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    纳米晶碳化钨硬质合金工具

    时间:2015-10-19 21:24:20来源:本站人气:1220

          硬质合金是一种重要的刀具材料和模具材料,对工业的发展和社会的进步有着举足轻重的作用。我国是硬质合金生产大国,但其产品平均售价仅是国外发达国家的1/4~1/2,大部分产品仍属于低技术含量和低附加值的初级产品。纳米技术的出现,提升了我国硬质合金的技术含量,使改变落后的产业结构成为可能。

          由于普通的硬质合金是脆性材料,在通常情况下,当普通的硬质合金硬度高时,其强度就会偏低,而当普通的硬质合金强度高时,则硬度就会偏低,即在硬度和强度之间存在材质本身的性质矛盾。最佳的方案只能是平衡这两个性质,取一个相对最优值,因此,使这两种性质有效结合起来一直是人们努力的方向。纳米技术的发展,使二者的统一成为可能。研究表明,保持硬质合金中钴含量不变的情况下,使用1μm以下碳化钨晶粒进行烧结,硬质合金的硬度和强度就可以同时提高,而且提高的幅度会随着碳化钨晶粒度进一步减小而变大。当显微结构的尺寸减小到5nm时,合金的性能会发生突变,成为具有高硬度、高耐磨性和高韧性的硬质合金材料,这为解决硬质合金硬度和强度之间的矛盾提供了一种有效途径。

          习惯上人们把碳化钨晶粒在1μm左右的合金称为细晶粒硬质合金,把小于1μm而在0.5μm左右的合金称为纳米晶硬质合金,当其晶粒进一步缩小到100μm以下时,其烧结温度也会大为降低。纳米碳化钨一钴硬质合金,因其特殊的耐磨蚀、高硬度,以及优异的断裂韧性和抗压强度而被广泛应用于现代科技的各个领域,并已被制成加工集成电路板的微型钻头、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙钻、难加工材料刀具等。例如,钴含量在10%以下的纳米合金的耐磨性是普通合金的3~10倍,钴含量在10%~20%的高钴合金,可用于制造电子工业集成电路板的微型钻,其寿命超过高速钢的50倍。随着世界进入电子时代以及各种难加工材料的问世,纳米硬质合金的需求量愈来愈大,迄今为止世界上已有90多种纳米硬质合金。

         其主要应用概括为以下几个方面:

         (1)金属加工用刀具
         纳米碳化钨硬质合金突破了普通硬质合金的抗弯强度远比高速钢低这个局限,其应用已延伸到高速钢占统治地位的领域。纳米碳化钨硬质合金在强度和韧性方面优于亚微细合金,因而更适用于高温合金、钛合金、不锈钢、各种喷涂(焊)材料、淬火钢、冷硬铸铁等难加工材料的切削加工需要。

         在韧性较好的硬质合金基体上,通过化学气相沉积、物理气相沉积、高速火焰喷涂等方法涂覆一层很薄的耐磨金属化合物,可使基体的强韧性与涂层的耐磨性相结合,从而提高硬质合金刀具的综合性能。

          涂层硬质合金刀具具有良好的耐磨性和耐热性,特别适合高速切削;由于其耐用度高、通用性好,用于小批量、多品种的柔性自动化加工时可有效减少换刀次数,提高加工效率;涂层硬质合金刀具抗月牙洼磨损能力强,刀具刃形和槽形稳定,断屑效果及其他切削性能可靠,有利于加工过程的自动控制;涂层硬质合金刀具的基体经过钝化、精化处理后尺寸精度较高,可满足自动化加工对换刀定位精度的要求。

          (2)电子工业用精密机械部件
          随着信息技术的发展,微小型化、高度集成化、高度精密化成为电子工业产品的发展趋势。由于通常用环氧树脂黏结玻璃纤维或玻璃纤维增强的塑料作为集成电路板材质,微型钻头具有很高的硬度和耐磨性才能满足加工要求;而直径在50μm以下的钻头易折断,所以要求钻头有高的强度和韧性,同时,由于钻孔很小,只有很好的孔位精度才能满足钻孔的要求,这就对钻头提出很高的刚度要求。对于普通硬质合金以及亚微细晶粒硬质合金钻头来说,这些要求相互矛盾,难以同时满足。但是用晶粒度小于0.5μm的纳米晶粒硬质合金可以同时实现这些要求。另外,还有印刷电路板引线切头用的圆片切刀以及精密的小模具等,都要求使用纳米晶粒碳化钨硬质合金来制作以实现其功能。

         (3)木材加工用工具
         由于硬质合金的硬度高,在木材加工方面颠有优势,因此在20世纪中叶,硬质合金工具就被用于木材加工行业。但是随着技术进步,出现人工合成板材以及一些特殊板材,对加工精度和外观提出了更高的要求。然而普通硬质合金难以满足高速切割时的离心力、切削力等加工要求,于是纳米晶碳化钨硬质合金就派上了用场。

         (4)医学用精密机械部件
          纳米晶碳化钨硬质合金具有高强度、高韧性和耐磨性的特点,使其特别适合用作医用牙钻等精细仪器。对于牙钻来说,要求其切口必须锋利,而且要同时具有很好的耐磨性和韧性,纳米晶碳化钨硬质合金均能满足这些要求,因此在这一领域得到广泛的应用。

         (5)其他应用
         纳米晶粒碳化钨硬质合金由于其晶粒细小,作刀具可以磨出精度极高、锋利的切削刃和刀尖圆弧半径;因其高强度就可用于制作小直径立铣刀、小铰刀等大前角、小进给量和小吃刀量的精细刀具;因其高弹性模量、抗摩擦磨损性能,可用于制作高精度模具、冲头等;另外还可用于制作高压喷嘴、阀门、高压枪、玻璃刀、纺织品切刀等高耐磨、耐冲蚀工具。

         由于纳米晶硬质合金材料具有纳米级的显微结构,因此具有极高的硬度和韧性,从而实现了过去难以达到的力学性能,为硬质合金在切削刀具、印刷板电路钻头等方面的发展提供了崭新的前景,成为国内外材料研究和开发的热点之一,也是硬质合金工业发展的重要方向。因此,充分利用好我国的钨矿资源,研究和开发纳米硬质合金材料,对提高我国硬质合金工业生产技术水平,开发高质量高附加值的深加工硬质合金产品,具有十分重要的意义。

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