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高性能超细碳化钨/钴硬质合金

发布时间: 2014-08-06 09:28:17   作者:本站编辑   来源: 本站编辑   浏览次数:

    硬质合金被誉为“工业的牙齿”,广泛应用于电子信息、数控机床、仪器仪表、精密机械、化工、冶金、航空、航天、军工等领域。

    美国纳米集团英佛曼公司拥有硬质合金的高端技术,是世界第一个具有工业规模生产的纳米技术,此乃硬质合金领域中具有划时代意义的突破。其主要优势:一是具有高耐磨性,二是具有高弹性模量,三是具有高抗压强度等。
    根据美国英佛曼公司进行的硬质合金块材料的实验,结论是:可以制作0.4μm的超细合金,并在一年之内即可实现工业化批量生产毛坯硬质合金棒材。由于英佛曼公司纳米碳化钨/钴原材料生产技术的特殊性,如该技术能进一步优化、改进,0.2μm 或小于0.2μm的超细/纳米硬质合金的研发及生产指日可待。
 
(一)技术背景
    英佛曼公司的发起人之一卡尔教授(Prof. Bernard Kear)于1986年发明了超细纳米碳化钨/钴硬质合金专利技术,解决了传统硬质合金硬度和韧性之间的矛盾。美国英佛曼公司的另一创始人之一彼得•史拉特 (Prof. Peter Strutt)教授第一次把它做成热喷涂粉末应用于表面工程上,是此领域的“开山鼻祖”。公司的技术总监萧东山博士带领他的研究团队于2002年在美国水牛城钨业公司中试成功,第一次实现超细/纳米热喷涂粉末材料产业化的梦想。经过不断的技术创新,英佛曼公司在原有超细结构热喷涂粉末的基础上,将它成功应用于高性能超细纳米硬质合金制造领域。
    进入20世纪90年代以来,围绕细化晶粒,制取超细乃至纳米结构硬质合金的研究开发,已成为世界硬质合金领域的一大热点。大量的研究发现,超细纳米晶粒硬质合金具有普通硬质合金不可比拟的优越性能,满足现代加工业以及特种应用领域的能力大幅提高。超细纳米晶粒硬质合金的这种“双高”(高耐磨性、高韧性)性能,特别适于制造高负荷、高应力磨损、要求锐利的刀钻具和精密模具等。
    英佛曼公司的硬质合金开始是采用卡尔教授发明的纳米碳化钨/钴作为原料,结合自己的晶粒长大抑制剂专利技术所开发的产品。最早的产品研发是按照卡尔教授的喷雾干燥法制造纳米碳化钨/钴,但当试产到每批75公斤时就发现无法控制产品质量(目前,中国的株洲硬质合金就是在采用该方法在继续研制产品)。美国英佛曼公司后来改变了其生产思路,改进了卡尔教授的原气相碳化法,把碳的元素从溶液配料解决,实现了批量工业化生产。
 
(二)产品性能
    理论上讲,硬质合金涂层或块材的韧性与硬度成反比,当颗粒尺寸减小到超细或纳米尺度,材料性能会发生量子变化,如机械性能,电性能,磁性能等。英佛曼材料既韧又硬的性能来源于超小颗粒和化学均一性。换言之,超细/纳米WC/Co 硬质合金在硬度和韧性上均能得到改进。
1.常规硬质合金材料和英佛曼材料的微观结构比较如图1所示。
    由于含 W、Co,及C 的原料能在分子水平均匀混合,所得新一代的超细/纳米WC/Co 金属陶瓷明显不同于常规 WC/Co材料。
 
2.英佛曼超细硬质合金具有较高的硬度和韧性, 如图2所示。理论上讲, 通常涂层或块材的韧性与硬度成反比。当颗粒尺寸减小到超细或纳米尺度,材料性能会发生量子变化,如机械性能、电性能和磁性能等。英佛曼材料既韧且硬的性能来源于超小颗粒和化学均一性。换言之,超细/纳米WC/Co 硬质合金在硬度和韧性上均能得到改进。
 
3.英佛曼烧结的块状WC/Co在冲砂条件下显示出明显的耐磨损性,如图3所示。
 
    所示为典型烧结英佛曼WC/Co超细合金在模拟深海钻井条件下的磨损情况(由ABB公司检测)。作为参照的是目前市场上最先进的材料A(山特维克Sandvik)公司的WC/Co。
4.有关专利
表1:英佛曼公司在超细/纳米碳化钨钴硬质合金领域里的有关专利。
 
# Patent No. Date Title Inventors
1 6,277,774

 

8.21.2001

Grain Growth Inhibitor for 

Superfine Materials

T.D. Xiao, C.W. Strock,  

D.M. Wang, P.R. Strutt

2 6,287,714
 
9.11.2001

Grain Growth Inhibitor for 

Nanostructured Materials

T.D. Xiao, C.W. Strock, 

D.M. Wang, P.R. Strutt

3
 
6,576,036

 

6.10.2003

Grain Growth Inhibitor for 

Superfine Materials

T.D. Xiao, C.W. Strock, 

D.M. Wang, P.R. Strutt

4 7,238,219

 

7.3.2007

Grain Growth Inhibitor for 

Superfine Materials

T.D. Xiao, C.W. Strock,  

D.M. Wang, P.R. Strutt

 
5
China Pat. ZL
200410043058.0
 
12.19.2007

Method for Production of Metal 

Carbides

D.M. Wang, Z. Zhang,
T. D. Xiao 
6 7,537,636

 

5.26.2009

Methods of Making Superfine 

Alloys

T.D. Xiao, C.W. Strock, 
D.M. Wang, P.R. Strutt
7 7,625,542

 

12.1.2009

Method for the Production of 

Metal Carbides

Z. Zhang, M. Wang,
D. Xiao, 
 
8

China Pat. ZL 

200710109804.5

 
11.17.2010
Method for the Production of
Metal Carbides
Z. Zhang, M. Wang,
T. D. Xiao
 
 
(三)在中国商业化的途径 – 年产300吨的硬质合金棒材生产厂
    中国是一个钨资源大国,据统计,全国钨储量为532.42万吨(以WO3计),占世界总储量的47%。目前每年产钨精矿约10万吨左右(以WO3计),世界市场的钨产品80%左右由中国提供。
    硬质合金的主要成分是碳化钨,我国是世界上钨资源储量最多的国家,这为我国发展硬质合金提供了得天独厚的资源条件。中国的硬质合金市场,2012年已突破23,000吨,占全球总量的40%之多,但销售额却不到全世界销售总额的20%,其主要原因是缺乏高技术含量和稳定性的高端产品,中国的高端刀具80%依靠进口。
    材料工业是国民经济的基础产业,新材料是材料工业发展的先导,是重要的战略性新兴产业。我国《新材料产业“十二五”发展规划》中特别强调发展硬质合金新材料,尤其是“纳米晶碳化钨钴硬质合金、微型刀具材料”等高技术新材料。
1.产品方案
    产品:300吨高性能硬质合金挤压型材。材质牌号:6%--12% Co超细结构硬质合金;型号规格:Φ1—25mm;主要应用领域:切削工具、耐磨零件等。
2.生产工艺流程
    本项目工艺流程见图-4如下:
 
3.项目建设周期:两年
    本项目建设期共24个月。本项目施工进度安排,如表2所示。在实施本项目中,需要开发的产品有两种,包括:复合粉 (“预制复合粉”);硬质合金型材。该产品第一年开发,第二年可以批量生产,主要工作为市场开发。
 
 
 
    中国硬质合金产业经过50多年的发展,正在逐步向高科技、高产出和高附加值的方向发展。美国纳米集团英佛曼公司的硬质合金棒材产品具有良好的市场前景和技术优势,生产工艺成熟、稳定、可靠,产品附加值高,利润空间大,填补了行业空白,有利于促进钨产业链向精深加工及高附加值方向发展。

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