硬质合金应用与发展前景

硬质合金应用与发展前景
刘咏
【期刊名称】《《中国金属通报》》
【年(卷),期】2010(000)031
【总页数】2页(P36-37)
【关键词】硬质合金; 发展前景; 金属化合物; 应用; 过渡族金属; 高弹性模量; 热膨胀系数; 工具材料
【作者】刘咏
【作者单位】中南大学粉末冶金国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TQ424.1
硬质合金是一种以难熔金属化合物（WC、TaC、TiC、NbC等）为基体，以过渡族金属（Co、Fe和Ni）为粘结相，采用粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。

由于其高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质稳定等优点，在金属切削工具、木材切削工具、石油矿山钻具、复合材料加工工具、冷成型工具，耐磨零件和热轧轧辊等方面有着重要的应用。

硬质合金概念最早的出现是在20世纪初，与制备钨丝的拉丝模有关，用来替代昂贵的金刚石模具。

1927年，德国Krupp公司将WC-6wt.% Co合金应用于切削工具，并命名为Widia（类金刚石），随后合金成分根据应用要求，增加了TiC, TaC, NbC, VC等组元，通过固溶强化大大改善了材料的切削性能。

虽然硬质合金
的发明和生产最初在德国进行，但该材料在美国、奥地利、瑞典等国家发展非常迅速。

瑞典的Sandvik公司是世界上最大的硬质合金生产厂家。

硬质合金发展的一
个重要的里程碑是在20世纪60年代。

采用化学气相沉积在硬质合金表面沉积
TiC涂层，显著提高了材料的硬度和耐磨性能，使得其切削寿命提高了3倍。

该技术在不断的改进，70年代出现了等离子化学气相沉积以及硬质合金表面的复合涂
层技术，一直到现在都是高档次硬质合金切削刀片的设计和生产方式。

涂层种类也越来越多，从简单的TiC涂层发展到了Ti(C.N)，Al2O3， TiN和金刚石涂层。

硬质合金刀具在结构上从焊接刀片方式向可转位刀片方式的转变也是一个重要的进步。

采用可转位刀片能够成倍的提高刀具的应用寿命，因为刀片的6个角（三角形刀片）或8个角（矩形刀片）均可用来工作。

长期以来，在矿用和模具用硬质合金
方面，技术进步主要依耐于材料制备设备的更新。

上世纪80年代开发的烧结热等静压设备，能够显著消除硬质合金中的残余孔隙。

由于孔隙是硬质合金在工作中发生失效的起源，孔隙的消除能够提高材料的疲劳寿命、抗冲击和耐磨损性能。

20
世纪90年代以来，随着制造工业和纳米材料的发展，硬质合金在微观结构和外形上都出现了新的形式。

在外形方面，硬质合金产品出现了异形复杂形状，如螺旋带内孔结构、微型钻头和模具、薄壁件等。

在微观结构方面，超细/纳米晶结构、梯
度结构以及超粗晶结构等，使得硬质合金的力学性能和使用寿命大幅提高。

随着科学技术的发展，硬质合金在制备和应用方面将会有更多的突破。

硬质合金产品从应用上基本可分为切削刀片、矿用工具和耐磨零件三大类。

在切削刀片方面，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，也可以用来切削耐热钢、不锈钢、高锰钢、工具钢等难加工的材料。

硬质合金刀具的切削速度是普通碳素钢的数百倍，可用于高速切削。

在切削方面的新应用是硬质合金可作为微型钻头，对印刷电路板进行微孔加工。

由于微型钻头的形状非常复杂、精度和性
能要求高，其价格也是普通硬质合金产品的数十倍。

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。

硬质合金耐磨零件主要包括金属成形和制造模具（如金刚石合成腔体中的顶锤）、气缸衬里、密封件、轴承和喷嘴等。

目前全世界每年硬质合金的总产量在4万吨左右，而中国占了大约50%，因此是硬质合金生产的大国。

但是，作
为附加值高的切削刀片，在发达国家，如日本、美国占其硬质合金总产量约70%，而中国仅25%，因此仍然需要大力提升技术水平和产品档次。

正如上所述，硬质合金的制备与应用技术还在不断发展，新材料新工艺不断涌现，硬质合金的性能也得到了不断的提升。

进入21世纪以来，硬质合金主要在以下几方面出现了新的进展。

超细/纳米晶硬质合金是指碳化物的晶粒度在1微米以下，而纳米晶更是指晶粒度
在0.15～0.2微米的合金。

由于材料的强度随着晶粒度的减小而增加，超细/纳米
晶硬质合金具有很高的强度和硬度，在加工硬脆材料（如铸铁）是显示了非常优异的切削性能，其使用寿命是普通硬质合金刀片的4-5倍。

由于晶粒细小，硬质合
金可以制备成非常精细的切削工具，如微型钻头，而保持优异的力学性能。

自1989年超细硬质合金出现以来，其应用非常广泛，产量也迅速增长，已经达到
1.5万吨左右，占整个硬质合金产量的40%左右。

超细/纳米晶硬质合金的关键技
术包括纳米复合粉体制备、快速致密化和抑制晶粒长大等。

在纳米复合粉体制备方面有很多方法，如喷雾转化、流化床法、直接碳化、化学共沉淀法和机械合金化法等。

在致密化方面主要是通过添加晶粒长大抑制剂，如VC、Cr2C3等，在较低温度短时间烧结。

也有采用一些快速致密化技术，如微波烧结、放电等离子烧结和热等静压等。

硬质合金主要利用了难熔金属化合物的高硬度、高耐磨损性能和良好的耐高温性能及粘结相良好的塑性和韧性。

这些特性使得硬质合金的一些性能之间存在矛盾，例
如，硬度和强度、韧性与耐磨损性能，因为很难同时提高硬质相和粘结相的含量。

功能梯度结构的出现为解决硬质合金韧性和耐磨性能的矛盾，拓广硬质合金的应用提供了有效的途径。

所谓功能梯度硬质合金是指其硬质相和粘结相在一定空间尺度上的分布呈梯度变化，从而使其性能的调节具有更大的自由度。

按照性能要求不同，功能梯度硬质合金的种类也较多。

二十世纪八十年代，瑞典山特维克(Sandvik)凿
岩工具公司开发出了这类功能梯度结构硬质合金，成功推出牌号为DP55、DP60
和DP65三个牌号的双相(DP)硬质合金。

这类合金一般呈现出类似于三明治的三
层结构，在合金的最外层和中间层均为WC+Co两相组织，内层为WC+Co+η三相显微组织。

最外层钴相含量低于合金的名义钴含量，具有很高的硬度和耐磨损性能；中间层钴相含量高于合金的名义含量，具有很好的韧性和塑性。

实验结果表明，DP合金耐磨损性能和韧性明显优于标准硬质合金。

例如，采用带DP55圆锥形球齿的φ45mm冲击钻头在钻进速度为1.96m/min下的平均寿命达到3121m，而标准硬质合金球齿的钻进速度和平均寿命分别为1.48m/min和1000m。

该技术
被誉为“硬质合金历史自1950 年代以来最重要的革新”。

上世纪90年代末，Sandvik又将该技术应用于金属切削用钻头，大幅提高了该类产品的寿命和切削效率。

另一类非常重要的梯度结构硬质合金是用于涂层刀片基体。

硬质合金刀片的微观组织通常包括WC、Co和β相。

β相是一种含钛的脆性相，可提高材料的硬度，但却降低了韧性。

涂层基体和涂层之间存在一定的物理、化学和力学性质的不相容性。

通过控制烧结和热处理气氛，能够在硬质合金刀片表面形成约50微米的无β相层，具有较好的韧性，并与涂层的结合强度高，大幅提高涂层刀片的抗崩韧性和切削寿命。

由于该工艺比较简单，现在大部分硬质合金涂层刀片基体都采用了这种梯度结构。

采用表面涂层是提高硬质合金刀片硬度和切削性能的有效途径。

表面涂层技术主要包括化学气相沉积和物理气相沉积。

在涂层结构方面，其发展趋势是不断减小涂层
厚度而增加层数，以提高涂层的结合强度和降低内应力。

在涂层成分方面，除了考虑硬度以外，还考虑到切削过程的润滑性能，因此在涂层结构中引入了新的组元，如MoSi2和类金刚石等。

每一个涂层本身添加其它合金元素，调整其微观结构，提高其韧性，如采用Al，Cr，Zr，和Y合金化等。

在涂层工艺方面，涂覆的温度
越来越低。

这主要是因为，较高的CVD 涂覆温度容易损伤硬质合金表面，并影响其内部显微组织。

因此，中温CVD，低压CVD、热丝CVD等新技术不断出现，
已经开发出了HfC/TiC，HfC/(Hf,Ti)C/TiC等单层或多层新型涂层。

同时，由于要求涂层向更高硬度、更长寿命发展，在结构和化学成分方面需要更大的灵活性，物理气相沉积（PVD）方法在硬质合金涂层制备方面的比重越来越大，在多组分多
层涂层制备方面也取得了重要进展。

采用PVD技术，开发出了TiN/VN，
TiN/NbN等氮化物纳米尺度超晶格涂层、钛基（Ti-Al-N、Ti-Hf-N、Ti-Zr-N）
和Cr基（Cr-Ni-N）等多组分超硬涂层。

目前PVD技术正朝着从单组分到多组分、单晶到多晶、非晶、纳米晶，从均质单层到多层、超晶格涂层、梯度涂层等方向发展。

超粗晶粒硬质合金是近几年出现的新方向，主要用于矿山和耐磨零件。

超粗晶粒硬质合金主要是指WC晶粒度在3.5微米以上的材料，国际上超粗WC晶粒尺寸达
到5-10微米。

该材料可用于截煤、切割岩石、铣刨沥青和混凝土等采矿和建筑工具（软岩工具）。

这些工具工作条件非常苛刻，工作温度接近1000C，伴随剧烈
的热震动、高磨损和疲劳，超过了常规硬质合金的力学性能和使用极限，因此需要发展WC晶粒度5-10微米的超粗WC-Co硬质合金。

硬质合金中WC晶粒越粗，则材料断裂韧性、耐磨性能和抗疲劳性能越好。

超粗晶粒硬质合金的关键技术是超粗WC原料的制备。

WC作为一种陶瓷颗粒，其晶粒在一定尺度上具有较高的稳
定性，很难长得很大。

而且，由于硬质合金合金的制备工艺中包括了 WC 与Co
长时间球磨混合，会进一步细化其晶粒尺寸。

目前超粗WC的制备主要方法包括
高温长时间碳化（1800～2000C）以及在铝热反应中添加晶粒生长剂，如含金属钾、钠、锂的盐类等。

由于超粗晶粒硬质合金的优异性能，其市场份额也越来越大，目前已经达到了总产量的10%。

硬质合金的发展还有很多新的方向，如为降低成本开发的新型粘结剂硬质合金、进一步提高性能的板状晶硬质合金以及节约资源的硬质合金回收技术等，都将为拓广硬质合金的应用和市场提供更多的契机。

通。