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納米碳化鎢-鈷復(fù)合粉末制備技術(shù)(中國科學(xué)院金屬研究所)
成果內(nèi)容簡介：
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年代問世以來，在工業(yè)生產(chǎn)中一直占據(jù)著重要位置，被譽為“工業(yè)的牙齒”。但長期以來，硬質(zhì)合金的硬度和強度之間的矛盾，即提高硬度導(dǎo)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(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，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(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，國內(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)”，在實驗室研制成功后，已申請了國家發(fā)明專利。目前正在將中試擴大為工業(yè)化生產(chǎn)，該項目于2002年10月通過了由四川省科技廳組織的科技成果鑒定。
主要內(nèi)容和特點如下：
（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)實際需要設(shè)計納米晶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） 制備工藝簡單、全套設(shè)備國產(chǎn)化、成本低、產(chǎn)量大，性能價格比高。
成果水平：
國內(nèi)同行專家評價：“大量實驗證明該項新技術(shù)可行，居國內(nèi)領(lǐng)先水平；達(dá)到了國外同類技術(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)合粉末實驗線。”
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；沈陽大陸激光公司，用納米晶WC-10%Co復(fù)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(xué)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(jié)構(gòu)致密，并與基體結(jié)合強度高；美國Kennametal公司使用本產(chǎn)品進(jìn)行工藝試驗，認(rèn)為粉末的各項技術(shù)指標(biāo)完全滿足公司要求。
主要技術(shù)指標(biāo)：
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%。
應(yīng)用范圍：
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，國外公司對我國基本上采取只銷售合金、對高質(zhì)量WC-Co復(fù)合粉體的生產(chǎn)進(jìn)行保密的策略。
市場前景及經(jīng)濟效益預(yù)測：
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，幾乎涉及到國民經(jīng)濟的各個部門和現(xiàn)代技術(shù)的各個領(lǐng)域。據(jù)估計，2000年全世界硬質(zhì)合金的總產(chǎn)量為4.2萬噸，貿(mào)易量在1萬噸以上，貿(mào)易額達(dá)100億美元。其中WC-Co是產(chǎn)量最大、用途最廣的一類硬質(zhì)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(fù)合粉末成功地制作印刷電路板鉆空用的微型鉆頭，而且磨損實驗表明：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，在計算機線路板加工行業(yè)中，每年需此種硬質(zhì)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(shù)的飛速發(fā)展，該市場呈增長趨勢。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，僅計算機行業(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，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、飛機以及陸軍車輛的熱噴涂。
鎢是制備納米WC-Co復(fù)合粉體的的主要原料，屬稀有金屬。全世界只有中國鎢礦資源豐富，約為世界總儲量的52%，西方發(fā)達(dá)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(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(chǎn)品，卻從西歐、日本、美國等國大量進(jìn)口硬質(zhì)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(yè)的硬質(zhì)合金產(chǎn)品將進(jìn)一步擠占國內(nèi)市場，其出口貿(mào)易即將面臨更激烈的競爭。因此，大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)高性能的硬質(zhì)合金勢在必行，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。 | 
