纳米晶硬质合金的组织性能及应用

物理学界的研究认为,当材料颗粒不断减小,直到进入凝聚态物理学中的特征长度,如电子的波长,平均自由程长度,将会出现一种物理极限。这时,很多传统的物理规律将不复存在,而出现光、电、磁、化学、机械性能的奇异变化,构成全新的“介观物理”领域。这时,材料颖粒尺度在100nm以下,直到接近于原子尺寸0.2nm～0.3nm,这种材料被称为“纳米材料”。

硬质合金是一种重要的刀具材料和模具材料,对工业的发展和社会的进步有着举足轻重的作用。但硬质合金是脆性材料,其硬度和强度之间存在着矛盾:硬度高则强度偏低,而强度高则硬度偏低。缓和两者矛盾使二者有效结合起来是人们一直努力的方向。1984年德国科学家H.Gleiter首次成功研制出纳米晶体材料,这一成果开辟了材料史的新纪元,世界众多科学家竞相对这一“新材料”进行广泛而深入的研究。研究发现,硬质合金中,在钴相含量不变的情况下,当WC晶粒降到1µm以下时,硬质合金的硬度和强度同时提高,而且这一提高的幅度随着晶粒度进一步减小而更加明显。当显微结构的尺寸减小到5nm时。合金的性能会发生突变,这为解决硬质合金硬度和强度之间的矛盾提供了一种有效途径。纳米晶硬质合金是纳米材料中的一个分支,是继发现纳米晶的陶瓷材料在具有较高硬度的同时又具有高的断裂韧性和延展性后,用纳米级的WC/Co粉末作原料,生产出的具有高硬度、高耐磨性和高韧性的硬质合金材料。纳米级硬质合金的出现是硬质合金领域中的一场革命,由于这种合金具有纳米级的显微结构,因此具有极高的硬度和韧性,从而实现了过去难以达到的力学性能。纳米级硬质合金的问世,为硬质合金在切削刀具,印刷板电路钻头等方面的发展提供了崭新的前景。

习惯上人们把WC晶粒在1µ左右的合金称为细晶粒硬质合金,把小于1µ而在0.5µ左右的合金称为纳米晶硬质合金。Co含量在10%以下的纳米合金的耐磨性是普通合金的3～10倍,10%～20%Co的高钴合金,用于电子工业集成电路板的微型钻,其寿命超过高速钢的50倍。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纳米晶硬质合金显微组织和力学性能

显微组织

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70nm,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。

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30mn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。

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。比如RTW公司制造的印刷电路板纳米硬质合金钻头与普通硬质合金钻头相比较,钻相同数量的微孔时其磨损量小很多。

2在硬质合金领域,纳米技术的一些开发和应用方向

纳米晶硬质合金的开发

纳米晶硬质合金的开发可归纳如下几方面:

(1)纳米晶硬质合金的研制打破了常规硬质合金生产中的一些定律,即硬度提高必然伴随韧性下降的结论。

(2)研究和开发还处在初级阶段、工艺与技术有待完善和创新,批量生产还有待突破。

(3)根据WC-Co的纳米尺度来推断产品的晶粒度和性能的理论已起步。

(4)纳米WC-Co硬质合金材料烧结过程中晶粒长大迅速,材料中很易出现致密度不高、晶粒粗大。有关添加晶粒生长抑制剂防止烧结过程中晶粒疯长的报导文献较多,但有关低温烧结纳米硬质合金的报导不多。

(5)对于纳米材料晶界的研究多为表象研究,尚未形成明确、深刻、系统的理论,而且对于纳米WC-Co硬质合金材料晶界作用机理的研究报道很少。

(6)纳米WC-Co硬质合金的烧结工艺的改进和创新,以及对其烧结特性、烧结机理的研究是今后研究的重点。

纳米晶或纳米结构以下的硬质合金,将是本世纪的开发重点,会是一次技术革命。目前,将是重点对描述纳米晶硬质合金的专业名词术语进行标准化构想,对晶粒尺寸进行预测,能对硬度和磁性能推导出一个理想模型。对一些合适的经验公式讲行规范化整理,晶粒尺寸测量标准化。

未来纳米晶硬质合金的开发,无金属粘接相的合金开发将是热门。具有高度催化制造WC-Co复合超微粉的构造系统将最有前途。纳米晶硬质合金的开发将给人类带来巨大的效益。纳米晶硬质合金的产业化即将来临。

null

声明：本网站所收集的部分公开资料来源于互联网，转载的目的在于传递更多信息及用于网络分享，并不代表本站赞同其观点和对其真实性负责，也不构成任何其他建议。本站部分作品是由网友自主投稿和发布、编辑整理上传，对此类作品本站仅提供交流平台，不为其版权负责。如果您发现网站上所用视频、图片、文字如涉及作品版权问题，请第一时间告知，我们将根据您提供的证明材料确认版权并按国家标准支付稿酬或立即删除内容，以保证您的权益！联系电话：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。