纳米硬质合金材料的机遇与挑战

　　我国硬质合金工业经过60多年的发展，已无可争议地成为世界硬质合金的大国。我国硬质合金的生产量和消费量均占世界首位，但不是硬质合金行业的强国。与瑞典Sandvik、美国Kennametal、Inframat、德国KF、奥地利Plansee、法国Forecreu、日本Toshibatungaloy等国际著名硬质合金企业相比，我国硬质合金工业的差距体现在高端产品较少和关键技术缺乏突破，尤其在近年来国际上快速发展的超细和纳米硬质合金领域。

　　针对超细、纳米硬质合金领域的国际发展趋势以及我国发展的现状和瓶颈问题，在国家和北京市多个科研项目的支持下，以国家杰出青年科学基金获得者、北京市高层次创新创业计划百千万工程领军人才宋晓艳教授为负责人的北京工业大学硬质合金团队，历经10余年的基础研究和技术开发工作，建立了超细、纳米硬质合金的规模化制备与工程应用系列新技术，与国内硬质合金企业紧密合作，开发出高附加值的硬质合金材料和制品，推向高端工业应用。

  随着现代制造业的迅速发展和各种新型难加工材料的问世，对硬质合金工模具产品的质量和性能提出了越来越苛刻的要求。对WC基硬质合金而言，与传统的粗晶（通常指平均晶粒尺寸13微米）硬质合金相比，超细晶（平均晶粒尺寸200—500纳米）和纳米晶（平均晶粒尺寸200纳米以下）硬质合金具有显著提高的硬度、耐磨性和断裂强度，是高效率、高精度的钻孔、切削、铣磨等高端加工技术领域无以比拟的先进材料。

  纳米硬质合金材料从上个世纪90年代后期到本世纪初涌现各种制备新方法的热潮，随后几年发展纳米结构、力学性能的精细表征与对比分析，再到近年来纳米硬质合金规模化制备与工业应用成为国际上高度重视、体现前沿竞争力的研发焦点，这期间经历了纳米硬质合金众多制备方法的优胜劣汰。如溶胶-凝胶/共沉淀法、等离子体法等仅限于实验室微量合成纳米WC粉末；放电等离子烧结、超高压固结等仅限于实验室制备形状简单且三维尺寸小的纳米多晶材料；喷雾转化法可以批量合成纳米WC类粉末；低压烧结可以实现高性能硬质合金的规模化生产。然而，喷雾转化法复杂的操作步骤、高的工艺成本、苛刻的控制精度，极大地限制了该技术在我国制备纳米WC类粉末的推广应用；在低压烧结硬质合金方面，国产超细晶硬质合金块材/棒料的韧性、强度等性能指标明显低于国际上同成分的超细晶硬质合金高端产品。

　　突破系列关键技术

　　北京工业大学硬质合金团队，在新型高性能硬质合金材料的研发与应用方面，突破了系列关键技术：

  物相可控、粒径可调的纳米WC-Co类复合粉末规模化制备技术：该技术原创性开发出以钨钴氧化物配碳为原料，利用固相原位反应一步合成超细或纳米WC-Co类复合粉末的新途径。具有制备路线显著简化、工艺流程短、设备和工艺成本低、节能环保等技术优势。复合粉末物相纯净，氧含量低，Co含量在6－20wt%大范围内准确可调，粒径在超细（200—500nm）和纳米（70—200nm）尺度多个尺寸级别准确可控，达到了目前国际上关于超细、纳米WC类粉末的质量控制标准，而生产成本大幅度降低。复合粉末可满足高硬度、高强韧、耐磨损、抗腐蚀等多种硬质合金烧结材料和防护涂层的使用需求。

　　高流动性、纳米结构WC基喷涂粉末的规模化制备技术：该技术发明了喷雾干燥配合热处理的造粒工艺，制备出既保持纳米结构又具有高流动性的热喷涂粉料，从根本上解决了纳米粉体在热喷涂高温焰流中极易发生分解脱碳的国际技术难题。开发出WC-Co、WC-Co-Cr、WC -等系列纳米结构热喷涂粉料，球形度>95%，松装密度4.0—5.0g/cm3，流速<18s /50g，相同成分条件下性能指标超过美国Praxair、Inframat和德国Starck等国际名牌喷涂材料产品的性能。

　　高致密、高表面质量的硬质合金耐磨耐蚀涂层的制备技术：该技术对初始粉末成分、团聚造粒和热喷涂工艺协同调节，通过配碳量设计、独特热处理工艺、粒度重组、热喷涂工艺参数组合优化等，制备出高性能纳米结构硬质合金涂层。涂层具有孔隙率<0 .5%的高致密性；比常规微米结构涂层具有显著提高的表面质量，表面粗糙度Ra<0 .5m；具有高的硬度、耐磨性、耐蚀性和优良的强韧性配合。与相同成分和工艺条件下使用美国Praxair、Inframat公司喷涂粉料制备的微米结构涂层相比，韧性提高44%、耐磨性提高28%、耐空蚀性提高53%。

　　超细尺寸纳米晶硬质合金块材的制备技术：该技术开发出低温区较慢升温速率、较低压力，高温区分段快速加热、较大压力、不保温的独特场效应烧结工艺，制备出平均晶粒尺寸为60－100nm、致密的纳米晶硬质合金块体材料。其中平均晶粒尺寸为60nm的致密纳米晶硬质合金是迄今国际上报道的达到最小晶粒尺寸的硬质合金烧结材料，其同时具有的高硬度和高断裂韧性的性能指标，达到纳米晶硬质合金烧结材料的国际前沿水平。

　　高强韧超细晶硬质合金烧结材料的制备技术：该技术基于目前国内企业所用低压烧结设备，建立了针对原位合成超细、纳米复合粉热收缩特性的低压烧结工艺，提出了超细晶、纳米晶复相组织微观参量与横向断裂强度之间的构效关系，突破了硬度、韧性反向变化的技术瓶颈，在超细晶硬质合金材料保持高硬度的前提下，获得了高韧性和超高断裂强度。以WC-12Co为例，烧结块材/棒料的硬度为HRA 90－93.0，断裂韧性为13.0 18.0MPa·m1/2，横向断裂强度为4800—5200MPa，与同成分烧结硬质合金相比，综合力学性能达到国际先进水平。

　　成功研发高性能硬质合金产品

　　目前，北京工业大学硬质合金团队先后承担了国家973、863、科技支撑计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点项目、北京新材料产业关键技术攻关项目等10余项硬质合金研发课题。在硬质合金材料和技术领域获得授权国家发明专利30余项，在国内外知名期刊上发表学术论文100余篇，在国际、国内学术会议上作特邀报告20余次。

　　研制的高性能硬质合金得到美国、德国等国际著名硬质合金研发机构和国内权威资质部门的检测认定。在超细、纳米硬质合金材料批量稳定化制备的基础上，开发出系列高附加值的硬质合金涂层和烧结制品，如液压活塞涂层、引风机叶片涂层、酸轧机组夹送辊涂层、微钻、立铣刀、高温合金切削刀片等产品，应用于航空航天、煤炭开采、石油钻探、热电能源、炼钢轧钢、精密制造等重要工程领域。    

　　以团队开发的低成本、短流程固相原位反应合成技术制备的超细和纳米WC-Co类复合粉末，是制备热喷涂材料、耐磨耐蚀硬质合金防护涂层、高强韧硬质合金烧结块材/棒料等的关键初始材料，就其性价比而言，具有优越的市场竞争力和应用前景。系列新技术适应目前国内粉末冶金行业的装备条件和操作水平，利于成果转化和推广应用，可望提升高性能硬质合金产品的国产率，替代昂贵的进口产品，从而推动我国优势钨资源的高附加值利用。基于系统的技术链条发展复合制造技术，在涉及超硬、强韧、耐磨、耐蚀等工况的机械装备关键部件的制造和再制造方面，都可移植应用，既能延长大型设备的使用寿命，又能有效降低装备制造成本和使用维护费用，节约资源能源，具有广阔发展空间。