硬質合金是以難熔金屬硬質化合物（碳化鎢、碳化釩為主的碳化物為代表）為硬質相和粘結金屬（鈷、鐵、鎳為代表）為粘結相，通過粉末冶金方法制備的一種合金材料。硬質合金不僅具有良好的強度，還具有較為優異的韌性，是當前用途最廣泛的工具材料之一。由于硬質合金的應用領域涵蓋切削工具、模具、采礦和筑路工程機械等多個領域，因而可以毫不夸張地說，硬質合金的出現與發展，與全球經濟的繁榮程度息息相關。

圖1 株洲硬質合金集團有限公司的某條生產線（圖片來源：株洲硬質合金集團有限公司）

株硬集團是國內硬質合金的龍頭老大，原先是國營601廠，1954年籌建，1958年投產。硬質合金作為基礎性產業，關乎到整個國家經濟發展的質量和水平，株硬集團一直受到國家的高度重視，黨和國家領導人均有視察株硬的先例

發展簡史

19世紀末期，美國人發明高速鋼，高速鋼作為高硬度材料、高耐磨材料，迅速作為切削工具、模具材料應用起來，為當時的美國機械工業生產贏得了巨大的經濟效益。

不過，高速鋼的熱塑性不好，熱加工條件下易于發生崩刃等情況，人們開始試圖尋找新的硬質材料，以替代高速鋼。當時，研究人員已經發現元素周期表中第Ⅳ、V、Ⅵ族中的過渡元素（鎢、鈦、鈮等）形成的碳化物，具有一些共同的特點，包括硬度高、熔點高、化學穩定好。早期的工作著眼于碳化鎢的研究，其中，德國人利用三氧化鎢和糖在電爐中一起加熱到高溫的方法制取WC，并試圖利用其制取拉絲模具，不過，由于WC脆性太大了，得到的拉絲模具很容易發生開裂。

這主要是因為，硬質材料一般都是脆性材料，脆性材料韌性不好。生活中磚、石、陶瓷就是脆性材料的代表，稍有變形就會形成裂紋甚至脆性斷裂。為了解決硬質材料的脆性問題，人們開始試圖通過材料添加的方法，實現剛柔相濟。

1923年，德國的施勒特爾往碳化鎢粉末中加進10%～20%的鈷做粘結劑，發明了碳化鎢和鈷的新合金，這是世界上人工第一次制造的硬質合金。

目前，德國人通過粉末冶金制取WC-Co硬質合金工具的方法仍在應用，其原理與操作非常簡單，主要包括下面三個步驟：

1. WO3在700~900℃溫度范圍內氫氣還原獲得W粉

2. 將W粉和C粉混合后于1400~1600℃溫度范圍內碳化獲得WC粉

3. 將WC粉與Co粉混合制得WC-Co復合粉末

今天的研究已經證明，鈷粉是硬質合金最優良的粘結劑。一方面，鈷粉對碳化鎢能夠完全浸潤，對碳化鎢的把持力很高，從而提高硬質合金的強度；另一方面，粒度分布均勻且呈球形的鈷粉在機械混合和塑性流動中可以達到高度均勻，從而提高硬質合金的韌性。

圖3 寒銳鈷業是鈷粉生產龍頭企業，鈷粉產能3000噸，目前已經掌握了超細鈷粉、液相還原生產鈷粉技術的核心技術，產品質量達到世界先進水平（圖片來源：寒銳鈷業）

發展趨勢

如今，世界硬質合金工業發展呈現出突出特點。

一方面，涂層硬質合金發展迅速，產量大幅度增加，應用領域不斷擴大。各種優異的陶瓷涂層硬質合金不斷涌現，例如單層涂覆碳化鈦陶瓷的硬質合金，將切削速度從80m/min提高到180m/min；此后出現的碳化鈦-氧化鋁雙陶瓷涂層硬質合金，將切削速度提高到250m/min；碳化鈦-氧化鋁-氮化鈦三層陶瓷涂層硬質合金將切削速度提高到300m/min。此外，涂層基體梯度化、涂層成分多元化等技術都獲得很大發展。

另一方面，硬質合金晶粒尺寸大小向粗化和細化兩個方向發展。

晶粒細化

細晶粒WC晶粒平均尺寸為0.1-0.6um之間。晶粒細化的關鍵包括粉體制備及致密化燒結兩個方面。其中，粒度更細、更均勻、純度更高、穩定性更好的優質原料粉末是制取高性能超細及納米硬質合金的關鍵。超細晶的WC-Co硬質合金是加工集成電路板微型鉆頭、點陣打印機打印針頭、銑刀和精密模具的重要原材料，廣泛應用于電子工業、精密加工領域。

圖3 各類硬質合金刀具（圖片來源：公共資料）

晶粒粗化

粗晶粒WC晶粒平均尺寸為8-14um之間。具有微觀結構缺陷少、亞晶尺寸大、顯微硬度高、微觀應變小等一系列優點，通過將其和Co含量進行適當調整，可以獲得韌性和硬度匹配良好的粗晶粒硬質合金。特粗晶WC-Co硬質合金是發展中的先進礦用合金，其破巖和鑿巖工具在全斷面掘進機、采煤機、高效公路鏡刨機、先進液壓鑿巖機、鑿巖鉆車上的使用越來越廣。

圖4 南昌硬質合金有限責任公司生產的礦山釬片，南硬公司原為國營603廠擁有氧化鎢粉產能6000噸，鎢粉、碳化鎢粉產能3000噸（圖片來源：南昌硬質合金有限責任公司）

小結

硬質合金的出現與發展，與全球經濟的繁榮程度息息相關。由于工業對于切削工具、模具的巨大需求，硬質合金應運而生。隨著時代不斷發展，愈發惡劣的加工環境催生了硬質合金涂層技術的發展，涂層方面，基體的梯度化、涂層材料的多樣性成為重要發展方向。

此外，晶粒尺寸微觀控制的研究不斷進行，通過晶粒超細化，獲得的高強度高硬度的“雙高”硬質合金，廣泛應用于電子工業、精密模具領域；通過晶粒超粗化，獲得的高耐磨性、抗沖擊韌性硬質合金，廣泛應用于工程鑿巖、模具沖壓領域。

參考文獻

硬質合金發展與鈷粉市場變化；株洲硬質合金集團有限公司，徐濤。

從“2012株洲硬質合金國際學術會議”論文看硬質合金行業現狀與發展趨勢，硬質合金國家重點實驗室，張忠健，孔衛宏，謝浩，袁紅梅；株洲硬質合金集團有限公司，張忠健，孔衛宏，謝浩，袁紅梅。

By：火宣