納米硬質合金材料機遇與挑戰

　　我國硬質合金工業經過60多年的發展，已無可爭議地成為世界硬質合金的大國。據中國鎢業協會硬質合金分會統計，近3年（2012~2014）國內硬質合金的年產量為2.2萬~2.5萬噸，占全球總產量的40%以上。我國硬質合金的生產量和消費量均占世界首位，但不是硬質合金行業的強國。與瑞典Sandvik、美國Kennametal、Inframat、德國KF、奧地利Plansee、法國Forecreu、日本Toshibatungaloy等國際著名硬質合金企業相比，我國硬質合金工業的差距體現在高端產品較少和關鍵技術缺乏突破，尤其在近年來國際上快速發展的超細和納米硬質合金領域，差距更大。

　　針對超細、納米硬質合金領域的國際發展趨勢以及我國發展的現狀和瓶頸問題，宋曉艷教授為負責人的北京工業大學硬質合金團隊，歷經10余年的基礎研究和技術開發工作，建立了超細、納米硬質合金的規模化制備與工程應用系列新技術，與國內硬質合金企業緊密合作，開發出高附加值的硬質合金材料和制品，推向高端工業應用。

　　隨著現代制造業的迅速發展和各種新型難加工材料的問世，對硬質合金工模具產品的質量和性能提出了越來越苛刻的要求。對WC基硬質合金而言，與傳統的粗晶（通常指平均晶粒尺寸13微米）硬質合金相比，超細晶（平均晶粒尺寸200~500納米）和納米晶（平均晶粒尺寸200納米以下）硬質合金具有顯著提高的硬度、耐磨性和斷裂強度，是高效率、高精度的鉆孔、切削、銑磨等高端加工技術領域無以比擬的先進材料。

　　納米硬質合金材料從上個世紀90年代后期到本世紀初涌現各種制備新方法的熱潮，隨后幾年發展納米結構、力學性能的精細表征與對比分析，再到近年來納米硬質合金規模化制備與工業應用成為國際上高度重視、體現前沿競爭力的研發焦點，這期間經歷了納米硬質合金眾多制備方法的優勝劣汰。如溶膠-凝膠/共沉淀法、等離子體法等僅限于實驗室微量合成納米WC粉末；放電等離子燒結、超高壓固結等僅限于實驗室制備形狀簡單且三維尺寸小的納米多晶材料；噴霧轉化法可以批量合成納米WC類粉末；低壓燒結可以實現高性能硬質合金的規模化生產。然而，噴霧轉化法復雜的操作步驟、高的工藝成本、苛刻的控制精度，極大地限制了該技術在我國制備納米WC類粉末的推廣應用；在低壓燒結硬質合金方面，國產超細晶硬質合金塊材/棒料的韌性、強度等性能指標明顯低于國際上同成分的超細晶硬質合金高端產品。

　　突破系列關鍵技術

　　北京工業大學硬質合金團隊，在新型高性能硬質合金材料的研發與應用方面，突破了系列關鍵技術：

　　物相可控、粒徑可調的納米WC-Co類復合粉末規模化制備技術：該技術原創性開發出以鎢鈷氧化物配碳為原料，利用固相原位反應一步合成超細或納米WC-Co類復合粉末的新途徑。具有制備路線顯著簡化、工藝流程短、設備和工藝成本低、節能環保等技術優勢。復合粉末物相純凈，氧含量低，Co含量在6~20wt%大范圍內準確可調，粒徑在超細（200~500nm）和納米（70~200nm）尺度多個尺寸級別準確可控，達到了目前國際上關于超細、納米WC類粉末的質量控制標準，而生產成本大幅度降低。復合粉末可滿足高硬度、高強韌、耐磨損、抗腐蝕等多種硬質合金燒結材料和防護涂層的使用需求。

　　高流動性、納米結構WC基噴涂粉末的規模化制備技術：該技術發明了噴霧干燥配合熱處理的造粒工藝，制備出既保持納米結構又具有高流動性的熱噴涂粉料，從根本上解決了納米粉體在熱噴涂高溫焰流中極易發生分解脫碳的國際技術難題。開發出WC-Co、WC-Co-Cr、WC- 等系列納米結構熱噴涂粉料，球形度>95%，松裝密度4.0~5.0g/cm3，流速<18s/50g，相同成分條件下性能指標超過美國Praxair、Inframat和德國Starck等國際名牌噴涂材料產品的性能。

　　高致密、高表面質量的硬質合金耐磨耐蝕涂層的制備技術：該技術對初始粉末成分、團聚造粒和熱噴涂工藝協同調節，通過配碳量設計、獨特熱處理工藝、粒度重組、熱噴涂工藝參數組合優化等，制備出高性能納米結構硬質合金涂層。涂層具有孔隙率<0.5%的高致密性；比常規微米結構涂層具有顯著提高的表面質量，表面粗糙度Ra<0.5m；具有高的硬度、耐磨性、耐蝕性和優良的強韌性配合。與相同成分和工藝條件下使用美國Praxair、Inframat公司噴涂粉料制備的微米結構涂層相比，韌性提高44%、耐磨性提高28%、耐空蝕性提高53%。

　　超細尺寸納米晶硬質合金塊材的制備技術：該技術開發出低溫區較慢升溫速率、較低壓力，高溫區分段快速加熱、較大壓力、不保溫的獨特場效應燒結工藝，制備出平均晶粒尺寸為60~100nm、致密的納米晶硬質合金塊體材料。其中平均晶粒尺寸為60nm的致密納米晶硬質合金是迄今國際上報道的達到最小晶粒尺寸的硬質合金燒結材料，其同時具有的高硬度和高斷裂韌性的性能指標，達到納米晶硬質合金燒結材料的國際前沿水平。

　　高強韌超細晶硬質合金燒結材料的制備技術：該技術基于目前國內企業所用低壓燒結設備，建立了針對原位合成超細、納米復合粉熱收縮特性的低壓燒結工藝，提出了超細晶、納米晶復相組織微觀參量與橫向斷裂強度之間的構效關系，突破了硬度、韌性反向變化的技術瓶頸，在超細晶硬質合金材料保持高硬度的前提下，獲得了高韌性和超高斷裂強度。以WC-12Co為例，燒結塊材/棒料的硬度為HRA 90~93.0，橫向斷裂強度為4800~5200MPa，與同成分燒結硬質合金相比，綜合力學性能達到國際先進水平。

　　成功研發高性能硬質合金產品

　　目前，北京工業大學硬質合金團隊先后承擔了原國家973計劃、863計劃、科技支撐計劃以及國家自然科學基金、北京市自然科學基金重點項目、北京新材料產業關鍵技術攻關項目等10余項硬質合金研發課題。在硬質合金材料和技術領域獲得國家發明專利授權30余項，在國內外知名期刊上發表學術論文100余篇，在國際、國內學術會議上作特邀報告20余次。

　　研制的高性能硬質合金得到美國、德國等國際著名硬質合金研發機構和國內權威資質部門的檢測認定。在超細、納米硬質合金材料批量穩定化制備的基礎上，開發出系列高附加值的硬質合金涂層和燒結制品，如液壓活塞涂層、引風機葉片涂層、酸軋機組夾送輥涂層、微鉆、立銑刀、高溫合金切削刀片等產品，應用于航空航天、煤炭開采、石油鉆探、熱電能源、煉鋼軋鋼、精密制造等重要工程領域。

　　以團隊開發的低成本、短流程固相原位反應合成技術制備的超細和納米WC-Co類復合粉末，是制備熱噴涂材料、耐磨耐蝕硬質合金防護涂層、高強韌硬質合金燒結塊材/棒料等的關鍵初始材料，就其性價比而言，具有優越的市場競爭力和應用前景。系列新技術適應目前國內粉末冶金行業的裝備條件和操作水平，利于成果轉化和推廣應用，可望提升高性能硬質合金產品的國產率，替代昂貴的進口產品，從而推動我國優勢鎢資源的高附加值利用。基于系統的技術鏈條發展復合制造技術，在涉及超硬、強韌、耐磨、耐蝕等工況的機械裝備關鍵部件的制造和再制造方面，都可移植應用，既能延長大型設備的使用壽命，又能有效降低裝備制造成本和使用維護費用，節約資源能源，具有廣闊發展空間。