WC-Co纳米晶的制备

粉体工程课程设计

WC-Co纳米晶的制备

吉林大学

材料学院 420902班

组长：张少林

组员：曹甫、朱欢、陈恺、李梦欣

硬质合金中WC-Co纳米晶的制备

摘要本文综述了WC-Co纳米晶硬质合金的特点和发展历程、现状

及应用领域，重点介绍了WC-Co纳米晶的制备方法及工艺，提出了

一种新的WC-Co纳米晶粉末的制备方法，介绍了一些最新的科技成果，并对其发展前景作出了展望。

前言在所有的硬质合金中,碳化钨(WC) 占据着相当突出的地位,约

98 %以上的硬质合金中都含有WC ,其中50 %以上是纯的WC-Co合金[1]。纳米硬质合金是以纳米级的WC 粉末为基础原料,在添加适当粘

结剂和晶粒长大抑制剂的条件下,生产出的具有高硬度、高强度、高

韧性的硬质合金材料,其性能比常规硬质合金明显提高,广泛应用于精

加工难切削材料切削刀具、精密模具、电子行业微型钻头、矿山工

具、耐磨零件等领域[2]。在烧结硬质合金领域，相对于传统的粗晶

硬质合金，超细和纳米晶粒组织的硬质合金块体材料具有更高的硬

度、耐磨性、抗弯强度和韧性 [3]。近年来国内伴随着汽车工业、制

造业和建筑行业的大幅度发展，必将大量需求高性能的超细晶乃至

纳米晶硬质合金材料,因此WC-Co纳米晶的制备就成了关键。

WC-Co纳米晶的研究意义及应用

主要应用领域有如下几方面：

微切削加工：典型的产品是用于印刷电路板加工的微型钻头，

预计2005年微型钻头的需求数量达500x106，需要2O00吨超细合金。

2000年微型钻的平均晶粒度约为0.4μm，而2005年达到0.2μm，硬

度达2000HV30以上，而C样的抗弯强度性能达到5000MPa以上。可靠

的刃口抗崩刃性能和抗磨损性能是印刷电路板微型钻的技术关键，

只有WC晶粒度在0.4μm以下的合金才能有效的满足这种要求。

金属切削：在过去的10年～15年硬质合金切削工具市场得到了

较快的增长，主要是亚微米晶粒尺寸以下硬质合金切削工具的增长。金属切削工具主要包括钻铰孔刀具、端铣刀具、车削刀片。钻铰孔

刀具亚微米晶粒硬质合金用量占亚微米晶粒硬质合金总产量的50％，一般使用WC晶粒为0.8μm，Co含量为10％的硬质合金，这种牌号的

合金具有硬度，断裂韧性和磨损性能的良好结合，PVD涂层则对提高

合金的扩散磨损和氧化磨损能力以及刀尖的粘着磨损能力起了关键

作用。0.5μm合金在摩擦磨损失效形式为主时，可提高工具寿命50％，在其他失效形式下，工具寿命提高很少，或不会提高。当钻

头直径小到3mm以下时，特别是对于有内冷却孔的钻头，断裂强度成

为关键，采用0.5μm合金具有优势。端铣刀具的基体常使用WC晶粒

度大于0.8μm的硬质合金基体。最近的研究表明，对于精铣或半精

铣淬硬的模具钢，采用WC晶粒度小于0.5μm的硬质合金基体可显著

提高铣刀的寿命。更细晶粒硬质合金可使铣刀刃口磨得更加锋利，

且能够较长时间保持刃口的锐度。对于软钢或不锈钢的粗铣，通常

采用特殊结构的排屑槽以减小铁屑的宽度，使排屑更容易。这种特

殊结构的排屑槽使切削刃强度弱化，重载切削下，刃口崩裂的危险

性增加，此时采用晶粒更细、Co含量更高的硬质合金基体有利于提

高合金的刀具的寿命。此外，深孔螺纹加工特别是小直径的深孔螺

纹加工，由于对刀具的强度有较高的要求，亚微米晶粒硬质合金刀

具的应用得到了较快的发展。晶粒度小于0.8μm的合金车刀片还没

有被广泛采用，主要是由于压制到同样的压坯密度，亚微米晶粒合

金需要的压制压力大得多，在实际生产中，压制压力必须保证在实

际能提供的压力以下，这必然会降低压坯的密度，也就意味着压坯

烧结时更大的收缩系数，需要更精密的压机来保证刀片的尺寸精度，花更大的代价将切削刃磨到标准尺寸，这都意味着生产成本的增加。如果超细粉的压制性能得到改善，超细硬质合金刀片的生产成本降低，则超细硬质合金刀片将会得到更广泛应用。

木工刀片：工业锯片和木材的加工对工具的抗磨粒磨损性能要

求较高，主要使用亚微米晶粒硬质合金，以保证刃口的锐度。最近

的木工刀片采用WC晶粒度小于0.5μm，Co含量小于2wt％的超细硬质

合金，硬度达到230oHV。另外，由于木浆和树脂对Co粘结相有腐蚀

作用，通过粘结相的合金化，以提高木工刀具用硬质合金的耐腐蚀性。

拉丝模：由于拉丝模要求极高的抗摩擦磨损性能，超细硬质合

金用作拉丝模是非常合适的，特别是在终端工序，对线材的尺寸公

差(小于5μm)和表面光洁度都要求较高的情况下。

1990年后，0.1μm的WC粉开始从实验室走向批量的商业化生产，与此同时小于0.5μm的超细晶粒硬质合金开始商业化生产，如果生

产工艺控制得好，WC晶粒度可以达（0.1-0.2）μm，但也是传统工

艺能达到得极限晶粒度。成功生产真正意义上的纳米晶粒硬质合金

的最大技术挑战是在保证极细颗粒原始粉末在最小晶粒长大条件下

的致密化问题。

WC-Co纳米晶的技术要求

为了获得高性能的纳米晶硬质合金，进一步提高WC-Co硬质合金

的力学性能，必须掌握两大关键技术：纳米晶原料粉的制备和烧结

过程中WC晶粒长大的控制[4]。本文主要介绍WC-Co纳米晶的制备工艺。

如何获得分布均匀的纳米晶WC粉或纳米晶WC-Co复合粉是目前研

究的热点。因此，我们首先应了解优质纳米晶粉末所应具备的条件[5]。

(1)纳米级粉末的平均粒度

纳米级是指粉末的平均粒度要小于100nm。作为纳米晶硬质合金

粉末，其粒度最好小于50nm，因为如果粉末粒度达不到应有的数量

级别，即使在尽可能低的温度和短时间下烧结，WC晶粒仍能极其显