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1 纳米晶硬质合金显微组织和力学性能
- 显微组织
- 纳 米晶硬质合金的显微组织非常细小，决定了其优良的力学性能。但由于纳米粉末的制备方法、烧结工艺不同。其显微组织也各不相同。Jia等在1350℃烧结用 喷雾转化法制备的纳米WC-Co粉末，得到纳米硬质合金WC晶粒尺寸约为70 nm，其晶粒的边界与普通的硬质合金相同，同样是平直的边界。但其位错密度反而明显少于普通的硬质合金。用不同的制备方法来制备的纳米硬质合金粉末，其粉 末的显微结构有很大的不同，如采用化学法合成与机械球磨方法合成的WC/Co粉末，尤其是机械球磨使晶粒发生较大的变形，而且堆积大量的位错。尽管烧结时 位错大部分消除，但仍然有很高的位能。
- 力学性能
- 随着粘结相自由程的减小，硬质合金的维氏硬度显著提高:当钴粘结相平均自由程为30 mn时，其维氏硬度高达2300kg/mm²以上。而且裂纹扩展阻力也随着提高，相应提高合金的韧性。
- 刀具切削性能
- 纳米晶硬质合金制作的刀具产品具有非常优异的使用性能。比如RTW公司制造的印刷电路板纳米硬质合金钻头与普通硬质合金钻头相比较，钻相同数量的微孔时其磨损量小很多。
2 在硬质合金领域，纳米技术的一些开发和应用方向
- 纳米晶硬质合金的开发
- 纳 米晶硬质合金的开发可归纳如下几方面:(1)纳米晶硬质合金的研制打破了常规硬质合金生产中的一些定律，即硬度提高必然伴随韧性下降的结论。(2)研究和 开发还处在初级阶段、工艺与技术有待完善和创新，批量生产还有待突破。(3)根据WC-Co的纳米尺度来推断产品的晶粒度和性能的理论已起步。(4)纳米 WC-Co硬质合金材料烧结过程中晶粒长大迅速，材料中很易出现致密度不高、晶粒粗大。有关添加晶粒生长抑制剂防止烧结过程中晶粒疯长的报导文献较多，但 有关低温烧结纳米硬质合金的报导不多。(5)对于纳米材料晶界的研究多为表象研究，尚未形成明确、深刻、系统的理论，而且对于纳米WC-Co硬质合金材料 晶界作用机理的研究报道很少。(6)纳米WC-Co硬质合金的烧结工艺的改进和创新，以及对其烧结特性、烧结机理的研究是今后研究的重点。
- 纳米晶或纳米结构以下的硬质合金，将是本世纪的开发重点，会是一次技术革命。目前，将是重点对描述纳米晶硬质合金的专业名词术语进行标准化构想，对晶粒尺寸进行预测，能对硬度和磁性能推导出一个理想模型。对一些合适的经验公式讲行规范化整理，晶粒尺寸测量标准化。
- 未来纳米晶硬质合金的开发，无金属粘接相的合金开发将是热门。具有高度催化制造WC-Co复合超微粉的构造系统将最有前途。纳米晶硬质合金的开发将给人类带来巨大的效益。纳米晶硬质合金的产业化即将来临。
- 纳米晶硬质合金的应用
- 纳米WC-Co硬质合金，因其特殊的耐磨蚀、高硬度，以及优异的断裂韧性和抗压强度被广泛应用于现代科技各个领域，己被制成加工集成电路板的微型钻头、点阵打印机打印针头、整体孔加工刀具、木工工具、精密模具、牙钻、难加工材料刀具等。其主要应用概括为以下几个方面：
- (1)金属加工 当初，亚微细WC硬质合金的开发是为了解决高温合金等难加工材料的切削加工的需要，现代纳米WC硬质合金在强度和韧性方面优于亚微细合金，因而更适用于高温合金、钛合金、不锈钢、各种喷涂(焊)材料、淬火钢、冷硬铸铁等的加工。纳米WC硬质合金突破了普通硬质合金的抗弯强度远比高速钢低这个局限，其应用已延伸到高速钢占统治地位的领域。
- (2)电子工业 电子工业产品的发展趋势是小型化、集成化、精密化。集成电路板材质是环氧树脂粘结玻璃纤 维或玻璃纤维增强的塑料。这就要求微型钻头有很高的硬度和耐磨性;而钻头直径很小(一般0.2～0.3mm，甚至0.05mm)、易折断，还要求钻头有高 的强度和韧性：并且钻孔需要正确的孔位精度，又要求钻头有高的刚度(弹性模量)，这些要求相互矛盾。致使普通硬质合金以及亚微细晶粒硬质合金钻头都难以满 足这些要求，只有用晶粒度小于0.5µm的纳米晶粒硬质合金才行。又如点阵打印针，其直径仅有0.2-0.35mm；加工集成电路引线的框架用的多工位跳 步模，冲头厚度≤0.2mm,误差仅为0.002mm；另外还有印刷电路板引线切头用的圆片切刀，以及精密的小模具等，都要求使用纳米晶粒WC硬质合金来 制作以实现其功能。
- (3)木材加工 早在50年代，硬质合金镶尖工具就被用于木材加工行业。而今，各种材质的板材的出现，对加工精度和外观的要求大大提高，高速切割时的离心力、切削力使普通硬质合金难以满足加工要求，于是纳米晶粒WC硬质合金有了用武之地。
- (4)医学应用 医用牙钻是精细仪器，其切口必须锋利，而且要求具有很好的耐磨性和韧性，超细晶粒WC硬质合金以其高强度、高韧性和耐磨性在这一领域得到广泛的应用。
- (5)其它应用 纳米晶粒WC硬质合金由于其晶粒细小，作刀具可以磨出精度极高、锋利的切削刃和刀尖圆弧半径;因其高强度就可用于制作大前角、小进给量和小吃刀量的精细刀 具，如小直径立铣刀、小铰刀等；因其高弹性模量、抗磨擦磨损性能，可用于制作高精度模具、冲头等；另外还可用于制作高耐磨、耐冲蚀工具，如高压喷嘴、阀门、高压枪、玻璃刀、纺织品切 刀以及磁带、录相带切刀等等。另外科学家们还正在研制圆形刀具、凿岩刀具以及纳米WC-Co基增强复合材料等。因此开发纳米WC硬质合金和寻求更为广阔的 应用领域成为发展的热点，而制备的关键技术在于纳米原料粉末的制备及随后的烧结过程。减小粒径是提高WC-Co硬质合金性能(强度、硬度和抗磨性钧的有效 途径，因此研制纳米晶硬质合金是下阶段研究者的开发重点，它将大大拓宽WC-Co硬质合金的应用领域，并因此带动各种精密仪器、模具、刀具及电子通信技术 的飞速发展。研制纳米晶或纳米结构的WC-Co硬质合金的关键是探索新型的制粉和烧结工艺，尤其是在抑制晶粒长大方面的研究，通过精减工艺，降低烧结温度 来进一步降低成本，实现纳米WC-Co硬质合金的产业化。
3 发展与展望
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