烧结工艺参数与烧结设备同种重要。在工业化生产当中，常用的烧结方法有氢气烧结、真空烧结以及低压烧结等。

表二碳化钨超细硬质合金烧结技术

烧结技术	特点
氢气烧结	炉体结构简单，容易制造，生产成本低，碳管的升温速度快，温度高；但是温度的控制精度差、波动大、烧结效率低下、浪费能源，炉管使用寿命短、产品容易渗碳
真空烧结	真空度高，可以使粘结相金属钴、镍改善一定的金属润湿性，有利于液相的渗透和填充；能够得到更为致密的烧结体，能够有效提高产品密度；炉内气氛稳定 , 产品不易渗碳和脱碳；真空烧结的产品不用填料隔开和保护，产品表面无粘附物和白亮的金属铝沉积物；产品质量明显提高，使用寿命长；在真空状态下，合金中的氧等气体杂质容易排除，因而残留孔隙较氢气烧结时少
低压烧结	有效消除孔隙，避免晶粒的过分长大，获得更为均匀的粘结相分布

烧结技术

特点

氢气烧结

炉体结构简单，容易制造，生产成本低，碳管的升温速度快，温度高；但是温度的控制精度差、波动大、烧结效率低下、浪费能源，炉管使用寿命短、产品容易渗碳

真空烧结

真空度高，可以使粘结相金属钴、镍改善一定的金属润湿性，有利于液相的渗透和填充；能够得到更为致密的烧结体，能够有效提高产品密度；炉内气氛稳定 , 产品不易渗碳和脱碳；真空烧结的产品不用填料隔开和保护，产品表面无粘附物和白亮的金属铝沉积物；

产品质量明显提高，使用寿命长；在真空状态下，合金中的氧等气体杂质容易排除，因而残留孔隙较氢气

烧结时少

低压烧结

有效消除孔隙，避免晶粒的过分长大，获得更为均匀的粘结相分布

三、超细硬质合金的应用硬质合金主要应用

在切削刀具、矿用工具、模具和耐高压高温甩腔体等方面，其中切削刀具和矿用工具比例分别占到了硬质合金应用的33%和25%。切削刀具中，硬质合金主要作为刀具材料，如车刀、铣刀、刨刀、钻头、镗刀等，用于切削铸铁、有色金属、塑料、化纤、石墨、玻璃、石材和普通钢材以及难加工的材料等，切削加工主要依托机床来实现。矿用工具方面，硬质合金主要作为凿岩工具、采掘工具、钻探工具，在矿产、石油开采、基础设施建设等方面发挥重要作用。

近年来，中国切削刀具对硬质合金的需求量逐年提升。2016年，切削刀具对硬质合金的需求量约为9686吨，较上年增长4.15%；地质矿山工具行业硬质合金需求量约为7512吨，同比增长4.39%。根据国家规划，到2020年我国将成为汽车、大型飞机、船舶、电子元器件、大规模集成电路、高档数控机床等关键成套设备和先进科学仪器的制造基地，这一切都将极大提升对切削刀具的需求。前瞻估算，到2023年，切削刀具对硬质合金需求量将达到13600吨左右；地质矿山工具对硬质合金的需求量将达到1万吨左右。

图二碳化钨硬质合金的应用（来源：网络）