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研究进展

机床换上金属陶瓷“新牙”
发布时间:2012-03-19 15:16:53作者:   来源:    点击率:

     

国家技术发明二等奖
高性能低成本细晶粒无钴金属陶瓷制备技术
主要完成人:熊惟皓、郑勇、崔崑、杨青青、余立新、王赛玉

带中心孔的数控可转位车刀

既有金属的光泽、韧性、导电的特性,又有陶瓷的高硬度、低密度、耐高温的优点……它既不是金属,也不是陶瓷,它叫金属陶瓷。采访时,材料学院熊惟皓教授向记者展示了一块采用无钴金属陶瓷制备的铣刀。

“机床没有刀具,就好比人没有了牙齿。” 熊惟皓介绍说,机床的“传统牙齿”常用硬质合金材料,其高温红硬性、耐磨性、抗氧化性和抗粘附性差,不适合高效干式切削;硬质合金材料的主要原料是稀缺战略资源钨、钴。我国是硬质合金刀具消耗大国,但是高档刀具基本依赖进口。从制造业发展和资源环境保护角度出发,迫切需要研发出性能优异、稀缺战略资源消耗量少的新型硬质材料。

无钴金属陶瓷用碳氮化钛取代碳化钨作陶瓷相,高温性能优于硬质合金,但强韧性低。自1929年德国学者提出无钴金属陶瓷以来,无钴金属陶瓷制备技术一直未取得实质性突破,在工程中无法应用。

从1991年开始,熊惟皓及其团队针对无钴金属陶瓷强韧性低的难题,在国家和省部级项目的资助下,进行了系统深入地研究。经过21年的不懈努力,熊惟皓团队运用添加碳化铬、陶瓷晶粒亚微米化、纳米复合增强技术及相界面微晶化增强技术先后攻克了“改善环形相塑性”“控制陶瓷晶粒尺寸”“提高相界面结合强度”三个领域公认的技术难题,开发出的细晶粒无钴金属陶瓷,抗弯强度得到大幅提高,并获得应用。

熊惟皓及团队研发的系列细晶粒无钴金属陶瓷材料密度低,硬度89~93HRA、抗弯强度≥1800MPa,高温综合性能好,稀缺战略资源消耗量少,成本是硬质合金的35~55%,各项指标均达到国际先进水平。

在此基础上开发的无钴金属陶瓷刀具无需使用切削液,避免了切削液对环境的污染;与常用硬质合金刀具相比,其切削效率、使用寿命分别提高了1-3倍和1-2倍;无钴金属陶瓷刀具还节约了在国防、航空航天等领域具有战略意义的钨、钴等稀缺资源。

强韧性高效金属陶瓷刀具的制备技术填补了国内外高性能无钴金属陶瓷材料的空白。细晶粒无钴金属陶瓷工模具目前已在40多家企业推广应用,突破了高档工模具材料长期被国外垄断的局面,推动了制造业朝高速、高效、绿色和低成本方向发展,将为航空航天、汽车、舰船等行业提供一类全新的高温结构材料及耐磨耐蚀材料。

“研究发明是个循序渐进的过程,我们还在不断完善这项技术,会将它进一步推广应用,实现更大的社会价值。”熊惟皓说。

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