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科研成果

纳米碳化钨-钴复合粉末制备技术

一、成果内容简介:

  纳米碳化钨-钴(WC-Co)复合粉末是制备高性能硬质合金和耐磨涂层的主要原料。

  硬质合金自20世纪30年代问世以来,在工业生产中一直占据着重要位置,被誉为工业的牙齿。但长期以来,硬质合金的硬度和强度之间的矛盾,即提高硬度导致强度降低,提高强度又引起硬度下降,一直未得到有效解决。纳米WC-Co复合粉末的出现,有效地解决了这一难题。研究发现,当硬质合金中WC的平均晶粒度降低到1 µm以下时,合金的硬度和强度不仅能同时提高,而且提高的幅度会随着WC晶粒度的进一步减小而增加。采用纳米晶WC-Co复合粉末可以制成超细晶结构的WC-Co硬质合金,其WC相的平均晶粒度小于0.5µm

  近年来,国内外研究出多种制备纳米晶WC-Co复合粉末的方法,应用最多的是机械合金化方法,此外还有热化学法、氧化共还原法及喷雾热转换法等。

  一种制备纳米晶WC-Co复合粉末的新方法—“雾化干燥-固定床技术,在实验室研制成功后,已申请了国家发明专利。目前已基本完成工业性试验。

  1、主要内容和特点如下:

  (1) 采用含有钨、钴的可溶性盐制成化学成分均匀混合的前驱体溶液,再通过雾化干燥、焙烧、还原和碳化处理制成纳米晶WC-Co复合粉末;

  (2) 可以根据实际需要设计纳米晶WC-Co复合粉末的成分,也可以加入一些其它合金元素及晶粒长大抑制剂,并能准确控制其含量。

  (3) 所制备的纳米晶WC-Co复合粉末,WC相的晶粒尺寸为60纳米,并且氧等杂质含量低。

  (4) 制备工艺简单、全套设备国产化、成本低、产量大,性能价格比高。

  2、成果水平:

  国内同行专家评价:大量实验证明该项新技术可行,居国内领先水平;达到了国外同类技术的先进水平。根据工艺要求自行研制了全部中试规模所需的生产设备,初步建成了工业制备纳米结构WC-Co复合粉末实验线。

      生产的纳米晶WC-Co复合粉末产品,已用于制备硬质合金和耐磨涂层。中南大学粉末冶金研究所应用本产品制备硬质合金,认为粉末的工艺性能极好;沈阳大陆激光公司,用纳米晶WC-10%Co复合粉末运用激光表面溶覆制备大型轧辊表面强化层,使轧辊使用寿命提高一倍;第二炮兵工程学院,采用低温超音速喷涂工艺,获得纳米晶WC-Co合金强化表面,喷涂层不仅耐磨耐蚀,而且表面光滑平整、结构致密,并与基体结合强度高;美国Kennametal公司使用本产品进行工艺试验,认为粉末的各项技术指标完全满足公司要求。

二、主要技术指标:

  纳米晶WC-Co复合粉末的主要技术指标为:

  硬质相WC的平均晶粒度≤60nm
  粉末的平均颗粒度≤300nm
  游离C含量≤0.09%
  O2含量≤0.25%
  其余杂质总量<0.5%

三、应用范围:

  纳米晶WC-Co复合粉末有很广泛的用途,主要用于制备高性能硬质合金及耐磨涂层。然而,目前国内的生产厂家还不具备生产纳米晶WC-Co复合粉末的能力,国外公司对我国基本上采取只销售合金、对高质量WC-Co复合粉体的生产进行保密的策略。

  四、市场前景及经济效益预测:

  硬质合金是一种优良的工具材料和结构材料,其用途极其广泛,几乎涉及到国民经济的各个部门和现代技术的各个领域。据估计,2000年全世界硬质合金的总产量为4.2万吨,贸易量在1万吨以上,贸易额达100亿美元。其中WC-Co是产量最大、用途最广的一类硬质合金,每年全世界市场需求量在2万吨以上。仅切削工具,全世界每年大约有20亿美元以上的需求量。

  目前,美国Nanodyne公司已用纳米晶WC-Co复合粉末成功地制作印刷电路板钻空用的微型钻头,而且磨损实验表明:采用纳米WC-Co复合粉制备的钻头的磨损率比标准微晶钻头低3040%,其寿命约为标准钻头的2.9倍。据日本产业界统计,在计算机线路板加工行业中,每年需此种硬质合金麻花钻6000万支(约180亿元),全世界需求量每年近4亿支,且随着微电子、信息技术的飞速发展,该市场呈增长趋势。由于目前不具备工业化生产纳米复合粉的技术和能力,只能用微米晶硬质合金替代,仅计算机行业每年就需30吨微米晶硬质合金。除了制备微型钻头外,纳米复合粉还有广泛的应用领域,其中包括各种切削工具、凿岩钻齿、模具、耐磨零件、轴承等以及特殊用途的刀具,例如切断刀、医用解剖刀、磁带切刀、高性能锯片等。在这些刀具中,只有用纳米复合粉制备才能保持其锋利的切削刃。

  最新研究表明:纳米WC-Co复合粉末用作耐磨涂层材料显示出很好的效果,采用快速熔化、快速冷凝的热喷涂技术制备的涂层,使粉末的纳米结构特性得以保持,从而显著提高了硬质合金耐磨涂层的性能。美国的Connecticut大学由Dr.Maurice Gell领导的一支由大学、工业界、科研机构以及海军的科学家和工程师们联合组成的庞大研究团队,在Office of Naval Research Science and Technology AffordabilityInitiativeDODDual Use S&T Program的支持下,正在努力将纳米WC-Co粉末用于舰艇、飞机以及陆军车辆的热喷涂。

  钨是制备纳米WC-Co复合粉体的的主要原料,属稀有金属。全世界只有中国钨矿资源丰富,约为世界总储量的52%,西方发达国家占25%,美国只占5.9%,其它一百多个国家分割其余的17.1%钨矿储量。毫无疑问,这是我国研究和发展纳米WC-Co复合粉末和合金的最有利的基本条件。截止1998年,我国的硬质合金年产量已达7,000吨以上,钨金属产量占世界总产量的76%,钨品出口量约占国际市场的80%,均居世界首位。然而,但长期以来,我们只廉价出口钨矿资源和钨的初级产品,却从西欧、日本、美国等国大量进口硬质合金深加工成品。加入WTO后,会有更多的外国跨国公司来华投资,外资企业的硬质合金产品将进一步挤占国内市场,其出口贸易即将面临更激烈的竞争。因此,大规模工业化生产高性能的硬质合金势在必行,其前提是必须大规模工业化制备纳米WC-Co复合粉体。总之,纳米WC-Co复合粉末具有不可估量的潜在市场。




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