納米晶硬質合金

隨着世界進入電子時代以及各種難加工材料的問世，納米硬質合金的需求量愈來愈大，迄今為止世界上已有90多個納米硬質合金牌號。

納米WC-Co硬質合金，因其特殊的耐磨蝕、高硬度，以及優異的斷裂韌性和抗壓強度被廣泛應用於現代科技各個領域，己被製成加工集成電路板的微型鑽頭、點陣打印機打印針頭、整體孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙鑽、難加工材料刀具等。其主要應用概括為以下幾個方面：

(1)金屬加工。當初，亞微細WC硬質合金的開發是為了解決高温合金等難加工材料的切削加工的需要，現代納米WC硬質合金在強度和韌性方面優於亞微細合金，因而更適用於高温合金、鈦合金、不鏽鋼、各種噴塗(焊)材料、淬火鋼、冷硬鑄鐵等的加工。納米WC硬質合金突破了普通硬質合金的抗彎強度遠比高速鋼低這個侷限，其應用已延伸到高速鋼佔統治地位的領域。

(2)電子工業。電子工業產品的發展趨勢是小型化、集成化、精密化。集成電路板材質是環氧樹脂粘結玻璃纖維或玻璃纖維增強的塑料。這就要求微型鑽頭有很高的硬度和耐磨性;而鑽頭直徑很小(一般0.2～0.3mm，甚至0.05mm)、易折斷，還要求鑽頭有高的強度和韌性：並且鑽孔需要正確的孔位精度，又要求鑽頭有高的剛度(彈性模量)，這些要求相互矛盾。致使普通硬質合金以及亞微細晶粒硬質合金鑽頭都難以滿足這些要求，只有用晶粒度小於0.5µm的納米晶粒硬質合金才行。又如點陣打印針，其直徑僅有0.2-0.35mm；加工集成電路引線的框架用的多工位跳步模，衝頭厚度≤0.2mm,誤差僅為0.002mm；另外還有印刷電路板引線切頭用的圓片切刀，以及精密的小模具等，都要求使用納米晶粒WC硬質合金來製作以實現其功能。

(3)木材加工。早在50年代，硬質合金鑲尖工具就被用於木材加工行業。而今，各種材質的板材的出現，對加工精度和外觀的要求大大提高，高速切割時的離心力、切削力使普通硬質合金難以滿足加工要求，於是納米晶粒WC硬質合金有了用武之地。

(4)醫學應用。醫用牙鑽是精細儀器，其切口必須鋒利，而且要求具有很好的耐磨性和韌性，超細晶粒WC硬質合金以其高強度、高韌性和耐磨性在這一領域得到廣泛的應用。

(5)其它應用。納米晶粒WC硬質合金由於其晶粒細小，作刀具可以磨出精度極高、鋒利的切削刃和刀尖圓弧半徑;因其高強度就可用於製作大前角、小進給量和小吃刀量的精細刀具，如小直徑立銑刀、小鉸刀等；因其高彈性模量、抗磨擦磨損性能，可用於製作高精度模具、衝頭等；另外還可用於製作高耐磨、耐沖蝕工具，如高壓噴嘴、閥門、高壓槍、玻璃刀、紡織品切刀以及磁帶、錄相帶切刀等等。另外科學家們還正在研製圓形刀具、鑿巖刀具以及納米WC-Co基增強複合材料等。

因此開發納米WC硬質合金和尋求更為廣闊的應用領域成為發展的熱點，而製備的關鍵技術在於納米原料粉末的製備及隨後的燒結過程。減小粒徑是提高WC-Co硬質合金性能(強度、硬度和抗磨性)鈞的有效途徑，因此研製納米晶硬質合金是下階段研究者的開發重點，它將大大拓寬WC-Co硬質合金的應用領域，並因此帶動各種精密儀器、模具、刀具及電子通信技術的飛速發展。

1.組織性能。納米晶硬質合金的顯微組織非常細小，決定了其優良的力學性能。但由於納米粉末的製備方法、燒結工藝不同。其顯微組織也各不相同。Jia等在1350℃燒結用噴霧轉化法制備的納米WC-Co粉末，得到納米硬質合金WC晶粒尺寸約為70 nm，其晶粒的邊界與普通的硬質合金相同，同樣是平直的邊界。但其位錯密度反而明顯少於普通的硬質合金。用不同的製備方法來製備的納米硬質合金粉末，其粉末的顯微結構有很大的不同，如採用化學法合成與機械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是機械球磨使晶粒發生較大的變形，而且堆積大量的位錯。儘管燒結時位錯大部分消除，但仍然有很高的位能。

2.力學性能。隨着粘結相自由程的減小，硬質合金的維氏硬度顯著提高:當鈷粘結相平均自由程為30 mn時，其維氏硬度高達2300kg/mm²以上。而且裂紋擴展阻力也隨着提高，相應提高合金的韌性。

3.刀具切削性能。納米晶硬質合金製作的刀具產品具有非常優異的使用性能。

研製納米晶或納米結構的WC-Co硬質合金的關鍵是探索新型的制粉和燒結工藝，尤其是在抑制晶粒長大方面的研究，通過精減工藝，降低燒結温度來進一步降低成本，實現納米WC-Co硬質合金的產業化。

我國的鎢和稀土礦資源十分豐富，鎢是生產硬質合金的主要原料。我國是硬質合金生產大國，但其產品平均售價比國外發達國家約低1～2倍，大部分產品仍屬於低技術含量和低附加值的初級產品。納米晶硬質合金材料，具有優異的力學性能，是目前國內外材料研究和開發的熱點之一，也是硬質合金工業發展的重要方向。但是，納米粉末在燒結過程中容易長大，致使獲得納米晶粒的硬質合金變得困難。在硬質合金中添加微量稀土元素，不僅可以抑制燒結過程中合金的晶粒長大，而且還能改善合金的力學性能，從而進一步提高其產品使用壽命。

因此，充分利用好我國的鎢礦和稀土礦資源，研究和開發納米稀土硬質合金粉末材料，對提高我國硬質合金工業生產技術水平，開發高質量高附加值的深加工硬質合金產品，具有十分重要的意義。