編輯推薦：本文通過(guò)熱壓燒結(jié)技術(shù)開(kāi)發(fā)了WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO納米復(fù)合硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)納米陶瓷結(jié)合相主要分布在WC晶界處，少量分布在WC基體晶粒內(nèi)部。陶瓷粘結(jié)相硬質(zhì)合金增韌的機(jī)理主要為裂紋偏轉(zhuǎn)、裂紋橋接和裂紋分叉，并且WC-ZrO2應(yīng)力誘導(dǎo)相變?cè)鲰g也能顯著提高斷裂韌性。納米陶瓷相作為Co的替代粘結(jié)相，可以顯著提高可顯著提高硬質(zhì)合金的組織、穩(wěn)定性和力學(xué)性能調(diào)控自由度。

具有低熔點(diǎn)的金屬Co極大地限制了WC-Co刀具高速加工的應(yīng)用，容易發(fā)生了嚴(yán)重的粘著磨損和氧化磨損。此外，Co的耐腐蝕性差，高成本和毒性也限制了WC-Co硬質(zhì)合金的機(jī)械工業(yè)應(yīng)用。因此，通過(guò)部分或者完全替代Co粘合相，可以擴(kuò)大硬質(zhì)合金的應(yīng)用。近年來(lái)，陶瓷相作為一種替代Co的新型粘結(jié)劑，引起了科技界的廣泛關(guān)注。陶瓷粘相硬質(zhì)合金表現(xiàn)出優(yōu)異的硬度，耐腐蝕性/抗氧化性和高溫性能。除此之外，納米顆粒具有更高的界面能和更大的比表面積，因此在燒結(jié)過(guò)程中通過(guò)生成液相強(qiáng)化燒結(jié)。納米粘結(jié)相還具有基體晶粒細(xì)化、增強(qiáng)增韌等優(yōu)點(diǎn)。

為了探討納米陶瓷在硬質(zhì)合金中替代Co粘結(jié)相的可行性，山東大學(xué)研究院選用納米Al2O3、ZrO2和MgO作為WC硬質(zhì)合金的粘結(jié)相，比較硬質(zhì)合金顯微組織和力學(xué)性能，并探究了納米氧化物陶瓷的增韌機(jī)理，相關(guān)論文以題為“Nano-ceramic replacing cobalt in cemented carbide as binder phase: Is it feasible?”發(fā)表在Journal of Alloys and Compounds。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162968

WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO納米復(fù)合硬質(zhì)合金在1700℃和40 MPa壓力燒結(jié)后近全致密化。XRD由主要的WC和陶瓷粘結(jié)相峰組成，而未檢測(cè)到其它相，表明陶瓷粘結(jié)相(Al2O3、ZrO2、MgO)與WC具有良好的熱力學(xué)相容性。SEM顯示納米陶瓷粘結(jié)劑都均勻地分布在WC晶粒基體之間，這種均勻分布的陶瓷粘結(jié)相對(duì)提高硬質(zhì)合金材料的力學(xué)性能至關(guān)重要。

圖1 陶瓷粘結(jié)相硬質(zhì)合金的TEM顯微照片，(a)WC-6Al2O3中的位錯(cuò)，(b) WC-6ZrO2中的位錯(cuò)，(c)WC-6MgO中的位錯(cuò)，(d)WC-6ZrO2的晶內(nèi)和晶間組織

燒結(jié)后WC晶粒保留了起始晶粒尺寸，第二相通過(guò)限制晶界遷移率顯著抑制了WC基質(zhì)的晶粒生長(zhǎng)。在所有三種陶瓷粘結(jié)相硬質(zhì)合金材料中都觀(guān)察到位錯(cuò)，位錯(cuò)提高了硬質(zhì)合金的容錯(cuò)性。并且發(fā)現(xiàn)一些納米ZrO2晶粒沿WC晶粒邊界分布，而更多的ZrO2納米晶粒分布在WC晶粒內(nèi)部，形成所謂的晶內(nèi)納米結(jié)構(gòu)。與WC晶界處的陶瓷結(jié)合相相比，WC晶粒內(nèi)部的陶瓷更加細(xì)小。

圖2 WC-6Al2O3的增韌機(jī)理。

圖3 WC-6ZrO2的增韌機(jī)理。

圖4 WC-6AMgO的增韌機(jī)理

在高溫?zé)Y(jié)冷卻過(guò)程中，由于熱膨脹系數(shù)的差異，陶瓷粘結(jié)相周?chē)a(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力，有利于裂紋到達(dá)應(yīng)力場(chǎng)時(shí)產(chǎn)生裂紋偏轉(zhuǎn)。當(dāng)外載荷作用于納米陶瓷粘結(jié)材料時(shí)，彈性模量的差異會(huì)引起顯微應(yīng)力的重新分布，從而提高材料的韌性。三種陶瓷結(jié)合硬質(zhì)合金均存在裂紋橋接現(xiàn)象，有效降低了裂紋擴(kuò)展能量。在硬質(zhì)合金中也發(fā)現(xiàn)了裂紋非分叉，大幅度提高主裂紋擴(kuò)展的能耗，有效延緩裂紋擴(kuò)展。

圖5 WC-6ZrO2試樣拋光面和斷裂面的XRD譜圖

在WC-ZrO2硬質(zhì)合金斷裂過(guò)程中，當(dāng)外應(yīng)力作用于硬質(zhì)合金時(shí)，裂紋尖端附近出現(xiàn)應(yīng)力集中，促使t-ZrO2向單斜晶系m-ZrO2轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變通過(guò)增強(qiáng)裂紋尖端附近的應(yīng)力松弛，顯著阻礙了裂紋的擴(kuò)展。此外，相變引起的體積膨脹使周?chē)w壓縮，有利于裂紋的閉合。此外，材料表面的相變會(huì)引起表面壓應(yīng)力的產(chǎn)生，使材料的韌性大大提高。

綜上所述，本研究通過(guò)熱壓燒結(jié)技術(shù)開(kāi)發(fā)了WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO納米復(fù)合硬質(zhì)合金，與無(wú)粘結(jié)硬質(zhì)合金和傳統(tǒng)的WC-Co硬質(zhì)合金相比，納米陶瓷粘結(jié)相硬質(zhì)合金的表現(xiàn)出更好的斷裂韌性與硬度結(jié)合，與微米陶瓷粘結(jié)相硬質(zhì)合金相比，納米陶瓷粘結(jié)相硬質(zhì)合金的硬度和斷裂韌性同時(shí)得到增強(qiáng)。納米陶瓷粘結(jié)相硬質(zhì)合金的這種優(yōu)異硬度對(duì)于高速加工應(yīng)用至關(guān)重要，有望成為高速加工工具的候選材料。