新型纳米晶硬质合金的研究现状及发展趋势

王倩玉，秦明礼，吴昊阳，贾宝瑞，曲选辉

北京科技大学新材料技术研究院, 北京100083

硬质合金是世界上主要的粉末冶金产品之一，由WC、TiC、TaC、NbC、VC等难熔金属碳化物以及作为粘结剂的铁族金属通过粉末冶金方法制备而成[1‒3]。与高速钢相比，硬质合金具有较高的硬度、耐磨性和红硬性；与超硬材料相比，硬质合金具有较高的韧性。自从1923年问世以来，硬质合金将金属切削加工效率提高几十倍甚至上百倍，为切削加工、采掘钻探以及其他加工业带来革命性变革[4]。

近年来，全球硬质合金的产量稳步增长，2019年全球硬质合金产量约为10.87万t。如图1[5]所示，中国是世界上硬质合金产量最大的国家，占比在40%左右。国际知名硬质合金生产厂商主要有瑞典山特维克集团、美国肯纳金属公司、以色列伊斯卡公司、卢森堡森拉天时、日本三菱综合材料株式会社、日本东芝泰珂洛株式会社、中国株洲硬质合金集团有限公司与中国厦门金鹭特种合金有限公司等[6]。硬质合金产品形式分为四类：切削工具、矿用工具、耐磨用具和其他。

图1 全球硬质合金产量变化及区域分布图[5]Fig.1 Production change and regional distribution of the cemented carbides in the world[5]

如表1[7]所示，纳米晶硬质合金比普通硬质合金在硬度、韧性、抗弯强度等各项性能上均有显著提升，并且能够显著改善材料的热震性和抗氧化性。纳米晶硬质合金刀具的寿命为一般硬质合金刀具的10倍左右，高速钢刀具的10～40倍。纳米晶硬质合金的相关产品已在汽车、航空航天、国防军工、核能、发电设备、电子通讯和新能源现代制造业等领域作为高效精密刀具、微钻、微铣等被广泛应用，如图2所示，目前已占据了近20%的市场份额[8‒9]。……