北京工業(yè)大學(xué)高性能硬質(zhì)合金研發(fā)獲得新進(jìn)展

前不久，從北京工業(yè)大學(xué)了解到，針對超細(xì)、納米硬質(zhì)合金領(lǐng)域的國際發(fā)展趨勢、我國發(fā)展現(xiàn)狀和瓶頸問題，在國家和北京市多個科研項目的支持下，以國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、北京市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃百千萬工程領(lǐng)軍人才宋曉艷教授為負(fù)責(zé)人的北京工業(yè)大學(xué)硬質(zhì)合金團(tuán)隊，歷經(jīng)10余年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)工作，建立了超細(xì)、納米硬質(zhì)合金的規(guī)模化制備與工程應(yīng)用系列新技術(shù)，開發(fā)出高附加值的硬質(zhì)合金材料和制品，正在進(jìn)行推廣應(yīng)用。

納米硬質(zhì)合金材料的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

我國硬質(zhì)合金工業(yè)經(jīng)過60多年的發(fā)展，已無可爭議地成為世界硬質(zhì)合金的大國。據(jù)中國鎢業(yè)協(xié)會硬質(zhì)合金分會統(tǒng)計，近三年（2012—2014）國內(nèi)硬質(zhì)合金的年產(chǎn)量為2.2—2.5萬噸，占全球總產(chǎn)量的40%以上。我國硬質(zhì)合金的生產(chǎn)量和消費量均占世界首位，但不是硬質(zhì)合金行業(yè)的強國。與瑞典Sandvik、美國Kennametal、Inframat、德國KF、奧地利Plansee、法國Forecreu、日本Toshibatungaloy等國際著名硬質(zhì)合金企業(yè)相比，我國硬質(zhì)合金工業(yè)的差距體現(xiàn)在高端產(chǎn)品較少和關(guān)鍵技術(shù)缺乏突破，尤其在近年來國際上快速發(fā)展的超細(xì)和納米硬質(zhì)合金領(lǐng)域。

針對超細(xì)、納米硬質(zhì)合金領(lǐng)域的國際發(fā)展趨勢以及我國發(fā)展的現(xiàn)狀和瓶頸問題，在國家和北京市多個科研項目的支持下，以國家杰出青年科學(xué)基金獲得者、北京市高層次創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃百千萬工程領(lǐng)軍人才宋曉艷教授為負(fù)責(zé)人的北京工業(yè)大學(xué)硬質(zhì)合金團(tuán)隊，歷經(jīng)10余年的基礎(chǔ)研究和技術(shù)開發(fā)工作，建立了超細(xì)、納米硬質(zhì)合金的規(guī)模化制備與工程應(yīng)用系列新技術(shù)，與國內(nèi)硬質(zhì)合金企業(yè)緊密合作，開發(fā)出高附加值的硬質(zhì)合金材料和制品，推向高端工業(yè)應(yīng)用。

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的迅速發(fā)展和各種新型難加工材料的問世，對硬質(zhì)合金工模具產(chǎn)品的質(zhì)量和性能提出了越來越苛刻的要求。對WC基硬質(zhì)合金而言，與傳統(tǒng)的粗晶（通常指平均晶粒尺寸13微米）硬質(zhì)合金相比，超細(xì)晶（平均晶粒尺寸200—500納米）和納米晶（平均晶粒尺寸200納米以下）硬質(zhì)合金具有顯著提高的硬度、耐磨性和斷裂強度，是高效率、高精度的鉆孔、切削、銑磨等高端加工技術(shù)領(lǐng)域無以比擬的先進(jìn)材料。

納米硬質(zhì)合金材料從上個世紀(jì)90年代后期到本世紀(jì)初涌現(xiàn)各種制備新方法的熱潮，隨后幾年發(fā)展納米結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能的精細(xì)表征與對比分析，再到近年來納米硬質(zhì)合金規(guī)模化制備與工業(yè)應(yīng)用成為國際上高度重視、體現(xiàn)前沿競爭力的研發(fā)焦點，這期間經(jīng)歷了納米硬質(zhì)合金眾多制備方法的優(yōu)勝劣汰。如溶膠-凝膠/共沉淀法、等離子體法等僅限于實驗室微量合成納米WC粉末；放電等離子燒結(jié)、超高壓固結(jié)等僅限于實驗室制備形狀簡單且三維尺寸小的納米多晶材料；噴霧轉(zhuǎn)化法可以批量合成納米WC類粉末；低壓燒結(jié)可以實現(xiàn)高性能硬質(zhì)合金的規(guī)模化生產(chǎn)。然而，噴霧轉(zhuǎn)化法復(fù)雜的操作步驟、高的工藝成本、苛刻的控制精度，極大地限制了該技術(shù)在我國制備納米WC類粉末的推廣應(yīng)用；在低壓燒結(jié)硬質(zhì)合金方面，國產(chǎn)超細(xì)晶硬質(zhì)合金塊材/棒料的韌性、強度等性能指標(biāo)明顯低于國際上同成分的超細(xì)晶硬質(zhì)合金高端產(chǎn)品。

突破系列關(guān)鍵技術(shù)

北京工業(yè)大學(xué)硬質(zhì)合金團(tuán)隊，在新型高性能硬質(zhì)合金材料的研發(fā)與應(yīng)用方面，突破了系列關(guān)鍵技術(shù)：

物相可控、粒徑可調(diào)的納米WC-Co類復(fù)合粉末規(guī)模化制備技術(shù)：該技術(shù)原創(chuàng)性開發(fā)出以鎢鈷氧化物配碳為原料，利用固相原位反應(yīng)一步合成超細(xì)或納米WC-Co類復(fù)合粉末的新途徑。具有制備路線顯著簡化、工藝流程短、設(shè)備和工藝成本低、節(jié)能環(huán)保等技術(shù)優(yōu)勢。復(fù)合粉末物相純凈，氧含量低，Co含量在6-20wt%大范圍內(nèi)準(zhǔn)確可調(diào)，粒徑在超細(xì)（200—500nm）和納米（70—200nm）尺度多個尺寸級別準(zhǔn)確可控，達(dá)到了目前國際上關(guān)于超細(xì)、納米WC類粉末的質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，而生產(chǎn)成本大幅度降低。復(fù)合粉末可滿足高硬度、高強韌、耐磨損、抗腐蝕等多種硬質(zhì)合金燒結(jié)材料和防護(hù)涂層的使用需求。

高流動性、納米結(jié)構(gòu)WC基噴涂粉末的規(guī)模化制備技術(shù)：該技術(shù)發(fā)明了噴霧干燥配合熱處理的造粒工藝，制備出既保持納米結(jié)構(gòu)又具有高流動性的熱噴涂粉料，從根本上解決了納米粉體在熱噴涂高溫焰流中極易發(fā)生分解脫碳的國際技術(shù)難題。開發(fā)出WC-Co、WC-Co-Cr、WC- 等系列納米結(jié)構(gòu)熱噴涂粉料，球形度>95%，松裝密度4.0—5.0g/cm3，流速<18s/50g，相同成分條件下性能指標(biāo)超過美國Praxair、Inframat和德國Starck等國際名牌噴涂材料產(chǎn)品的性能。

高致密、高表面質(zhì)量的硬質(zhì)合金耐磨耐蝕涂層的制備技術(shù)：該技術(shù)對初始粉末成分、團(tuán)聚造粒和熱噴涂工藝協(xié)同調(diào)節(jié)，通過配碳量設(shè)計、獨特?zé)崽幚砉に嚒⒘６戎亟M、熱噴涂工藝參數(shù)組合優(yōu)化等，制備出高性能納米結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金涂層。涂層具有孔隙率<0.5%的高致密性；比常規(guī)微米結(jié)構(gòu)涂層具有顯著提高的表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra<0.5m；具有高的硬度、耐磨性、耐蝕性和優(yōu)良的強韌性配合。與相同成分和工藝條件下使用美國Praxair、Inframat公司噴涂粉料制備的微米結(jié)構(gòu)涂層相比，韌性提高44%、耐磨性提高28%、耐空蝕性提高53%。

超細(xì)尺寸納米晶硬質(zhì)合金塊材的制備技術(shù)：該技術(shù)開發(fā)出低溫區(qū)較慢升溫速率、較低壓力，高溫區(qū)分段快速加熱、較大壓力、不保溫的獨特場效應(yīng)燒結(jié)工藝，制備出平均晶粒尺寸為60-100nm、致密的納米晶硬質(zhì)合金塊體材料。其中平均晶粒尺寸為60nm的致密納米晶硬質(zhì)合金是迄今國際上報道的達(dá)到最小晶粒尺寸的硬質(zhì)合金燒結(jié)材料，其同時具有的高硬度和高斷裂韌性的性能指標(biāo)，達(dá)到納米晶硬質(zhì)合金燒結(jié)材料的國際前沿水平。

高強韌超細(xì)晶硬質(zhì)合金燒結(jié)材料的制備技術(shù)：該技術(shù)基于目前國內(nèi)企業(yè)所用低壓燒結(jié)設(shè)備，建立了針對原位合成超細(xì)、納米復(fù)合粉熱收縮特性的低壓燒結(jié)工藝，提出了超細(xì)晶、納米晶復(fù)相組織微觀參量與橫向斷裂強度之間的構(gòu)效關(guān)系，突破了硬度、韌性反向變化的技術(shù)瓶頸，在超細(xì)晶硬質(zhì)合金材料保持高硬度的前提下，獲得了高韌性和超高斷裂強度。以WC-12Co為例，燒結(jié)塊材/棒料的硬度為HRA 90-93.0，斷裂韌性為13.0 18.0MPa·m1/2，橫向斷裂強度為4800—5200MPa，與同成分燒結(jié)硬質(zhì)合金相比，綜合力學(xué)性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。

成功研發(fā)高性能硬質(zhì)合金產(chǎn)品

目前，北京工業(yè)大學(xué)硬質(zhì)合金團(tuán)隊先后承擔(dān)了國家973、863、科技支撐計劃、國家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金重點項目、北京新材料產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目等10余項硬質(zhì)合金研發(fā)課題。在硬質(zhì)合金材料和技術(shù)領(lǐng)域獲得授權(quán)國家發(fā)明專利30余項，在國內(nèi)外知名期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，在國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議上作特邀報告20余次。

研制的高性能硬質(zhì)合金得到美國、德國等國際著名硬質(zhì)合金研發(fā)機(jī)構(gòu)和國內(nèi)權(quán)威資質(zhì)部門的檢測認(rèn)定。在超細(xì)、納米硬質(zhì)合金材料批量穩(wěn)定化制備的基礎(chǔ)上，開發(fā)出系列高附加值的硬質(zhì)合金涂層和燒結(jié)制品，如液壓活塞涂層、引風(fēng)機(jī)葉片涂層、酸軋機(jī)組夾送輥涂層、微鉆、立銑刀、高溫合金切削刀片等產(chǎn)品，應(yīng)用于航空航天、煤炭開采、石油鉆探、熱電能源、煉鋼軋鋼、精密制造等重要工程領(lǐng)域。

以團(tuán)隊開發(fā)的低成本、短流程固相原位反應(yīng)合成技術(shù)制備的超細(xì)和納米WC-Co類復(fù)合粉末，是制備熱噴涂材料、耐磨耐蝕硬質(zhì)合金防護(hù)涂層、高強韌硬質(zhì)合金燒結(jié)塊材/棒料等的關(guān)鍵初始材料，就其性價比而言，具有優(yōu)越的市場競爭力和應(yīng)用前景。系列新技術(shù)適應(yīng)目前國內(nèi)粉末冶金行業(yè)的裝備條件和操作水平，利于成果轉(zhuǎn)化和推廣應(yīng)用，可望提升高性能硬質(zhì)合金產(chǎn)品的國產(chǎn)率，替代昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品，從而推動我國優(yōu)勢鎢資源的高附加值利用。基于系統(tǒng)的技術(shù)鏈條發(fā)展復(fù)合制造技術(shù)，在涉及超硬、強韌、耐磨、耐蝕等工況的機(jī)械裝備關(guān)鍵部件的制造和再制造方面，都可移植應(yīng)用，既能延長大型設(shè)備的使用壽命，又能有效降低裝備制造成本和使用維護(hù)費用，節(jié)約資源能源，具有廣闊發(fā)展空間。