科创中国

行业领域

高端装备制造产业

需求背景

硬质合金是以难熔金属硬质化合物（主要指WC、TiＣ、TaC、NbC、VC、Cr₃C₂、Mo₂C等）为硬质相和粘结金属（主要指Fe、Co、Ni等）为粘结相，通过粉末冶金方法制备的一种合金材料。相比于高速钢、金刚石及陶瓷等材料，硬质合金不仅具有良好的强度，还具有较为优异的韧性，是当前用途最广泛的工具材料之一，被誉为“工业牙齿”。硬质合金广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，且伴随下游产业的发展，硬质合金市场需求将不断加大。

我国是世界硬质合金的原料基地，也是高端硬质合金制品最大的消费市场。但目前，我国硬质合金产业的发展水平与瑞典、美国、日本等发达国家相比，还存在相当大的差距，特别是我国切削刀具行业整体技术水平较低，高端硬质合金刀具产品比例低，性能质量不能满足高端装备制造业的发展要求。呈现出“结构性供不应求”状况，其中高端硬质合金刀片依赖进口，严重影响我国高端制造业的发展，已成为制约我国军工、航天航空、机械加工、智能制造等重点产业发展的“卡脖子”技术，亟待进行技术提档升级。未来几年，随着航空航天精密铸造、高新技术武器装备制造、尖端医疗设备、前沿高新技术智能制造等中国制造2025的快速发展，将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金制品的需求。据预测，到2025年我国汽摩、数控机床、航空航天、军工、机械加工、3C产业加工、船舶、海洋工程装备等制造加工领域所需高性能高精度硬质合金刀具销售规模将达500亿元以上，技术需求和市场空间巨大。因此研发高性能高精度硬质合金刀具产品已刻不容缓。

超细晶硬质合金能有效克服传统硬质合金中硬度和韧性之间相互矛盾及较大脆性和加工软化等难题，具有高硬度和高韧性的特点，特别适合用于加工集成电路板的微型钻头、点阵打印机针头、整体孔加工刀具、牙钻和精密模具等，是航空航天、电子工业、精密制造等高技术产业发展不可或缺的工具和结构材料。本项目拟以目前市场需求量大的集成电路板（PCB）加工用硬质合金微钻作为研究对象，重点开发一种具有高性能、高精度的超细晶硬质合金微钻，建立具有自主知识产权的超细晶硬质合金微钻生产线，单个微钻的加工技术指标达到国内领先水平，研究成果对推动高性能高精度硬质合金微钻国产化以及提升我国硬质合金产业的技术水平具有重要的理论意义和实践意义。

需解决的主要技术难题

1、拟解决的关键技术问题：

1）超细晶WC-Co复合粉短流程制备工艺。针对现有复合粉制备工艺存在工艺流程长、原料易污染、产量低、材料组员分布不均、烧结过程易发生非均匀性长大、性能不稳定等问题。开发一种高效的短流程制备超细晶WC-Co复合粉，获得性能稳定、形貌可控、内部缺陷少的超细晶WC-Co复合粉的制备工艺，并掌握复合粉成分、结构和性能之间的影响规律是本项目需要解决的关键技术问题之一。

2）超细晶WC-Co复合粉烧结成型工艺。超细晶WC-Co复合粉具有很高的烧结敏感性，WC晶粒的生长速度和均匀性受烧结温度、烧结方式和碳含量的影响。对烧结温度来说，超细晶WC-Co复合粉粒度小，比表面积大，在烧结过程中极易发生溶解-析出再结晶长大，WC晶粒快速长大或异常长大会导致合金的性能大幅降低。而碳含量对硬质合金产品的组织结构影响巨大，如果在粉末制备和烧结过程中控制不好碳含量，容易导致产品质量不稳定。因此研究粉末制备、晶粒长大抑制剂和烧结成型工艺对合金组织结构的影响规律是本项目需要解决的关键技术问题之一。

3）超细晶硬质合金的表征及合金综合性能影响规律。目前，超细晶硬质合金显微组织结构表征及各界面的表征分析研究尚未触及，而合金性能的主要影响因素、作用规律及微观机制尚未达成共识。超细晶多相组织的显微结构与力学性能的关系、WC晶粒尺寸的分布、粘结相Co的分布与粗晶结构的硬质合金均不同。开展不同组织结构的对比研究，分析组织-综合性能影响规律是本项目需要解决的关键技术问题之一。

4）超细晶硬质合金微钻棒材模压工艺。超细晶硬质合金微钻棒材的成型工艺主要有模压成型和挤压成型。其中挤压成型速度快，长径比大，但挤压成型需要加入大量的有机溶剂，且需要对粉末进行加热，容易造成超细晶粉末碳含量的波动，有机溶剂的脱除工艺也十分复杂。本项目拟采用模压工艺成型，结合高速精密伺服压机和机械手通过精密成型技术研究获得高效的生产工艺和极小压制台阶的棒材也是本项目重点解决的关键技术问题。

期望实现的主要技术目标

1）超细晶WC-Co复合粉短流程制备工艺技术研究

利用动力学和热力学计算，研究各相碳化还原条件，建立热力学模型，进行分析和预测，初步确定原位还原温度，分析反应进行的方向、中间产物和最终产物的物相组成及含量；结合系列试验，对金属氧化物和碳源的配比进行设计和优化，探索球磨转速、反应温度、保温时间、真空压力、氧化钴含量、添加剂等工艺参数对复合粉成分、WC晶粒尺寸、形貌、分散性、均匀性的影响，获得优化的工艺技术参数；并对葡萄糖裂解成碳对前驱体碳化机理和有益效果进行分析。

2）超细晶WC-Co复合粉烧结成型工艺技术研究

以制备的超细晶WC-Co复合粉作为原材料，研究超细晶复合粉低压烧结成型过程及致密化规律，研究烧结气氛、烧结压力、烧结温度、保温时间对合金微观组织、性能的影响规律；研究复合粉晶体结构及晶粒尺寸、晶粒长大抑制剂种类及添加量、Co含量和碳含量对合金微观组织和性能演变的影响规律及机制。

3）超细晶硬质合金的表征及合金综合性能影响规律研究

通过SEM、TEM等分析测试手段，对超细晶硬质合金的WC晶粒尺寸、Co相平均自由程组织参数进行定量表征和分析，研究强度、硬度力学性能随组织参数变化规律，获得棒材性能最优工艺参数；通过XRD、SEM、TEM等分析测试手段，研究各相组成、取向分布、晶界等对合金性能的影响规律。

4）超细晶硬质合金微钻棒材模压工艺。

影响模压成型的主要因素有混合料质量、压制成型工艺、模具和压机精度。本项目重点开展混合料质量控制、模具设计和精确压制工艺研究。（1）混合料质量控制研究，首先测定松装密度、流动性、压制压力等。同时制备PS21 试样块, 然后经烧结鉴定, 研究混合料中流动性能、松装密度、粒度组成、试验压力和尺寸修正系数对压制的影响规律，确定复合粉的单重损失率，各向收缩系数，为模具设计提供基础数据；（2）模具设计，对棒材模压成型进行力学分析，计算压力、结合收缩率、压制台阶高度，完成上冲、下冲和阴模结构设计；（3）利用极差分析优化m（压坯单重）、h（压坯高度）、压制位置（L）、压制行程（PV）和OB值（顶压高度）等工艺参数，再确定压制形状、单重公差、尺寸公差、压制平行度和压制缺陷标准，最后经试压后，通过烧结成型来校正压制工艺。

需求解析

解析单位：重庆市永川区 解析时间：2022-11-17

许阳

重庆西南大学

教授

综合评价

技术需求清晰

查看更多>

解析单位：重庆市永川区 解析时间：2022-10-22

王广军

重庆大学

导师

综合评价

未来几年，随着航空航天精密铸造、高新技术武器装备制造、尖端医疗设备、前沿高新技术智能制造等中国制造2025的快速发展，将大力提高对高技术含量和高质量稳定性的硬质合金制品的需求。据预测，到2025年我国汽摩、数控机床、航空航天、军工、机械加工、3C产业加工、船舶、海洋工程装备等制造加工领域所需高性能高精度硬质合金刀具销售规模将达500亿元以上，技术需求和市场空间巨大硬质合金广泛应用于军工、航天航空、机械加工、冶金、石油钻井、矿山工具、电子通讯、建筑等领域，且伴随下游产业的发展，硬质合金市场需求将不断加大。该需求描述清晰，课题重要，需求有一定难度，具有一定的重要性，所以解决该需求刻不容缓。

查看更多>

处理进度