編輯推薦：本文通過熱壓燒結技術開發了WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO納米復合硬質合金，發現納米陶瓷結合相主要分布在WC晶界處，少量分布在WC基體晶粒內部。陶瓷粘結相硬質合金增韌的機理主要為裂紋偏轉、裂紋橋接和裂紋分叉，并且WC-ZrO2應力誘導相變增韌也能顯著提高斷裂韌性。納米陶瓷相作為Co的替代粘結相，可以顯著提高可顯著提高硬質合金的組織、穩定性和力學性能調控自由度。

具有低熔點的金屬Co極大地限制了WC-Co刀具高速加工的應用，容易發生了嚴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硬質合金的機械工業應用。因此，通過部分或者完全替代Co粘合相，可以擴大硬質合金的應用。近年來，陶瓷相作為一種替代Co的新型粘結劑，引起了科技界的廣泛關注。陶瓷粘相硬質合金表現出優異的硬度，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，因此在燒結過程中通過生成液相強化燒結。納米粘結相還具有基體晶粒細化、增強增韌等優點。

為了探討納米陶瓷在硬質合金中替代Co粘結相的可行性，山東大學研究院選用納米Al2O3、ZrO2和MgO作為WC硬質合金的粘結相，比較硬質合金顯微組織和力學性能，并探究了納米氧化物陶瓷的增韌機理，相關論文以題為“Nano-ceramic replacing cobalt in cemented carbide as binder phase: Is it feasible?”發表在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納米復合硬質合金在1700℃和40 MPa壓力燒結后近全致密化。XRD由主要的WC和陶瓷粘結相峰組成，而未檢測到其它相，表明陶瓷粘結相(Al2O3、ZrO2、MgO)與WC具有良好的熱力學相容性。SEM顯示納米陶瓷粘結劑都均勻地分布在WC晶粒基體之間，這種均勻分布的陶瓷粘結相對提高硬質合金材料的力學性能至關重要。

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

燒結后WC晶粒保留了起始晶粒尺寸，第二相通過限制晶界遷移率顯著抑制了WC基質的晶粒生長。在所有三種陶瓷粘結相硬質合金材料中都觀察到位錯，位錯提高了硬質合金的容錯性。并且發現一些納米ZrO2晶粒沿WC晶粒邊界分布，而更多的ZrO2納米晶粒分布在WC晶粒內部，形成所謂的晶內納米結構。與WC晶界處的陶瓷結合相相比，WC晶粒內部的陶瓷更加細小。

圖2 WC-6Al2O3的增韌機理。

圖3 WC-6ZrO2的增韌機理。

圖4 WC-6AMgO的增韌機理

在高溫燒結冷卻過程中，由于熱膨脹系數的差異，陶瓷粘結相周圍產生了殘余拉應力，有利于裂紋到達應力場時產生裂紋偏轉。當外載荷作用于納米陶瓷粘結材料時，彈性模量的差異會引起顯微應力的重新分布，從而提高材料的韌性。三種陶瓷結合硬質合金均存在裂紋橋接現象，有效降低了裂紋擴展能量。在硬質合金中也發現了裂紋非分叉，大幅度提高主裂紋擴展的能耗，有效延緩裂紋擴展。

圖5 WC-6ZrO2試樣拋光面和斷裂面的XRD譜圖

在WC-ZrO2硬質合金斷裂過程中，當外應力作用于硬質合金時，裂紋尖端附近出現應力集中，促使t-ZrO2向單斜晶系m-ZrO2轉變。這種轉變通過增強裂紋尖端附近的應力松弛，顯著阻礙了裂紋的擴展。此外，相變引起的體積膨脹使周圍基體壓縮，有利于裂紋的閉合。此外，材料表面的相變會引起表面壓應力的產生，使材料的韌性大大提高。

綜上所述，本研究通過熱壓燒結技術開發了WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO納米復合硬質合金，與無粘結硬質合金和傳統的WC-Co硬質合金相比，納米陶瓷粘結相硬質合金的表現出更好的斷裂韌性與硬度結合，與微米陶瓷粘結相硬質合金相比，納米陶瓷粘結相硬質合金的硬度和斷裂韌性同時得到增強。納米陶瓷粘結相硬質合金的這種優異硬度對于高速加工應用至關重要，有望成為高速加工工具的候選材料。