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碳化钨硬质合金研究进展
2018年08月21日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:4880
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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

 

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%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)

 

参考文献:

1、董学涛,纳米 WC-8( FeCoNi) RE硬质合金研究,西华大学

2、易忠来,超细碳化钨基硬质合金粉末及材料的直接还原碳化技术,武汉理工大学 

3、钟海云,李荐,戴艳阳,纳米碳化钨粉的研究及应用开发动态,稀有金属与硬质合金

4、高晓菊1,2,满 2,汪海东2,白荣2,李国斌2,张涛2,碳化钨硬质合金制备技术研究进展,1、西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室,2、中国兵器工业第五二研究所烟台分所

 

作者:谷雨


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