无粘结相硬质合金的研发

无粘结相硬质合金是指不含Co,Ni等金属粘结相，由纯WC或WC与各种金属碳化物组成的硬质合金，是近年来开发的一种新型硬质合金。与传统含Co硬质合金相比，无粘结剂硬质合金的硬度更高(>HRA95)，在一定的恶劣环境中使用时其耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性能有相当的改善，可以用于制作喷砂嘴、电子封装材料、重负载滑动密封耐磨件等；其切削性能大约为传统硬质合金的21倍，可以用做刀具和钻头材料，特别是用于加工钛合金方面，工作效率可大大提高。另外，无粘结相硬质合金有比传统WC-Co硬质合金更好的抛光性。由于WC与Co的加工速度不一致，传统硬质合金难以获得平滑的加工面，而不含Co的无粘结相硬质合金可以获得非常光滑的加工面，因此无粘结相硬质合金特别适用于精密光学模具。目前，国外己经有产品面世。例如，日本钨公司己正式推出纯WC无粘结相硬质合金产品，主要用于非球面镜头模具。这种产品与传统的硬质合金相比，有着高硬度、低热膨胀系数和优异的镜面加工性，且在常压800℃下的氧化增重仅约为传统硬质合金的15%。可以预见，无粘结剂硬质合金将具有十分广阔的应用前景。

然而，无粘结相硬质合金的主原料WC是一种高熔点碳化物(熔点高达2900℃)，在没有粘结相存在的条件下，利用真空烧结等传统烧结方法无法获得高的致密度。随着热等静压烧结技术在硬质合金行业的推广，结合亚微米级别的WC粉末合成技术的发明，无粘结相硬质合金的致密化合成已成为可能。

目前，在研究开发中使用的烧结技术主要为放电等离子烧结法(SPS)，SPS主要是利用外加脉冲强电流形成的电场清洁粉末颗粒表面氧化物和吸附的气体，净化材料，活化粉末表面，提高粉末表面的扩散能力，再在较低机械压力下利用强电流短时加热粉体进行烧结致密。SPS技术具有热等静压技术无法比拟的优点：烧结温度低(比热等静压低200-300℃)，烧结时间短(只需3-10min)，单件能耗低；烧结体密度高，晶粒细小，是一种近终成形技术；操作简单，不像热等静压那样需要十分熟练的操作人员和特别的模套技术。现在，利用SPS已经可以制备高致密(相对密度98%以上)、高硬度(达到HRA96)的大块无粘结相WC超硬材料。

研究表明，使用更细的WC粉末可以在更低的温度条件下获得纯WC的致密烧结体。目前，无粘结剂硬质合金主要基于微米或亚微米级原始粉末，如果原始WC粉末细化到纳米级，则合金的性能将会得到显著提高。例如，如果使用200nm的原始WC粉末，利用SPS烧结技术可以在1500℃下得到相对密度为99.6%的纯WC烧结体，并同时具有良好的硬度和韧性。但是，更细WC晶粒也容易导致结晶粒的异常生长，通过添加VC或Cr3C2等粒径抑制剂可有效抑制WC粒径，并进一步提高合金性能。