硬质合金生产工艺介绍2010

二、硬质合金发展
5）八十年代研制成功并迅速普及的低压热等静压技术是硬质合金生产技 术领域中突破性的进展，从而使低成本地生产十分接近理论致密度的硬质合 金产品成为现实。自1989年美国超高压公司研制成功的第一台低压热等静压 设备问世以来，在短短的几年内，该技术就取得了异常迅速的发展这种设备 几乎遍及世界各地，对整个硬质合金质量的提高起重要作用。进入八十年代 世界硬质合金工业发展的还一个特点是，硬质合金制品正在向精密化、小型 化方向发展，出现了微型麻花钻头、点阵打印针、精密工模具等高新技术产 品。切削工具尺寸精度的要求也越来越高，有的先进厂家已淘汰U级硬质合金 刀片精度标准，与此同时许多硬质合金模具尺寸精度已达到微米级、超微米 级，加之设备、生产线自动化、智能化，推动硬质合金工业不断朝着更新、
2、硬质合金技术发展趋势及研究开发重点 ：
7） 硬质合金基础理论研究：国外硬质合金技术发展迅速，是与 基础理论的研究扎实，深入分不开的。我国因体制、经费、研发力量 等各方面原因研究工作非常薄弱，很难产生原创性研究成果。为尽量 缩小与国外差距，要加快研究粉末的显微特性对粉体材料的物理力学 性能的影响，实现原料粉末产品质量加速升级；研究材料组分显微结 构对材料使用性能的影响，建立相应的新材料数据库，切实提高新产 品自主开发能力；研究合金烧结过程的致密化和物质迁移的控制规律， 以加速开发梯度功能材料、复合材料；研究硬质合金槽型系列化和牌 号优化，迅速形成有中国知识产权的高性能切削刀具系列产品等。基 础理论研究是战略性重要措施，虽难以急功近利，但确是振兴我国硬 质合金工业所不可缺少的工作。
二、硬质合金发展
4）进入80年代以来，世界硬质合金工业发展的突出特点是：一方面，涂层 硬质合金发展迅速，其产量大幅度增加，应用领域不断扩大，已成功地应用于 切削等重加工工序。著名硬质合金生产厂家如山特维克公司、肯纳公司、依斯 卡等的涂层刀片生产已占可转位刀片的85%以上。同时在涂层技术方面也取得 了较大进展，在进一步改进和完善传统的高温化学气相沉积方法的同时，还研 制成功并推广应用了中温化学气相沉积方法以及各种物理气相沉积方法和兼有 物理及化学气相沉积特点的等离子体化学气相沉积方法等。此外，在硬质合金 涂层基体方面，不仅研制出各种加工用的涂层专用基体，而且日本、瑞典等国 还开发出带富钴层或脱β 的涂层基体，从而明显地提高了涂层硬质合金的强度， 扩大了涂层硬质合金的应用范围。另一方面，70年代初出现超细合金，最早是 山特维克的R19，接着美国、日本的一些公司也相继推出超细硬质合金牌号。 随着电子工业、机械加工工业的迅速发展，推动超细硬质合金在八十年代迅速 发展，质量不断提高、产量不断扩大。1984年前后，日本住友电气公司试制出 了双高的AF1合金，硬度RA93.0，强度5000N/mm2，创世界之最，随后美国、瑞 典、德国等著名厂家也都相继开发出性能越来越好的超细硬质合金，对于许多 世界著名硬质合金厂家而言，超细硬质合金同高精度、高性能涂层硬质合金一 样是他们引以自豪的一类硬质合金产品。
硬质合金生产技术
主讲人：彭英健
二○一○年六月
一、主要内容：
1、硬质合金的发展介绍； 2、硬质合金生产工艺介绍；
二、硬质合金发展
1、硬质合金发展简述： 1）自1923年硬质合金作为一种重要的工具材料和结构材料问世以来，至今已 有八十多年的历史。十九世纪末叶，人们为了寻找新的材料来取代高速钢，以进 一步提高金属切削速度、降低加工成本和解决灯泡钨丝的拉拔等问题，开始了对 硬质合金的研究。早期的工作主要是着眼于各种难熔化合物，特别是碳化钨的研 究。从1893年以来，德国科学家就利用三氧化钨和糖在电炉中一起加热到高温的 方法制取出碳化钨，并试图利用其高熔点、高硬度等特性来制取拉丝模等，以便 取代金刚石材料，但由于碳化钨脆性大，易开裂和韧性低等原因，一直未能得到 工业应用。
2、硬质合金技术发展趋势及研究开发重点 ：
2 ）超细和纳米硬质合金开发：同样由于高精度、高性能硬质 合金整体刀具需求不断发展，以及因信息技术革命带来集成电路集 成度的不断提高对线路板微细孔加工的要求越来越高。以硬质合金 微钻为例，其直径小的已达φ 0.1mm，打印针尺寸也达到φ 0.8mm。 此类材料要求高硬度的同时要求高强度，HRA93.5的硬质合金其强度 可超过5000Mpa。这种需求有力推动超细、纳米硬质合金的开发，其 研究领域十分丰富，包括纳米级WC、纳米级WC—CO复合粉末以及相 关其它难熔金属碳化物、固溶体等制粉技术研究；纳米硬质合金生 产工艺技术及相关设备的研究；合金纳米涂层技术及设备研究；纳 米粉末和纳米合金分析、检测技术研究；以及相关的基础知识研究 等。研究的不断深入，为高性能超细及纳米硬质合金开发展示出良 好的前景。
2、硬质合金技术发展趋势及研究开发重点 ：
3）功能梯度材料：硬质合金的硬度和韧性是一对矛盾，两者的高度统一 是研究人员追求的目标。近几年研究人员通过研究硬质合金贫C（含富C） 结构，在可控气氛下烧结或通过熔体渗透以达到粘结相的分布按需要呈梯 度结构，使硬质合金复合韧性获得更好统一。该技术已经越来越多地应用 于凿岩工具、顶锤、涂层刀片基体等生产，使合金的性价比明显提高。目 前研究工作继续深入，据报道日本已经研究出表面TiC相对富集，WC颗粒向 中心迁移的特殊结构的金属陶瓷工具。这些研究成果为硬质合金质量不断 提高展示良好的前景，其市场前景近几年将有大的发展。
二、硬质合金发展
2 ）进入二十世纪二十年代，德国科学家 Karl Schroter研究发现纯碳化钨 不能适应拉拔过程中所形成的激烈的应力变化，只有把低熔点金属加入WC中才 能在不降低硬度的条件下，使毛坯具有一定的韧性。经过一年时间的努力。 Schroter于1923年首先提出了用粉末冶金的方法，即将碳化钨与少量的铁族金 属（铁、镍、钴）混合，然后压制成型并在高于1300℃温度下于氢气中烧结来 生产硬度合金的专利。他在专利中提出的工艺，实质上就是今天许多厂仍在采 用的WC—Co硬质合金生产工艺。1923年德国的krupp公司正式成批生产这种合 金，并以widia（类似金刚石）的商标在市场上销售。随后美国、奥地利、瑞 典、日本、原苏联和其他一些国家也相继生产硬质合金，于是硬质合金生产技 术开始得到迅速发展。起初，人们以为WC—Co硬质合金能加工各种材料，但很 快发现，在加工钢材时，这种合金很容易因扩散磨损而损坏。1929年还是德国 科学家研究发现，用两种以上的碳化物组成的固溶体比用单一的碳化物作为硬 质合金的基体更为优越，并提出了有关固溶体应用的专利。同年，德国的 krupp公司开始生产wc—Tic—Co的合金。1932年美国根据schroter及其同事专 利，也研究出 wc—Tic—Co 合金。不久科学家又研究出 wc—Tic—Tac—Co 合金， 从而使钢材加工问题得到妥善解决。
2、硬质合金技术发展趋势及研究开发重点 ：
5）硬质合金净成型技术：所谓硬质合金净成型技术包括高精 度模压技术、挤压成型技术、注射成型技术、粉末轧制技术、粉 浆浇注技术等。这些技术与硬质合金生产高效以及应用领域不断 拓展紧密相关。比如，近几年注射成型技术发展很快，在我国也 不例外。该技术能制造出形状复杂，且非常接近产品最终尺寸的 产品，在硬质合金整体螺旋铣刀、整体球形铣刀、整体合金钻头， 特别在装饰用硬质合金，如表链、表壳、钓鱼坠子、高档钮扣， 以及部分形状复杂硬质合金制品开发等应用越来越多。净成型技 术研究涉及研究内容也很多，特别是成型剂以及成型剂去除技术、 模具设计制造技术等。该技术的深入研究，将使硬质合金许多产 品高效生产以及应用领域不断拓宽起很好作用。
2、硬质合金技术发展趋势及研究开发重点 ：
6）硬质合金生产技术和工艺装备不断创新：随着科学技术和现 代工业的迅速发展，新型工程材料对现代工具材料的要求也越来越 高，为满足这一要求并不断开拓新的应用领域，硬质合金的质量必 将进一步提高，产品品种必将进一步扩大。在这种形势下，硬质合 金生产技术和工艺装备也必将不断创新。80年代以来至今许多新技 术、新装备不断涌现，诸如高温自蔓燃合成技术、等离子体制粉新 技术、复合粉末制取技术、微波烧结技术、生产工艺精确控制技术、 压力烧结技术、等静锻压技术、新型化学和物理气相沉积涂层技术， 以及硬质合金各种强化处理技术等。这些技术正在或有可能在硬质 合金生产中得到推广应用。随着时间推移，硬质合金新的生产技术 和工艺装备还将不断得发重点 ：
4）新型工具材料发展迅猛：金属陶瓷、非金属陶瓷和超硬工具材料 尽管不属于硬质合金范畴，但由于具有极其优异的性能，尤其是在某些 方面明显优于硬质合金并可在一定的范围内取代硬质合金。因此这些材 料的发展将有利于硬质合金工具材料的延伸，有利于钨、钴、钽等重要 战略资源的合理使用。在部分特殊材料加工以及高速精加工中，金属陶 瓷、非金属陶瓷刀具、立方氮化硼、聚晶金刚石和金刚石涂层刀具等在 国外已经得到快速发展和应用。研究正朝着超细纳米结构、晶须（纤维） 增韧复合陶瓷、带压烧结新技术应用等方面发展。可以预见其适用范围 随着材料性能的不断提高将部分替代硬质合金，起到提高切削效率和节 约宝贵钨资源的重要作用。目前世界上许多国家都加紧这类材料的研究 开发和推广应用。根据资料报导，在日本金属陶瓷刀具已占可转位刀具 的三分之一。陶瓷刀具材料不用钴或少用钴，这对钴资源相对贫乏的我 国，无疑也是应该加大力度研究开发的一个方向。
二、硬质合金发展
3）二次世界大战后，人们开始研究可转位硬质合金刀具。使用这种刀具无 需焊接，可随时调换刀头，刀杆可长期使用，其经济效果十分显著，是硬质合 金工业的重大进展之一。六十年代末期，西德krupp公司成功地研制了涂层硬质 合金，它的出现是硬质合金生产技术的又一重大进展。这种用化学气相沉积的 方法，把普通的硬质合金刀片涂上薄薄的一层硬质化合物（如Tic、TiN等）而 得到的涂层刀片，在高速下切削铸铁和钢材时，可以比未涂层的硬质合金刀片 寿命增加好几倍，而且切削速度可以提高（25～30）%左右，因此它不久就获得 了广泛的工业应用。目前世界上在所出售的可转位刀具中大约有一大半是使用 涂层硬质合金。随着科学技术的发展，硬质合金的用途愈来愈广泛，人们对硬 质合金的性能要求也愈来愈高。因此在硬质合金领域除开展一些基础理论研究 外，更多精力是集中在生产技术和工艺装备的改进创新上。六十年代末期研究 开发并引入硬质合金生产领域中的热等静压技术，是硬质合金科研的一项重大 成果。用这种方法生产的合金，其孔隙度极低，韧性、断裂应力和抗冲击性均 有很大提高。七十年代移植到硬质合金生产领域中的喷雾干燥技术也是一项重 大的科研成果。