物理學界的研究認為,當材料顆粒不斷減小,直到進入凝聚態(tài)物理學中的特征長度,如電子的波長,平均自由程長度,將會出現(xiàn)一種物理極限。這時,很多傳統(tǒng)的物理規(guī)律將不復(fù)存在,而出現(xiàn)光、電纽竣、磁、化學茧泪、機械性能的奇異變化,構(gòu)成全新的“介觀物理”領(lǐng)域蜓氨。這時,材料穎粒尺度在100nm以下,直到接近于原子尺寸0.2nm～0.3nm,這種材料被稱為“納米材料”。

硬質(zhì)合金是一種重要的刀具材料和模具材料,對工業(yè)的發(fā)展和社會的進步有著舉足輕重的作用队伟。但硬質(zhì)合金是脆性材料,其硬度和強度之間存在著矛盾:硬度高則強度偏低,而強度高則硬度偏低穴吹。緩和兩者矛盾使二者有效結(jié)合起來是人們一直努力的方向幽勒。1984年德國科學家H.Gleiter首次成功研制出納米晶體材料,這一成果開辟了材料史的新紀元,世界眾多科學家競相對這一“新材料”進行廣泛而深入的研究。研究發(fā)現(xiàn),硬質(zhì)合金中,在鈷相含量不變的情況下,當WC晶粒降到1μm以下時,硬質(zhì)合金的硬度和強度同時提高,而且這一提高的幅度隨著晶粒度進一步減小而更加明顯港令。當顯微結(jié)構(gòu)的尺寸減小到5nm時啥容。合金的性能會發(fā)生突變,這為解決硬質(zhì)合金硬度和強度之間的矛盾提供了一種有效途徑。納米晶硬質(zhì)合金是納米材料中的一個分支,是繼發(fā)現(xiàn)納米晶的陶瓷材料在具有較高硬度的同時又具有高的斷裂韌性和延展性后,用納米級的WC/Co粉末作原料,生產(chǎn)出的具有高硬度顷霹、高耐磨性和高韌性的硬質(zhì)合金材料咪惠。納米級硬質(zhì)合金的出現(xiàn)是硬質(zhì)合金領(lǐng)域中的一場革命,由于這種合金具有納米級的顯微結(jié)構(gòu),因此具有極高的硬度和韌性,從而實現(xiàn)了過去難以達到的力學性能。納米級硬質(zhì)合金的問世,為硬質(zhì)合金在切削刀具,印刷板電路鉆頭等方面的發(fā)展提供了嶄新的前景泼返。

習慣上人們把WC晶粒在1μ左右的合金稱為細晶粒硬質(zhì)合金,把小于1μ而在0.5μ左右的合金稱為納米晶硬質(zhì)合金等盏。Co含量在10%以下的納米合金的耐磨性是普通合金的3～10倍,10%～20%Co的高鈷合金,用于電子工業(yè)集成電路板的微型鉆,其壽命超過高速鋼的50倍。隨著世界進入電子時代以及各種難加工材料的問世,納米硬質(zhì)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(zhì)合金牌號沥卦。

1納米晶硬質(zhì)合金顯微組織和力學性能

顯微組織

納米晶硬質(zhì)合金的顯微組織非常細小,決定了其優(yōu)良的力學性能缩睛。但由于納米粉末的制備方法、燒結(jié)工藝不同辩钢。其顯微組織也各不相同辉召。Jia等在1350℃燒結(jié)用噴霧轉(zhuǎn)化法制備的納米WC-Co粉末,得到納米硬質(zhì)合金WC晶粒尺寸約為70nm,其晶粒的邊界與普通的硬質(zhì)合金相同,同樣是平直的邊界。但其位錯密度反而明顯少于普通的硬質(zhì)合金沛三。用不同的制備方法來制備的納米硬質(zhì)合金粉末,其粉末的顯微結(jié)構(gòu)有很大的不同,如采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(fā)生較大的變形,而且堆積大量的位錯影虫。盡管燒結(jié)時位錯大部分消除,但仍然有很高的位能。

力學性能

隨著粘結(jié)相自由程的減小,硬質(zhì)合金的維氏硬度顯著提高:當鈷粘結(jié)相平均自由程為30mn時,其維氏硬度高達2300kg/mm2以上墩衍。而且裂紋擴展阻力也隨著提高,相應(yīng)提高合金的韌性跛农。

刀具切削性能

納米晶硬質(zhì)合金制作的刀具產(chǎn)品具有非常優(yōu)異的使用性能。比如RTW公司制造的印刷電路板納米硬質(zhì)合金鉆頭與普通硬質(zhì)合金鉆頭相比較,鉆相同數(shù)量的微孔時其磨損量小很多谢市。

2在硬質(zhì)合金領(lǐng)域,納米技術(shù)的一些開發(fā)和應(yīng)用方向

納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā)

納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā)可歸納如下幾方面:

(1)納米晶硬質(zhì)合金的研制打破了常規(guī)硬質(zhì)合金生產(chǎn)中的一些定律,即硬度提高必然伴隨韌性下降的結(jié)論沼币。

(2)研究和開發(fā)還處在初級階段、工藝與技術(shù)有待完善和創(chuàng)新,批量生產(chǎn)還有待突破寞奸。

(3)根據(jù)WC-Co的納米尺度來推斷產(chǎn)品的晶粒度和性能的理論已起步呛谜。

(4)納米WC-Co硬質(zhì)合金材料燒結(jié)過程中晶粒長大迅速,材料中很易出現(xiàn)致密度不高、晶粒粗大枪萄。有關(guān)添加晶粒生長抑制劑防止燒結(jié)過程中晶粒瘋長的報導(dǎo)文獻較多,但有關(guān)低溫燒結(jié)納米硬質(zhì)合金的報導(dǎo)不多隐岛。

(5)對于納米材料晶界的研究多為表象研究,尚未形成明確、深刻瓷翻、系統(tǒng)的理論,而且對于納米WC-Co硬質(zhì)合金材料晶界作用機理的研究報道很少聚凹。

(6)納米WC-Co硬質(zhì)合金的燒結(jié)工藝的改進和創(chuàng)新,以及對其燒結(jié)特性、燒結(jié)機理的研究是今后研究的重點齐帚。

納米晶或納米結(jié)構(gòu)以下的硬質(zhì)合金,將是本世紀的開發(fā)重點,會是一次技術(shù)革命元践。目前,將是重點對描述納米晶硬質(zhì)合金的專業(yè)名詞術(shù)語進行標準化構(gòu)想,對晶粒尺寸進行預(yù)測,能對硬度和磁性能推導(dǎo)出一個理想模型。對一些合適的經(jīng)驗公式講行規(guī)范化整理,晶粒尺寸測量標準化。

未來納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā),無金屬粘接相的合金開發(fā)將是熱門单旁。具有高度催化制造WC-Co復(fù)合超微粉的構(gòu)造系統(tǒng)將最有前途沪羔。納米晶硬質(zhì)合金的開發(fā)將給人類帶來巨大的效益。納米晶硬質(zhì)合金的產(chǎn)業(yè)化即將來臨象浑。

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