项目推介(9) | ——先进硬质合金制造领域高校优质成果推介

先进硬质合金制造领域高校优质成果推介

碳化钨(WC)作为钨冶炼企业生产的重要产品，具有高熔点、高硬度、高导热性和导电性等优点，是一种性能优异的硬质合金原材料，被广泛应用于航空航天、军事、采矿、金属切削等行业，目前世界上绝大部分钨都是以WC形式用于硬质合金领域。目前国内外制备超细碳化钨的方法主要有氧化钨直接碳化法、气相碳化法、高能球磨法、等离子体法等。现阶段批量生产超细碳化钨的工艺仍然以氢还原—碳化法为主，具体来说就是以仲钨酸铵作为原料，对仲钨酸铵煅烧得到氧化钨，氧化钨氢还原得到钨粉，钨粉配碳后于1400℃左右通氢碳化，碳化完成后用球磨机或者气流粉碎技术对碳化钨进行破碎，最后制得WC粉末。

有研究表明，硬质合金的机械性能与碳化钨的晶粒尺寸紧密相关，当碳化钨的晶粒尺寸减小到微米甚至纳米级别时，碳化钨基硬质合金的硬度、强度、韧性、耐磨性等性能显著提升。然而现有通用的氧化钨氢还原过程制备方法制得的碳化钨的粒径较大，且颗粒容易出现团聚，此外，需要专用设备，制备成本较高。

因此，发明人所制备的粒度为0.2～0.3微米的超细钨粉为原料，在碳化温度为1350℃，碳化时间为10min/舟的条件下，成功制备出了粒度为0.4～0.5微米的超细碳化钨粉，氧化钨粉还原碳化机理分析及超细碳化钨粉的制备，稀有金属与硬质合金，2018，46(02):11-15+20)。

1、采用MWO4和碳还原剂固-固反应机制，进一步配合所述的比例以及温度的联合控制，能够获得超细碳化钨，还能够有效降低颗粒团聚，此外，还有助于控制积碳，降低M金属残留，改善M的回收率。

2、紧密衔接钨冶炼工艺，可从本质上解决传统钨冶炼工艺中氨氮废水排放大、治理成本高的难题。

3、整个工艺过程流程较短，工艺简单，成本较低。

（1）专利权人：中南大学

（2）专利名称：一种超细碳化钨的制备方法 

（3）申请号：CN202111413525.4（中国发明专利），

（4）申请日：2021年11月25日，有效期至2041年11月24日

（5）所属领域：硬质合金机制造，IPC分类：C01B32/949

（6）合作方式：专利许可、专利转让、产学研

3D打印技术(3D Printing)的出现为复杂异形硬质合金产品的制造提供了解决途径。目前，用于研究硬质合金3D打印的方法主要有：基于高能束的激光选区熔化(SelectiveLaser Melting,SLM)/激光选区烧结(Selective Laser Sintering,SLS)/激光工程化净成形(Laser Engineered Net Shaping,LENS)；基于挤出成型的熔丝制造(Fused FilamentFabrication,FFF)/直写成型(Direct Ink Writing,DIW)；以及基于喷射的粘结剂喷射打印(Binder Jet Printing,BJP)等。

但是这些3D打印方法均存在诸多问题。例如：基于高能束的SLM/SLS/LENS等方法不仅对原材料粉体性能要求高(纯度高、粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松装密度高等)，而且在打印过程中WC相在高能光束的照射下极易失碳转变为W2C导致物相不纯；基于挤出成型的DIW和FFF3D所打印的硬质合金表面质量较差，存在明细的层间痕迹，局部内部有不连续的大孔洞和弥散分别的小孔洞；与基于高能束的SLS/SLM等方法相同，基于喷射的BJP方法也对硬质合金粉体性能有要求，且成型的硬质合金部件形状简单。

因此，亟需一种新的3D打印制备三维结构硬质合金的方法来解决此类技术问题。

1、制备策略巧妙：采用的有机物在3D打印成形过程中发生聚合，起到成形的作用；并且在后续高温烧结碳化过程中，有机物可以起到碳源的作用。

2、3D打印的硬质合金表面质量高：采用含钨墨水进行打印成形，解决了其他硬质合金3D打印方法难以解决的表面质量问题。

3、对原材料要求低：通过钨化合物高温还原的转化方式获得硬质合金，钴化合物还原为金属钴，避免了其他3D打印方法对粉体的高要求。

4、成本低，适宜于工业生产应用：本发明采用基于光固化的3D打印即可，如SLA、DLP、CLIP、HRAP等均适用。

（1）专利权人：中南大学

（2）专利名称：一种采用光固化3D打印制备三维结构硬质合金的方法 

（3）申请号：CN202210239428.6（中国发明专利）

（4）申请日：2024年3月13日，有效期至2044年3月12日

（5）所属领域：硬质合金制造，IPC分类：B22F1/105

（6）合作方式：专利许可、专利转让、产学研

由于金属陶瓷材料的固有脆性，其断裂韧度相对较低，容易在受力过程中产生裂纹和断裂，从而限制了其在更为苛刻条件下的应用；为了提高金属陶瓷刀具的断裂韧度和使用寿命，研究人员和工程师们持续探索各种可能的解决方案；其中一种有效的方法是通过引入残余应力来增加材料的断裂韧度。残余应力可以通过材料加工过程中的适当控制来实现，例如通过喷砂处理或热处理等方法；残余应力的存在能够有效地抵抗裂纹的扩展，从而显著提高刀具在实际应用中的耐用性和可靠性。

另外，为了确保金属陶瓷刀具具备良好的综合性能，包括硬度、密度、抗弯强度等，对刀具基体的制备过程进行精细的控制和优化是至关重要的；这包括材料的预处理、混合、压制和烧结等关键步骤；特别是，微波烧结技术由于其能够提供快速、均匀的加热和高效的能量转换，已成为一种制备高质量的金属陶瓷刀具的有效技术。

查阅相关已公开技术方案，某方案将TiC、TiN、Ni、WC、Mo、Cr3C2和石墨粉末作为基体材料混合球磨，再加入镀镍SiC晶须经球磨混料、模压成型、脱脂和烧结制成，最终生成相中硬质相为TiCN、粘结相为Ni、增韧相为SiC；该方案制备的刀具高温红硬性、耐磨性、化学稳定性和抗冲击韧性好，切削温度高，适合高速高效切削加工；但该方案没有对加工过程中影响刀具性能的相关因素进行精确控制，且无法根据实际需求和使用情况对加工过程作出调整，从而导致刀具基体综合性能的不稳定和较低的使用可靠性。

因此，针对目前所存在的不足，研发了残余应力增韧金属陶瓷刀具的加工系统。

1、通过微波烧结单元对微波烧结过程中的烧结温度和保温时间的控制设定，从而确保刀具基体制备的致密化和性能优化；

2、通过性能测试模块能够全面评估刀具基体在烧结完毕后的综合性能，包括密度、硬度、断裂韧度和抗弯强度，为后续加工和参数调整提供实时且准确的数据支持；

3、通过设置综合评价函数来控制调整保温时间，综合考虑了保温时间对于密度、硬度、断裂韧度和抗弯强度的影响，实现了对刀具基体性能的多维度、全面的评估，从而确定出最佳的保温时间使得刀具获得最佳的综合性能；

4、通过喷砂处理单元结合参数预测模型，喷砂处理单元能够根据残余应力的检测结果自动调整工艺参数，实现更加智能和高效的工艺控制，从而调整刀具基体内的残余应力分布，增强刀具基体的抵抗疲劳裂纹扩展的能力，从而延长刀具的使用寿命；

5、通过参数调整模块能够调整改变加工过程参数，如调整综合评价函数中的权重系数，从而使加工产品更能满足实际需求。

（1）专利权人：湘潭大学

（2）专利名称：一种残余应力增韧金属陶瓷刀具的加工系统  

（3）申请号：CN202311787887.9（中国发明专利）

（4）申请日：2023年12月25日，有效期至2043年12月24日

（5）所属领域：硬质合金机加工，IPC分类：B22F5/00

（6）合作方式：专利许可、专利转让、产学研