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科研成果

納米碳化鎢-鈷復合粉末制備技術

一、成果內容簡介:

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

  硬質合金自20世紀30年代問世以來,在工業生產中一直占據著重要位置,被譽為工業的牙齒。但長期以來,硬質合金的硬度和強度之間的矛盾,即提高硬度導致強度降低,提高強度又引起硬度下降,一直未得到有效解決。納米WC-Co復合粉末的出現,有效地解決了這一難題。研究發現,當硬質合金中WC的平均晶粒度降低到1 μm以下時,合金的硬度和強度不僅能同時提高,而且提高的幅度會隨著WC晶粒度的進一步減小而增加。采用納米晶WC-Co復合粉末可以制成超細晶結構的WC-Co硬質合金,其WC相的平均晶粒度小于0.5μm

  近年來,國內外研究出多種制備納米晶WC-Co復合粉末的方法,應用最多的是機械合金化方法,此外還有熱化學法、氧化共還原法及噴霧熱轉換法等。

  一種制備納米晶WC-Co復合粉末的新方法—“霧化干燥-固定床技術,在實驗室研制成功后,已申請了國家發明專利。目前已基本完成工業性試驗。

  1、主要內容和特點如下:

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

  (2) 可以根據實際需要設計納米晶WC-Co復合粉末的成分,也可以加入一些其它合金元素及晶粒長大抑制劑,并能準確控制其含量。

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

  (4) 制備工藝簡單、全套設備國產化、成本低、產量大,性能價格比高。

  2、成果水平:

  國內同行專家評價:大量實驗證明該項新技術可行,居國內領先水平;達到了國外同類技術的先進水平。根據工藝要求自行研制了全部中試規模所需的生產設備,初步建成了工業制備納米結構WC-Co復合粉末實驗線。

      生產的納米晶WC-Co復合粉末產品,已用于制備硬質合金和耐磨涂層。中南大學粉末冶金研究所應用本產品制備硬質合金,認為粉末的工藝性能極好;沈陽大陸激光公司,用納米晶WC-10%Co復合粉末運用激光表面溶覆制備大型軋輥表面強化層,使軋輥使用壽命提高一倍;第二炮兵工程學院,采用低溫超音速噴涂工藝,獲得納米晶WC-Co合金強化表面,噴涂層不僅耐磨耐蝕,而且表面光滑平整、結構致密,并與基體結合強度高;美國Kennametal公司使用本產品進行工藝試驗,認為粉末的各項技術指標完全滿足公司要求。

二、主要技術指標:

  納米晶WC-Co復合粉末的主要技術指標為:

  硬質相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%
  其余雜質總量<0.5%

三、應用范圍:

  納米晶WC-Co復合粉末有很廣泛的用途,主要用于制備高性能硬質合金及耐磨涂層。然而,目前國內的生產廠家還不具備生產納米晶WC-Co復合粉末的能力,國外公司對我國基本上采取只銷售合金、對高質量WC-Co復合粉體的生產進行保密的策略。

  四、市場前景及經濟效益預測:

  硬質合金是一種優良的工具材料和結構材料,其用途極其廣泛,幾乎涉及到國民經濟的各個部門和現代技術的各個領域。據估計,2000年全世界硬質合金的總產量為4.2萬噸,貿易量在1萬噸以上,貿易額達100億美元。其中WC-Co是產量最大、用途最廣的一類硬質合金,每年全世界市場需求量在2萬噸以上。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Nanodyne公司已用納米晶WC-Co復合粉末成功地制作印刷電路板鉆空用的微型鉆頭,而且磨損實驗表明:采用納米WC-Co復合粉制備的鉆頭的磨損率比標準微晶鉆頭低3040%,其壽命約為標準鉆頭的2.9倍。據日本產業界統計,在計算機線路板加工行業中,每年需此種硬質合金麻花鉆6000萬支(約180億元),全世界需求量每年近4億支,且隨著微電子、信息技術的飛速發展,該市場呈增長趨勢。由于目前不具備工業化生產納米復合粉的技術和能力,只能用微米晶硬質合金替代,僅計算機行業每年就需30噸微米晶硬質合金。除了制備微型鉆頭外,納米復合粉還有廣泛的應用領域,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制備的涂層,使粉末的納米結構特性得以保持,從而顯著提高了硬質合金耐磨涂層的性能。美國的Connecticut大學由Dr.Maurice Gell領導的一支由大學、工業界、科研機構以及海軍的科學家和工程師們聯合組成的龐大研究團隊,在Office of Naval Research Science and Technology AffordabilityInitiativeDODDual Use S&T Program的支持下,正在努力將納米WC-Co粉末用于艦艇、飛機以及陸軍車輛的熱噴涂。

  鎢是制備納米WC-Co復合粉體的的主要原料,屬稀有金屬。全世界只有中國鎢礦資源豐富,約為世界總儲量的52%,西方發達國家占25%,美國只占5.9%,其它一百多個國家分割其余的17.1%鎢礦儲量。毫無疑問,這是我國研究和發展納米WC-Co復合粉末和合金的最有利的基本條件。截止1998年,我國的硬質合金年產量已達7,000噸以上,鎢金屬產量占世界總產量的76%,鎢品出口量約占國際市場的80%,均居世界首位。然而,但長期以來,我們只廉價出口鎢礦資源和鎢的初級產品,卻從西歐、日本、美國等國大量進口硬質合金深加工成品。加入WTO后,會有更多的外國跨國公司來華投資,外資企業的硬質合金產品將進一步擠占國內市場,其出口貿易即將面臨更激烈的競爭。因此,大規模工業化生產高性能的硬質合金勢在必行,其前提是必須大規模工業化制備納米WC-Co復合粉體。總之,納米WC-Co復合粉末具有不可估量的潛在市場。




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