纳米晶硬质合金的组织性能及应用

    物理学界的研究认为，当材料颗粒不断减小，直到进入凝聚态物理学中的特征长度，如电子的波长，平均自由程长度，将会出现一种物理极限。这时，很多传统的物理规律将不复存在，而出现光、电、磁、化学、机械性能的奇异变化，构成全新的“介观物理”领域。这时，材料颖粒尺度在100nm以下，直到接近于原子尺寸0.2nm～0.3nm，这种材料被称为“纳米材料”。
    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。但硬质合金是脆性材料，其硬度和强度之间存在着矛盾:硬度高则强度偏低，而强度高则硬度偏低。缓和两者矛盾使二者有效结合起来是人们一直努力的方向。1984年德国科学家H.Gleiter首次成功研制出纳米晶体材料，这一成果开辟了材料史的新纪元，世界众多科学家竞相对这一“新材料”进行广泛而深入的研究。研究发现，硬质合金中，在钴相含量不变的情况下，当WC晶粒降到1µm以下时，硬质合金的硬度和强度同时提高，而且这一提高的幅度随着晶粒度进一步减小而更加明显。当显微结构的尺寸减小到5nm时。合金的性能会发生突变，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。纳米晶硬质合金是纳米材料中的一个分支，是继发现纳米晶的陶瓷材料在具有较高硬度的同时又具有高的断裂韧性和延展性后，用纳米级的WC/Co粉末作原料，生产出的具有高硬度、高耐磨性和高韧性的硬质合金材料。纳米级硬质合金的出现是硬质合金领域中的一场革命，由于这种合金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。纳米级硬质合金的问世，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。
    习惯上人们把WC晶粒在1µ左右的合金称为细晶粒硬质合金，把小于1µ而在0.5µ左右的合金称为纳米晶硬质合金。Co含量在10%以下的纳米合金的耐磨性是普通合金的3～10倍，10%～20%Co的高钴合金，用于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多个纳米硬质合金牌号。
    1 纳米晶硬质合金显微组织和力学性能
    显微组织
    纳米晶硬质合金的显微组织非常细小，决定了其优良的力学性能。但由于纳米粉末的制备方法、烧结工艺不同。其显微组织也各不相同。Jia等在1350℃烧结用喷雾转化法制备的纳米WC-Co粉末，得到纳米硬质合金WC晶粒尺寸约为70 nm，其晶粒的边界与普通的硬质合金相同，同样是平直的边界。但其位错密度反而明显少于普通的硬质合金。用不同的制备方法来制备的纳米硬质合金粉末，其粉末的显微结构有很大的不同，如采用化学法合成与机械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是机械球磨使晶粒发生较大的变形，而且堆积大量的位错。尽管烧结时位错大部分消除，但仍然有很高的位能。
    力学性能
    随着粘结相自由程的减小，硬质合金的维氏硬度显著提高:当钴粘结相平均自由程为30 mn时，其维氏硬度高达2300kg/mm²以上。而且裂纹扩展阻力也随着提高，相应提高合金的韧性。
    刀具切削性能
    纳米晶硬质合金制作的刀具产品具有非常优异的使用性能。比如RTW公司制造的印刷电路板纳米硬质合金钻头与普通硬质合金钻头相比较，钻相同数量的微孔时其磨损量小很多。
    2 在硬质合金领域，纳米技术的一些开发和应用方向
    纳米晶硬质合金的开发

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