高性能低成本無鈷金屬陶瓷制品及其產(chǎn)業(yè)化

◎華中科技大學(xué)教授 熊惟皓

高性能低成本無鈷金屬陶瓷制品及其產(chǎn)業(yè)化

◎華中科技大學(xué)教授 熊惟皓

“高性能低成本無鈷金屬陶瓷制品及其產(chǎn)業(yè)化”項目屬于新材料領(lǐng)域。硬質(zhì)合金是目前應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)材料，主要用于制作工模具和耐磨零部件，但高溫性能不理想，制約了其應(yīng)用，且主要原料鎢為稀缺戰(zhàn)略資源，全球鎢探明儲量約為290萬噸，面臨資源枯竭，美、日、中等多國已頒布法規(guī)對鎢進行戰(zhàn)略儲備或限量開采。因此，迫切需要研發(fā)高溫性能優(yōu)異、稀缺戰(zhàn)略資源含量少的硬質(zhì)材料，以促進制造業(yè)的發(fā)展，并實現(xiàn)鎢資源的可持續(xù)利用。

開發(fā)的部分代表性無鈷金屬陶瓷產(chǎn)品

無鈷金屬陶瓷采用碳氮化鈦作陶瓷相、鎳作金屬粘結(jié)相，耐高溫、耐磨性、耐腐蝕性優(yōu)于硬質(zhì)合金和含鈷金屬陶瓷。制作該陶瓷的主要原料鈦，資源豐富，全球探明儲量達24億噸，是制作高端工模具和耐磨零部件的理想材料。但自問世以來，無鈷金屬陶瓷強韌性低的難題長期未得到解決，致使其無法得到應(yīng)用和推廣。

華中科技大學(xué)1990年開始從事無鈷金屬陶瓷應(yīng)用基礎(chǔ)研究，依托材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室良好的科研條件，發(fā)明了陶瓷晶粒環(huán)形相增塑實現(xiàn)增強增韌、陶瓷晶粒亞微米化/納米復(fù)合增強增韌、相界面微晶化增強增韌等制備技術(shù)，解決了無鈷金屬陶瓷難以兼有高硬度和高強韌性的世界性技術(shù)難題。學(xué)校自主開發(fā)的系列高性能低成本無鈷金屬陶瓷材料，經(jīng)國家權(quán)威質(zhì)檢部門檢測，其硬度89-93HRA、抗彎強度≥1800MPa，填補了國內(nèi)外高性能無鈷金屬陶瓷材料的空白，且綜合性能優(yōu)于國內(nèi)外常用金屬陶瓷和硬質(zhì)合金，生產(chǎn)成本比硬質(zhì)合金低45%～65%，適合制作高效干式切削刀具、熱成形模具和高溫耐磨零部件。

本項目開發(fā)的高性能無鈷金屬陶瓷刀具適合高效干式切削高強度結(jié)構(gòu)鋼、鐵基高溫合金、不銹鋼等難加工材料，與YT15等常用硬質(zhì)合金刀具相比，切削效率、使用壽命分別提高1～3倍和1～2倍，工件表面質(zhì)量提高1～2個技術(shù)等級，可實現(xiàn)“以車代磨”、“以銑代磨”，滿足部分產(chǎn)品表面質(zhì)量的要求。高性能無鈷金屬陶瓷模具適合熱擠壓紫銅、黃銅等銅材，與常用3Cr2W8V鋼模相比，使用壽命提高15～20倍。開發(fā)的高性能無鈷金屬陶瓷工模具產(chǎn)品已在中國航天科工集團061基地、江鈴汽車股份有限公司等80余家企業(yè)應(yīng)用。

該項目已獲授權(quán)發(fā)明專利13項，具有自主知識產(chǎn)權(quán)；發(fā)表學(xué)術(shù)論文240余篇，被SCI、EI和ISTP三大索引收錄合計190余篇次，SCI他引280余篇次；獲2009年湖北省技術(shù)發(fā)明獎一等獎、2009年中國專利獎（發(fā)明類）優(yōu)秀獎、2011年國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。