让我国超细晶钨材料技术登上世界高峰——“紫钨原位还原法”超细晶硬质合金工业化制造技术

2011-09-16

当今，世界进入纳米时代，钨材料由于本身的特殊性，其纳米化甚至超细化都还是国际难题。现代航空、航天、动力、军工的许多新材料的加工，期待着超高性能的超细晶合金精密刀具的出现。以厦门钨业金鹭公司为代表的国内硬质合金制造企业，依靠自主研发和技术创新，在追赶国际先进水平的道路上做出了卓越的贡献。厦钨技术领头人、现任国家钨材料工程技术研究中心主任吴冲浒高工发明的“紫钨原位还原法超细晶硬质合金工业化制造技术”推动了我国钨工业以高起点进入超细晶领域，使我国在一维纳米钨材料和超细晶合金的生产、研究方面与（国际）接轨。

孜孜不倦　不断创新

上世纪80年代，对于超细晶硬质合金原料而言，国际上并没有取得一致的共性技术。但都认定传统还原碳化技术由于无法消除“气相迁移”机制，不能生产超细粉。当时仅有两种技术较为成熟，一是美国某超级化学公司的“直接气相碳化法”，另一个技术是日本某著名大型硬质合金公司的“直接碳化法”，他们以超细WO₃为原料，用碳黑取代氢气为还原剂，在氮气氛保护下的回转炉内还原为超细多相的混合粉，而后在不同的复杂工序和装置中，分别用碳黑或甲烷碳化获得超细WC粉末，由此制得超细晶硬质合金。吴冲浒认为国际上这两种技术同样存在着致命缺陷，他们制备的超细碳化钨粉是多相成分的混合粉。处在不同起跑线的非均匀相物质，在烧结过程中，晶粒不可避免地引起异常长大，破坏合金性能。他意识到，制造单一相成份的超细碳化钨是优质超细晶合金的关键。

1987年，当时蓝色氧化钨还属新产品，生产难度极大，煅烧炉中经常出现“滚雪球”现象，不时把窑炉堵死，导致停产。吴冲浒通过深入研究，发现是紫钨的问题。他在工艺改革中摒弃了紫钨，解决了生产问题。同时也为发明“紫钨法”超细粉技术提供了思路。1994年，在分析比较国外大量关于超细粉生产技术后，吴冲浒认为传统技术方法是取得单一均匀相材料的可靠途径，关键是如何抑制粉末颗粒长大的“气相迁移”机制。通过研究发现，纳米针紫钨的低氧含量和巨大的表面积，使其在快速还原过程中，纳米针表面难以形成足量的水蒸气，大量的远程气相迁移有可能被抑制或削弱，在还原中，由于瑞利不稳定性原理，转化为超细珠串状钨链，将其打断后，可以得到纳米或超细的钨粉。利用这个思路，他马上组织试验，首先解决了纳米针紫钨的工业化生产，并发明了纳米紫钨针原位还原技术，制备出性能十分优异的高纯度单相纳米、超细钨粉，继而制造出优质超细碳化钨粉、超细晶合金。

突破关键核心技术

超细碳化钨粉、超细晶合金的生产由多个关键核心技术组成。该技术系统包括了：APT自还原制备蓝钨和纳米紫钨针技术、紫钨原位还原制取高性能纳米、超细钨粉技术、快速均匀化配炭技术，以及自动、连续、可控的低温燃烧合成制取超细球形钴粉技术等十几个核心技术。

经过10多年的努力，超细晶硬质合金系统技术得到不断完善，最终形成了“紫钨原位还原法超细晶硬质合金工业化制造技术”，并于2008年荣获国家科技进步奖二等奖。该技术在厦钨金鹭公司推广应用，建成了年产3000吨纳米针紫钨、2500吨超细碳化钨粉和1500吨超细晶硬质合金生产线。

超细粉制备新技术成功产业化

吴冲浒研发的超细粉制备新技术在产业化方面做出了重要贡献，厦钨金鹭的超细晶硬质合金制造在国际上也极具竞争力。1997年后，厦钨金鹭的超细粉几乎垄断了日本国内的高端市场。从2004年开始，金鹭成为美国最大的超细晶合金棒材国际供应商。金鹭自产的超细晶精密刀具大量用于成飞、西飞、北京卫星厂等国防企业，取代进口，解决了我国军机、大飞机、卫星和发动机的钛、镍、碳纤维复合材料加工的精密刀具国产化问题。例如在2010年，北京某航天设备工厂为了加工特殊复合材料需要一种刀具，由于材料的特殊性，加工起来特别困难，试遍世界上所有的顶级刀具都不行。此时有人推荐厦门金鹭公司生产的超细晶合金刀具，经试用效果良好，完全可满足材料的加工要求。目前金鹭“紫钨原位还原法”产品每年以数千吨占据了欧、美、日和中国国内市场，美国的超细粉技术不得不退出了市场，而日本某著名大公司仅维持着每年几百吨的生产。

吴冲浒带领的技术团队，以自主研发的“紫钨原位还原法制造超细晶硬质合金技术”打破了发达国家在该领域的垄断，开创了具有中国特色、领先于国际的超细晶硬质合金时代。以“高性能、低成本和节能环保”的优势显著缩小了我国硬质合金与国际总体水平之间的差距，使我国从钨大国迈向钨强国。

专家简介

吴冲浒，福建泉州人，1945年生，教授级高工，政府特殊津贴专家。现任国家钨材料工程技术研究中心主任兼厦门钨业技术中心主任。是我国重要钨材料生产基地—厦门钨业的创始人之一和技术核心，也是我国钨产业的优秀工程技术专家。作为第一完成人，获得国家科技进步二等奖、福建省科技重大贡献奖和福建省科技进步一等奖等13项奖励；申请国家发明专利28项，主持和承担完成了17项国家重点科研项目和5项国家重点工程。