納米碳化鎢-鈷復(fù)合粉末制備技術(shù)(中國(guó)科學(xué)院金屬研究所)

    納米碳化鎢-鈷（WC-Co）復(fù)合粉末是制備高性能硬質(zhì)合金和耐磨涂層的主要原料。

硬質(zhì)合金自20世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái)，在工業(yè)生產(chǎn)中一直占據(jù)著重要位置，被譽(yù)為“工業(yè)的牙齒”。但長(zhǎng)期以來(lái)，硬質(zhì)合金的硬度和強(qiáng)度之間的矛盾，即提高硬度導(dǎo)致強(qiáng)度降低，提高強(qiáng)度又引起硬度下降，一直未得到有效解決。納米WC-Co復(fù)合粉末的出現(xiàn)，有效地解決了這一難題。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)硬質(zhì)合金中WC的平均晶粒度降低到1 µm以下時(shí)，合金的硬度和強(qiáng)度不僅能同時(shí)提高，而且提高的幅度會(huì)隨著WC晶粒度的進(jìn)一步減小而增加。采用納米晶WC-Co復(fù)合粉末可以制成超細(xì)晶結(jié)構(gòu)的WC-Co硬質(zhì)合金，其WC相的平均晶粒度小于0.5µm。

    近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究出多種制備納米晶WC-Co復(fù)合粉末的方法，應(yīng)用最多的是機(jī)械合金化方法，此外還有熱化學(xué)法、氧化共還原法及噴霧熱轉(zhuǎn)換法等。

    一種制備納米晶WC-Co復(fù)合粉末的新方法—“霧化干燥-固定床技術(shù)”，在實(shí)驗(yàn)室研制成功后，已申請(qǐng)了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。目前正在將中試擴(kuò)大為工業(yè)化生產(chǎn)，該項(xiàng)目于2002年10月通過(guò)了由四川省科技廳組織的科技成果鑒定。

（1）          采用含有鎢、鈷的可溶性鹽制成化學(xué)成分均勻混合的前驅(qū)體溶液，再通過(guò)霧化干燥、焙燒、還原和碳化處理制成納米晶WC-Co復(fù)合粉末；

（2）          可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)納米晶WC-Co復(fù)合粉末的成分，也可以加入一些其它合金元素及晶粒長(zhǎng)大抑制劑，并能準(zhǔn)確控制其含量。

（3）          所制備的納米晶WC-Co復(fù)合粉末，WC相的晶粒尺寸為60納米，并且氧等雜質(zhì)含量低。

（4）          制備工藝簡(jiǎn)單、全套設(shè)備國(guó)產(chǎn)化、成本低、產(chǎn)量大，性能價(jià)格比高。

    國(guó)內(nèi)同行專(zhuān)家評(píng)價(jià)：“大量實(shí)驗(yàn)證明該項(xiàng)新技術(shù)可行，居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平；達(dá)到了國(guó)外同類(lèi)技術(shù)的先進(jìn)水平。根據(jù)工藝要求自行研制了全部中試規(guī)模所需的生產(chǎn)設(shè)備，初步建成了工業(yè)制備納米結(jié)構(gòu)WC-Co復(fù)合粉末實(shí)驗(yàn)線�！�

生產(chǎn)的納米晶WC-Co復(fù)合粉末產(chǎn)品，已用于制備硬質(zhì)合金和耐磨涂層。中南大學(xué)粉末冶金研究所應(yīng)用本產(chǎn)品制備硬質(zhì)合金，認(rèn)為粉末的工藝性能極好；沈陽(yáng)大陸激光公司，用納米晶WC-10%Co復(fù)合粉末運(yùn)用激光表面溶覆制備大型軋輥表面強(qiáng)化層，使軋輥使用壽命提高一倍；第二炮兵工程學(xué)院，采用低溫超音速?lài)娡抗に�，獲得納米晶WC-Co合金強(qiáng)化表面，噴涂層不僅耐磨耐蝕，而且表面光滑平整、結(jié)構(gòu)致密，并與基體結(jié)合強(qiáng)度高；美國(guó)Kennametal公司使用本產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗(yàn)，認(rèn)為粉末的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿足公司要求。

納米晶WC-Co復(fù)合粉末的主要技術(shù)指標(biāo)為：

硬質(zhì)相WC的平均晶粒度≤60nm；

粉末的平均顆粒度≤300nm；

游離C含量≤0.09%；

O₂含量≤0.25%；

其余雜質(zhì)總量＜0.5%。

    納米晶WC-Co復(fù)合粉末有很廣泛的用途，主要用于制備高性能硬質(zhì)合金及耐磨涂層。然而，目前國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)廠家還不具備生產(chǎn)納米晶WC-Co復(fù)合粉末的能力，國(guó)外公司對(duì)我國(guó)基本上采取只銷(xiāo)售合金、對(duì)高質(zhì)量WC-Co復(fù)合粉體的生產(chǎn)進(jìn)行保密的策略。

   硬質(zhì)合金是一種優(yōu)良的工具材料和結(jié)構(gòu)材料，其用途極其廣泛，幾乎涉及到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén)和現(xiàn)代技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)估計(jì)，2000年全世界硬質(zhì)合金的總產(chǎn)量為4.2萬(wàn)噸，貿(mào)易量在1萬(wàn)噸以上，貿(mào)易額達(dá)100億美元。其中WC-Co是產(chǎn)量最大、用途最廣的一類(lèi)硬質(zhì)合金，每年全世界市場(chǎng)需求量在2萬(wàn)噸以上。僅切削工具，全世界每年大約有20億美元以上的需求量。

    目前，美國(guó)Nanodyne公司已用納米晶WC-Co復(fù)合粉末成功地制作印刷電路板鉆空用的微型鉆頭，而且磨損實(shí)驗(yàn)表明：采用納米WC-Co復(fù)合粉制備的鉆頭的磨損率比標(biāo)準(zhǔn)微晶鉆頭低30－40%，其壽命約為標(biāo)準(zhǔn)鉆頭的2.9倍。據(jù)日本產(chǎn)業(yè)界統(tǒng)計(jì)，在計(jì)算機(jī)線路板加工行業(yè)中，每年需此種硬質(zhì)合金麻花鉆6000萬(wàn)支（約180億元），全世界需求量每年近4億支，且隨著微電子、信息技術(shù)的飛速發(fā)展，該市場(chǎng)呈增長(zhǎng)趨勢(shì)。由于目前不具備工業(yè)化生產(chǎn)納米復(fù)合粉的技術(shù)和能力，只能用微米晶硬質(zhì)合金替代，僅計(jì)算機(jī)行業(yè)每年就需30噸微米晶硬質(zhì)合金。除了制備微型鉆頭外，納米復(fù)合粉還有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，其中包括各種切削工具、鑿巖鉆齒、模具、耐磨零件、軸承等以及特殊用途的刀具，例如切斷刀、醫(yī)用解剖刀、磁帶切刀、高性能鋸片等。在這些刀具中，只有用納米復(fù)合粉制備才能保持其鋒利的切削刃。

    最新研究表明：納米WC-Co復(fù)合粉末用作耐磨涂層材料顯示出很好的效果，采用快速熔化、快速冷凝的熱噴涂技術(shù)制備的涂層，使粉末的納米結(jié)構(gòu)特性得以保持，從而顯著提高了硬質(zhì)合金耐磨涂層的性能。美國(guó)的Connecticut大學(xué)由Dr.Maurice Gell領(lǐng)導(dǎo)的一支由大學(xué)、工業(yè)界、科研機(jī)構(gòu)以及海軍的科學(xué)家和工程師們聯(lián)合組成的龐大研究團(tuán)隊(duì)，在Office of Naval Research Science and Technology Affordability Initiative和DODDual Use S&T Program的支持下,正在努力將納米WC-Co粉末用于艦艇、飛機(jī)以及陸軍車(chē)輛的熱噴涂。

    鎢是制備納米WC-Co復(fù)合粉體的的主要原料，屬稀有金屬。全世界只有中國(guó)鎢礦資源豐富，約為世界總儲(chǔ)量的52%，西方發(fā)達(dá)國(guó)家占25%，美國(guó)只占5.9%，其它一百多個(gè)國(guó)家分割其余的17.1%鎢礦儲(chǔ)量。毫無(wú)疑問(wèn)，這是我國(guó)研究和發(fā)展納米WC-Co復(fù)合粉末和合金的最有利的基本條件。截止1998年，我國(guó)的硬質(zhì)合金年產(chǎn)量已達(dá)7,000噸以上，鎢金屬產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的76%，鎢品出口量約占國(guó)際市場(chǎng)的80%，均居世界首位。然而，但長(zhǎng)期以來(lái)，我們只廉價(jià)出口鎢礦資源和鎢的初級(jí)產(chǎn)品，卻從西歐、日本、美國(guó)等國(guó)大量進(jìn)口硬質(zhì)合金深加工成品。加入WTO后，會(huì)有更多的外國(guó)跨國(guó)公司來(lái)華投資，外資企業(yè)的硬質(zhì)合金產(chǎn)品將進(jìn)一步擠占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，其出口貿(mào)易即將面臨更激烈的競(jìng)爭(zhēng)。因此，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)高性能的硬質(zhì)合金勢(shì)在必行，其前提是必須大規(guī)模工業(yè)化制備納米WC-Co復(fù)合粉體�？傊�，納米WC-Co復(fù)合粉末具有不可估量的潛在市場(chǎng)。