纳米晶硬质合金应用

纳米WC-Co硬质合金，因其特殊的耐磨蚀、高硬度，以及优异的断裂韧性和抗压强度被广泛应用于现代科技各个领域，己被制成加工集成电路板的微型钻头、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙钻、难加工材料刀具等。其主要应用概括为以下几个方面：

(1)金属加工。当初，亚微细WC硬质合金的开发是为了解决高温合金等难加工材料的切削加工的需要，现代纳米WC硬质合金在强度和韧性方面优于亚微细合金，因而更适用于高温合金、钛合金、不锈钢、各种喷涂(焊)材料、淬火钢、冷硬铸铁等的加工。纳米WC硬质合金突破了普通硬质合金的抗弯强度远比高速钢低这个局限，其应用已延伸到高速钢占统治地位的领域。

(2)电子工业。电子工业产品的发展趋势是小型化、集成化、精密化。集成电路板材质是环氧树脂粘结玻璃纤维或玻璃纤维增强的塑料。这就要求微型钻头有很高的硬度和耐磨性;而钻头直径很小(一般0.2～0.3mm，甚至0.05mm)、易折断，还要求钻头有高的强度和韧性：并且钻孔需要正确的孔位精度，又要求钻头有高的刚度(弹性模量)，这些要求相互矛盾。致使普通硬质合金以及亚微细晶粒硬质合金钻头都难以满足这些要求，只有用晶粒度小于0.5µm的纳米晶粒硬质合金才行。又如点阵打印针，其直径仅有0.2-0.35mm；加工集成电路引线的框架用的多工位跳步模，冲头厚度≤0.2mm,误差仅为0.002mm；另外还有印刷电路板引线切头用的圆片切刀，以及精密的小模具等，都要求使用纳米晶粒WC硬质合金来制作以实现其功能。

(3)木材加工。早在50年代，硬质合金镶尖工具就被用于木材加工行业。而今，各种材质的板材的出现，对加工精度和外观的要求大大提高，高速切割时的离心力、切削力使普通硬质合金难以满足加工要求，于是纳米晶粒WC硬质合金有了用武之地。

(4)医学应用。医用牙钻是精细仪器，其切口必须锋利，而且要求具有很好的耐磨性和韧性，超细晶粒WC硬质合金以其高强度、高韧性和耐磨性在这一领域得到广泛的应用。

(5)其它应用。纳米晶粒WC硬质合金由于其晶粒细小，作刀具可以磨出精度极高、锋利的切削刃和刀尖圆弧半径;因其高强度就可用于制作大前角、小进给量和小吃刀量的精细刀具，如小直径立铣刀、小铰刀等；因其高弹性模量、抗磨擦磨损性能，可用于制作高精度模具、冲头等；另外还可用于制作高耐磨、耐冲蚀工具，如高压喷嘴、阀门、高压枪、玻璃刀、纺织品切刀以及磁带、录相带切刀等等。另外科学家们还正在研制圆形刀具、凿岩刀具以及纳米WC-Co基增强复合材料等。

因此开发纳米WC硬质合金和寻求更为广阔的应用领域成为发展的热点，而制备的关键技术在于纳米原料粉末的制备及随后的烧结过程。减小粒径是提高WC-Co硬质合金性能(强度、硬度和抗磨性钧的有效途径，因此研制纳米晶硬质合金是下阶段研究者的开发重点，它将大大拓宽WC-Co硬质合金的应用领域，并因此带动各种精密仪器、模具、刀具及电子通信技术的飞速发展。

随着世界进入电子时代以及各种难加工材料的问世，纳米硬质合金的需求量愈来愈大，迄今为止世界上已有90多个纳米硬质合金牌号。

1.组织性能。纳米晶硬质合金的显微组织非常细小，决定了其优良的力学性能。但由于纳米粉末的制备方法、烧结工艺不同。其显微组织也各不相同。Jia等在1350℃烧结用喷雾转化法制备的纳米WC-Co粉末，得到纳米硬质合金WC晶粒尺寸约为70 nm，其晶粒的边界与普通的硬质合金相同，同样是平直的边界。但其位错密度反而明显少于普通的硬质合金。用不同的制备方法来制备的纳米硬质合金粉末，其粉末的显微结构有很大的不同，如采用化学法合成与机械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是机械球磨使晶粒发生较大的变形，而且堆积大量的位错。尽管烧结时位错大部分消除，但仍然有很高的位能。

2.力学性能。随着粘结相自由程的减小，硬质合金的维氏硬度显著提高:当钴粘结相平均自由程为30 mn时，其维氏硬度高达2300kg/mm²以上。而且裂纹扩展阻力也随着提高，相应提高合金的韧性。

3.刀具切削性能。纳米晶硬质合金制作的刀具产品具有非常优异的使用性能。

研制纳米晶或纳米结构的WC-Co硬质合金的关键是探索新型的制粉和烧结工艺，尤其是在抑制晶粒长大方面的研究，通过精减工艺，降低烧结温度来进一步降低成本，实现纳米WC-Co硬质合金的产业化。

我国的钨和稀土矿资源十分丰富，钨是生产硬质合金的主要原料。我国是硬质合金生产大国，但其产品平均售价比国外发达国家约低1～2倍，大部分产品仍属于低技术含量和低附加值的初级产品。纳米晶硬质合金材料，具有优异的力学性能，是目前国内外材料研究和开发的热点之一，也是硬质合金工业发展的重要方向。但是，纳米粉末在烧结过程中容易长大，致使获得纳米晶粒的硬质合金变得困难。在硬质合金中添加微量稀土元素，不仅可以抑制烧结过程中合金的晶粒长大，而且还能改善合金的力学性能，从而进一步提高其产品使用寿命。

因此，充分利用好我国的钨矿和稀土矿资源，研究和开发纳米稀土硬质合金粉末材料，对提高我国硬质合金工业生产技术水平，开发高质量高附加值的深加工硬质合金产品，具有十分重要的意义。2100433B

2020年7月21日，《纳米晶硬质合金棒材》发布。

2021年6月1日，《纳米晶硬质合金棒材》实施。

主要起草单位：株洲硬质合金集团有限公司、有色金属技术经济研究院、崇义章源钨业股份有限公司、厦门金鹭特种合金有限公司、南昌硬质合金有限责任公司。

主要起草人：袁军文、梁鸿、吴艳华、黄帅、黄伟、陈邦明、凌芝、刘铁梅、邹建平、陈成艺、章秋霖。