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1、超细晶粒WC硬质合金的研制动态3邵刚勤 吴伯麟 魏明坤 袁润章(武汉工业大学) 摘 要: 论述了超细晶粒WC硬质合金经历的从普通合金、亚微细晶粒合金到超细乃至纳米晶粒合金三大发展阶段,它们在金属加工、电子工业、木材加工、医学等领域的主要应用,以及有关的粉末原料和合金的最新研制动态。关键词: WC硬质合金; 超细晶粒硬质合金; 动态中图法分类号: TF123.7收稿日期:.邵刚勤:男,1965年生,副研究员;武汉:武汉工业大学材料复合新技术国家重点实验室().3国家“863”九五研究项目(20010).碳化钨(WC)硬质合金因其特殊的耐磨蚀、高
2、硬度、优良的断裂韧性和抗压强度使它们在切削工具、模具、矿山工具及耐磨零部件等领域得以广泛应用。WC硬质合金性能的提高主要在于晶粒粒度的减小,其关键技术在于原料粉末的制备及合金的烧成。超细晶粒硬质合金与普通硬质合金的主要区别在于晶粒达到超细(<0.5Λm),原料粉末达到纳米级(<0.1Λm)。WC硬质合金的晶粒越细,缺陷越小,粘结相如Co的的平均自由程减小,抗弯强度和硬度就都能保持较高值。实际上,当其它一切条件等同的情况下,WC硬质合金的每一项性能——硬度、模量、耐磨性、抗压强度等都随着硬质成分(碳化物)的平均粒度变小、粒度分布变窄而得到增强。
3、同样地,虽然在烧结温度下呈液态,粘结相金属的弥散性也因较细原材料而得到改善。1 WC硬质合金发展阶段从1923年德国人Schroβter首先采用粉末冶金方法生产WC硬质合金以来,WC硬质合金经历了普通合金、亚微细(0.5～1Λm)晶粒合金、超细(0.1～0.5Λm)乃至纳米(<0.1Λm)晶粒合金三大发展阶段[1]。从20年代至60年代,硬质合金工业尚处于不断完善和发展阶段,人们还仅局限于普通WC硬质合金的研制和开发。为解决高温合金等宇航材料及其它难加工材料的切削加工,1968年瑞典可洛满厂首先研制了R1P亚微细合金牌号,随后美国、日本、原苏
4、联、原西德、中国也相继开发出了大批亚微细合金。70年代至80年代是以亚微细晶粒WC硬质合金为主的发展阶段,人们从原始粉料生产、抑晶剂的使用入手,对合金烧结过程中的晶粒长大问题进行了广泛的研制,开发出了一系列有关的合金。如1973年,日本的Sumitomo制备出了晶粒度小于0.7Λm,硬度达2050HV的合金。同时,一些新工艺、新设备的普及,为现代超细晶粒WC硬质合金的发展打下了基础。随着现代科技的发展,特别是随着超大规模集成电路和计算机技术的发展,传统合金已失去竞争力,为满足制造微型钻头、打印针头、精密工模具、特殊刀具等的需要,一些国家于80
5、年代中后期研制出了超细晶粒WC硬质合金,如日本住友公司的AF1,德国维迪阿公司的THM2F,THR2F,德国赫尔特公司的KMF,原苏联的XTM等合金牌号。2 超细晶粒WC硬质合金的应用超细晶粒WC硬质合金主要用于制作集成电路板微型钻头、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密工模具、牙钻、难加工材料刀具等。其主要应用可概括为以下几个方面[2]:2.1 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,现代超细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(
6、焊)材料、淬火钢、冷硬铸铁等的加工。超细WC硬质合金突破了普通硬质合金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。2.2 电子工业电子工业产品的发展趋势是向小型化、集成化、精密化发展。集成电路板的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
7、用晶粒度小于0.5Λm的超细晶粒硬质合金才行。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圆片切刀,以及精密的小模具等,都要求使用超细晶粒WC硬质合金来制作以实现其功能。2.3 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,于是超细晶粒WC硬质合金有了用武之地。2.4 医学应用医用牙钻是精细仪器,
8、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。2.5 其它应用超细晶粒WC硬质合金由于其晶
