[00946121]高性能低成本细晶粒无钴金属陶瓷制备技术

硬质合金是国内外使用广泛的硬质材料，2008年全球产量达3.8万吨，中国约占1.5万吨。随着航空航天、汽车等行业的发展，2009年全球硬质合金刀具用量超过120亿美元，中国约占1/3。然而，生产硬质合金的主要原料钨和钴属稀缺战略资源，全球探明储量分别约为290万吨和710万吨，各国已制定政策对其进行战略储备或限量开采。同时，随着高强度结构钢等难加工材料用量的迅速增加，硬质合金刀具不能满足难加工材料高速高效干式切削的要求。从资源节约和制造业发展角度考虑，迫切需要研发新型硬质材料。无钴碳氮化钛基金属陶瓷的主要原料资源丰富，红硬性、抗氧化性和耐蚀性优于碳化钨-钴硬质合金和含钴碳氮化钛基金属陶瓷。若能解决其抗弯强度低的世界性难题，则是制作高速高效干式切削刀具、热成形模具和高温耐磨耐蚀零件的理想材料。制备高强度无钴金属陶瓷面临三个关键技术难题：陶瓷晶粒的环形相塑性差；陶瓷颗粒易聚集长大；相界面结合强度低。项目组1990年开始从事无钴金属陶瓷研发，主要技术发明如下：1.发明了改变环形相价电子结构实现增强的方法。针对环形相塑性差的难题，研究了环形相价电子结构对其塑性的影响规律。加入0.5%-1.5%碳化铬，使环形相主要键上的共价电子数之和降低，提高环形相塑性，使材料抗弯强度提高50%-110%，为高强度无钴金属陶瓷的成分设计奠定了基础。2．发明了陶瓷晶粒细化增强的方法。针对烧结过程中陶瓷颗粒易聚集长大的难题，细化陶瓷相粉末，并加入1%－3%碳化铌等品粒长大抑制剂，抑制陶瓷晶粒长大，使材料抗弯强度提高10%－25%；添加10%-20%纳米碳化钛和纳米氮化钛粉末，使陶瓷晶粒细化与材料致密化，材料抗弯强度提高20%-30%。3．发明了高强度无钴金属陶瓷的制备技术。陶瓷相粉末微晶化；在液相出现前充分固相烧结，使陶瓷颗粒表面形成内环相；控制液相烧结后的冷却速度，使固/液界面前沿液相中产生成分过冷，形成微晶化相界面过渡层。该发明解决了相界面结合强度低的难题。基于上述发明，开发的系列细晶粒无钴金属陶瓷硬度84-93HRA，抗弯强度≥1800MPa．综合性能优于应用最广泛的含钴金属陶瓷N3O8、N310和硬质合金YG8、YT15；制造成本为硬质合金的35%-55%。细晶粒无钴金属陶瓷刀具适合高速高效干式切削高强度结构钢等难加工材料；与硬质合金刀具相比，切削效率和使用寿命分别提高1-3倍和1-2倍，精加工工件表面质量提高1-2个技术等级。已在中国航天科工集团061基地等多家大型企业广泛应用。细晶粒无钴金属陶瓷热挤压模具使用寿命比常用3Cr2W8V钢模提高15-20倍，已在洛阳铜骏工模具有限公司等单位应用。细晶粒无钴金属陶瓷刀具和模具已在株洲明日硬质合金有限公司等三家单位批量生产，近3年新增利润4070万元，新增税收1715万元，创收外汇452万美元，节支8000余万元。申请发明专利10项，其中7项已授权；发表学术论文211篇，被SCI、EI和ISTP收录合计150次；获湖北省技术发明奖一等奖、中国专利奖优秀奖。