作者简介

刘咏, 1973年4月出生, 博士, 教授, 博士研究生导师。现为中南大学粉末冶金研究院副院长。2002—2004年在中南大学-自贡硬质合金公司联合企业博士后流动站工作, 从事梯度结构硬质合金的研发; 2005—2006年在美国橡树岭国家实验室和田纳西大学访问研究; 2009年获得德国“洪堡”奖学金, 在亚琛工业大学进行访问研究; 2004年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。

长期从事与粉末冶金相关的新材料、新技术和基础理论研究, 在复合材料、 金属间化合物、 金属陶瓷材料、 粉末冶金技术等方面做了大量工作, 先后承担和参加了10余项国家级科研项目。目前已在国内外发表学术论文70余篇, 获得省部级科技进步奖3项。

前言

硬质合金主要利用难熔金属化合物的高硬度、 高耐磨损性能和良好的耐高温性能及黏结相良好的塑性和韧性, 来实现切削、 钻探和抗磨损的作用。这些特性使得硬质合金的一些性能之间存在矛盾, 例如, 硬度和强度、 韧性与耐磨损性能, 这主要是因为很难同时提高硬质相和黏结相的含量。近年来, 一些新型结构的出现, 使得硬质合金的硬度和韧性均能够在一定程度上同时得到改善。这些新型结构包括, 梯度结构、 纳米及超细晶结构、 超粗晶结构以及其他特殊晶粒分布结构等。

梯度结构硬质合金是指其硬质相和黏结相在一定空间尺度上的分布呈梯度变化, 从而使其性能的调节具有更大的自由度。按照性能要求不同, 功能梯度硬质合金的种类也较多。20世纪80年代, 瑞典山特维克(Sandvik)凿岩工具公司开发出了一种功能梯度结构硬质合金, 成功推出牌号为DP55、 DP60和DP65 3个牌号的双相(DP)硬质合金。这类合金一般呈现出类似于三明治的结构, 在合金的最外层和中间层均为WC+Co两相组织, 内层为WC+Co+η三相显微组织。材料最外层Co相含量低于合金的名义钴含量, 具有很高的硬度和耐磨损性能; 中间层Co相含量高于合金的名义钴含量, 具有很好的韧性和塑性。DP合金耐磨损性能和韧性明显优于标准硬质合金。该技术被誉为“硬质合金历史自1950年以来最重要的革新”。20世纪90年代末, Sandvik又将该技术应用于金属切削用钻头, 大幅提高了该类产品的寿命和切削效率。另一类非常重要的梯度结构硬质合金是用于涂层刀片基体。硬质合金刀片的微观组织通常包括WC, Co和β相。β相是一种含钛的脆性相, 可提高材料的硬度, 但却降低了韧性。涂层基体和涂层之间存在一定的物理、 化学和力学性质的不相容性。通过控制烧结和热处理气氛, 能够在硬质合金刀片表面形成约50 μm的无β相层, 具有较好的韧性, 并与涂层的结合强度高, 大幅提高涂层刀片的抗崩韧性和切削寿命。由于该工艺比较简单, 现在大部分硬质合金涂层刀片基体都采用了这种梯度结构。

我国在梯度结构硬质合金方面的研究在20世纪90年代就已经有报道, 但是还缺少较系统深入的阐述。著者自2002年以来开展梯度结构硬质合金研究, 开发出了具有自主知识产权的梯度结构硬质合金材料。本书主要是针对球齿、 顶锤以及涂层刀片基体中各种梯度结构的形成机理、 工艺参数和性能研究进行了系统的论述, 期望能够对我国梯度结构硬质合金的大规模生产提供借鉴。本书同时在硬质合金的纳米压痕行为、 梯度结构硬质合金的疲劳断裂行为等方面也作了首次系统的阐述。

由于硬质合金和功能梯度结构材料的研究领域较专门化, 为了方便其他领域材料科学工作者的理解, 在第1章和第2章中特别简述了功能梯度结构材料和硬质合金的基础知识。同时, 结合硬质合金的最新发展, 在第4章和第5章, 对其他新型结构, 如纳米及超细晶结构、 超粗晶结构以及其他特殊晶粒分布结构等硬质合金的发展也作了简述, 期望能够对材料科学工作者在开发高硬度、 高韧性硬质合金材料时有所启发。上述章节主要是在综合他人的研究结果基础上进行阐述, 因此在数据引用方面由于时间和精力所及, 如果未能准确表明来源之处, 还请相关研究者见谅, 也欢迎来信告之, 以便进一步修订。著者特别感谢李亚林同志对本书的资料收集、 整理, 并直接参与了第1章的撰写, 也感谢肖代红博士参与纳米及超细晶结构硬质合金一章的撰写, 并提供了宝贵的图片、 数据。著者同时感谢贺跃辉教授、 李昆副教授、 周永贵高工、 王海兵、 张武装、 龙郑易、 刘峰晓、 张林秋、 李克林等同志在课题研究和书稿撰写过程中提供的无私奉献和帮助。著者还感谢国家自然科学基金项目(编号:50823006)以及湖南有色基金项目的资助。

著 者

2010年10月

当今有色金属已成为决定一个国家经济、 科学技术、 国防建设等发展的重要物质基础, 是提升国家综合实力和保障国家安全的关键性战略资源。作为有色金属生产第一大国, 我国在有色金属研究领域, 特别是在复杂低品位有色金属资源的开发与利用上取得了长足进展。

我国有色金属工业近30年来发展迅速, 产量连年来居世界首位, 有色金属科技在国民经济建设和现代化国防建设中发挥着越来越重要的作用。与此同时, 有色金属资源短缺与国民经济发展需求之间的矛盾也日益突出, 对国外资源的依赖程度逐年增加, 严重影响我国国民经济的健康发展。

随着经济的发展, 已探明的优质矿产资源接近枯竭, 不仅使我国面临有色金属材料总量供应严重短缺的危机, 而且因为“难探、 难采、 难选、 难冶”的复杂低品位矿石资源或二次资源逐步成为主体原料后, 对传统的地质、 采矿、 选矿、 冶金、 材料、 加工、 环境等科学技术提出了巨大挑战。资源的低质化将会使我国有色金属工业及相关产业面临生存竞争的危机。我国有色金属工业的发展迫切需要适应我国资源特点的新理论、 新技术。系统完整、 水平领先和相互融合的有色金属科技图书的出版, 对于提高我国有色金属工业的自主创新能力, 促进高效、 低耗、 无污染、 综合利用有色金属资源的新理论与新技术的应用, 确保我国有色金属产业的可持续发展, 具有重大的推动作用。

作为国家出版基金资助的国家重大出版项目, 《有色金属理论与技术前沿丛书》计划出版100种图书, 涵盖材料、 冶金、 矿业、 地学和机电等学科。丛书的作者荟萃了有色金属研究领域的院士、 国家重大科研计划项目的首席科学家、 长江学者特聘教授、 国家杰出青年科学基金获得者、 全国优秀博士论文奖获得者、 国家重大人才计划入选者、 有色金属大型研究院所及骨干企业的顶尖专家。

国家出版基金由国家设立, 用于鼓励和支持优秀公益性出版项目, 代表我国学术出版的最高水平。 《有色金属理论与技术前沿丛书》瞄准有色金属研究发展前沿, 把握国内外有色金属学科的最新动态, 全面、 及时、 准确地反映有色金属科学与工程技术方面的新理论、 新技术和新应用, 发掘与采集极富价值的研究成果, 具有很高的学术价值。

中南大学出版社长期倾力服务有色金属的图书出版, 在《有色金属理论与技术前沿丛书》的策划与出版过程中做了大量极富成效的工作, 大力推动了我国有色金属行业优秀科技著作的出版, 对高等院校、 研究院所及大中型企业的有色金属学科人才培养具有直接而重大的促进作用。

王淀佐

2010年12月