高性能低成本无钴金属陶瓷制品及其产业化

◎华中科技大学教授 熊惟皓

高性能低成本无钴金属陶瓷制品及其产业化

◎华中科技大学教授 熊惟皓

“高性能低成本无钴金属陶瓷制品及其产业化”项目属于新材料领域。硬质合金是目前应用最广泛的硬质材料，主要用于制作工模具和耐磨零部件，但高温性能不理想，制约了其应用，且主要原料钨为稀缺战略资源，全球钨探明储量约为290万吨，面临资源枯竭，美、日、中等多国已颁布法规对钨进行战略储备或限量开采。因此，迫切需要研发高温性能优异、稀缺战略资源含量少的硬质材料，以促进制造业的发展，并实现钨资源的可持续利用。

开发的部分代表性无钴金属陶瓷产品

无钴金属陶瓷采用碳氮化钛作陶瓷相、镍作金属粘结相，耐高温、耐磨性、耐腐蚀性优于硬质合金和含钴金属陶瓷。制作该陶瓷的主要原料钛，资源丰富，全球探明储量达24亿吨，是制作高端工模具和耐磨零部件的理想材料。但自问世以来，无钴金属陶瓷强韧性低的难题长期未得到解决，致使其无法得到应用和推广。

华中科技大学1990年开始从事无钴金属陶瓷应用基础研究，依托材料成形与模具技术国家重点实验室良好的科研条件，发明了陶瓷晶粒环形相增塑实现增强增韧、陶瓷晶粒亚微米化/纳米复合增强增韧、相界面微晶化增强增韧等制备技术，解决了无钴金属陶瓷难以兼有高硬度和高强韧性的世界性技术难题。学校自主开发的系列高性能低成本无钴金属陶瓷材料，经国家权威质检部门检测，其硬度89-93HRA、抗弯强度≥1800MPa，填补了国内外高性能无钴金属陶瓷材料的空白，且综合性能优于国内外常用金属陶瓷和硬质合金，生产成本比硬质合金低45%～65%，适合制作高效干式切削刀具、热成形模具和高温耐磨零部件。

本项目开发的高性能无钴金属陶瓷刀具适合高效干式切削高强度结构钢、铁基高温合金、不锈钢等难加工材料，与YT15等常用硬质合金刀具相比，切削效率、使用寿命分别提高1～3倍和1～2倍，工件表面质量提高1～2个技术等级，可实现“以车代磨”、“以铣代磨”，满足部分产品表面质量的要求。高性能无钴金属陶瓷模具适合热挤压紫铜、黄铜等铜材，与常用3Cr2W8V钢模相比，使用寿命提高15～20倍。开发的高性能无钴金属陶瓷工模具产品已在中国航天科工集团061基地、江铃汽车股份有限公司等80余家企业应用。

该项目已获授权发明专利13项，具有自主知识产权；发表学术论文240余篇，被SCI、EI和ISTP三大索引收录合计190余篇次，SCI他引280余篇次；获2009年湖北省技术发明奖一等奖、2009年中国专利奖（发明类）优秀奖、2011年国家技术发明奖二等奖。