综述:无粘结相WC的发展及应用

A Review on Binderless Tungsten Carbide: Development and Application

Jialin Sun*, Jun Zhao, Zhifu Huang*, Ke Yan*, Xuehui Shen, Jiandong Xing, Yimin Gao, Yongxin Jian, Hejie Yang, Bo Li

Nano-Micro Lett.(2020)12:13

https://doi.org/10.1007/s40820-019-0346-1

本文亮点

1 建立了无粘结相硬质合金工艺-组织-结构-性能关联。

2 揭示了无粘结相硬质合金致密化与强韧化机理
3 提出了未来的研究方向挑战与展望。
内容简介

西安交通大学皇志富、孙加林课题组对近年来关于无粘结相硬质合金的研究及其未来研究方向进行了总结和展望。WC是一种高熔点碳化物(2900℃),在无粘结相存在的条件下,利用真空烧结、热压烧结等传统烧结方法很难获得致密的无粘结相WC基硬质合金。同时基于传统的强韧化方法提高无粘结相WC基硬质合金的力学性能(增韧为主),强韧化效果较为有限。
作者首先综合多种烧结有利因素,进行了无粘结相WC材料的致密化探究与总结。接下来,深入系统的分析了传统强韧化方法与新概念强韧化方法,为无粘结相WC材料强韧化提供了新原理与新思路。此外,作者对无粘结相WC材料的力学性能与耐磨性进行了总结,最后,作者对无粘结相WC材料的未来发展趋势与挑战进行了展望。
研究背景

Co作为稀缺战略资源,其价格持续上升,如何节约Co资源已成为我国乃至全球不可回避的一个重大课题。无粘结相硬质合金是指不含或含较少量金属粘结相(质量分数<0.5%)的硬质合金,具有传统硬质合金无可比拟的耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性及抛光性,但其致密化与强韧化严重制约了其发展与大规模应用。我国是钨资源大国,但相对国外,我国无粘结相硬质合金研究起步却较晚,只有加快研发技术创新,才能在硬质合金国际市场中获得主动权。随着材料科学的发展,大量先进致密化技术与新概念强韧化相不断涌现,使得高致密、高强韧无粘结相硬质合金呈现出前所未有的发展潜力,同时也面临巨大挑战。
图文导读

无粘结相WC致密化研究

无粘结相WC材料的致密化是随着烧结新技术和烧结热力学、动力学等的进步而不断发展的,本文综合多种烧结有利因素,包括配碳量、纳米化与纳米复合、陶瓷“粘结相”及先进烧结技术,进行了高致密无粘结相WC材料的致密化研究。

1.1 纳米化与纳米复合促进致密化

减小WC颗粒尺度,可显著降低材料致密化初始温度,进而提升WC致密度(图1a-e)。此外,相对单一尺度颗粒素坯,多尺度颗粒素坯具有较高的坯相对密度,且可显著促进WC材料致密化过程,例如图1f,纳米尺度ZrC有效填充由于亚微米WC颗粒重排及塑性变形形成的孔隙,从而促进材料致密化。

图1 WC晶粒精细化与纳米化及纳米复合促进WC材料致密化。

1.2 陶瓷“粘结相”促进致密化

陶瓷“粘结相”是一种新型非金属粘结相,是将特定陶瓷相(Al2O3, MgO, ZrO2, La2O3, Y2O3, TiC, VC等)替代传统WC-Co中粘结相Co用于WC材料的制备。相比金属粘结相,陶瓷“粘结相”更为经济,并且具有更高的化学稳定性、硬度、耐腐蚀性、抗氧化性及高温性质。陶瓷“粘结相”选择的基本目标是实现无粘结相WC材料的强化烧结:1)固溶活化烧结(缺陷强化烧结),烧结助剂与WC基体形成固溶体,活化晶格,增加缺陷(格位取代、位错等)浓度,促进WC材料致密化;2)液相强化烧结,烧结助剂具有相对基体WC低的熔点,烧结过程中产生少量能够润湿晶界的液相,降低烧结体的晶界能,加快晶界迁移和传质速率,促进WC材料致密化。例如,图2a及b,以TiC作为碳化物陶瓷“粘结相”,烧结过程中形成(Ti, W)C固溶体,实现晶格活化,促进了无粘结相WC材料致密化并降低了烧结温度。图2c-e,以Al2O3作为氧化物陶瓷“粘结相”,烧结过程中产生液相Al2O3,通过促进颗粒重排和液相填充后的溶解-析出提高了无粘结相WC材料的致密度。

图2 陶瓷“粘结相”促进WC材料致密化。(a)(b) TiC“粘结相”,(c)(d)(e) Al2O3“粘结相”。

II 无粘结相WC强韧化研究

自从无粘结相WC材料诞生以来,“强韧化”始终是其研究的一个核心问题,从本质上可分为本征强韧化和外部强韧化,经历了以下传统强韧化和新型强韧化两个主要研究阶段。

2.1 传统的无粘结相WC具材料强韧化方法

传统的无粘结相WC材料强韧化方法主要包括:颗粒弥散强韧化、相变强韧化、晶须或纤维强韧化及协同强韧化等。颗粒弥散强韧化是指通过掺杂Al2O3, MgO, Y2O3, TiC, TaC, SiC及ZrC等第二相颗粒的均匀分布,使得裂纹被阻断或扩展方向发生改变,是其他强韧化方法的基础。相变强韧化是指以ZrO2颗粒作为强韧化相,利用应力诱导马氏体相变起到强韧化作用。晶须或纤维强韧化是指将高模量、高强度的晶须(SiCw、Si3C4w及Al2O3w等)或者纤维与WC基体复合,通过晶须或纤维的拔出与桥联以及裂纹偏转与钝化等实现强韧化。

2.2 新概念无粘结相WC材料强韧化方法

新概念无粘结相WC材料强韧化方法主要包括:纳米复合强韧化、原位强韧化、梯度结构强韧化及碳纳米管或石墨烯强韧化等。纳米复合强韧化是指将纳米尺度第二相与WC基体复合而引入的强韧化(例图3)。原位强韧化是指通过设计调控制备工艺,在烧结过程中形成具有一定长径比的基体相WC或者掺杂第二相,实现强韧化。梯度结构强韧化是指通过合理设计梯度结构,在材料表层引入残余压应力,实现强韧化。碳纳米管或石墨烯强韧化是将碳纳米管或石墨烯加入到无粘结相WC材料中以提高其强度和韧性。

图3 纳米Al2O3与TiC强韧化无粘结相WC材料。

III 无粘结相WC机械性能研究

作者系统总结了无粘结相WC力学性能影响因素,给出了其硬度-韧性曲线,致密度及晶粒尺寸是其力学性能的关键影响因素(图4)。进而,对无粘结相WC耐磨性进行了评估,并与传统WC-Co进行了比较。尤其石墨烯不仅可作为无粘结相WC优异的强韧化相,同时可为出色的减摩润滑相,有效降低摩擦系数,提升材料耐磨性(图5)。

图4 无粘结相WC力学性能影响因素。

图5 石墨烯对于无粘结相WC摩擦系数和磨损率影响。
作者简介

皇志富

本文通讯作者

西安交通大学

主要研究领域
耐磨、耐蚀材料和复合材料的组织控制、新型硬质合金材料开发、金属及硬质化合物材料摩擦化学行为、陶瓷材料摩擦、磨损损伤行为

个人主页

http://mse.xjtu.edu.cn/info/1081/3179.htm

Email: hzf@xjtu.edu.cn

孙加林

本文第一作者兼通讯作者

西安交通大学

主要研究领域
新型结构陶瓷材料研制及应用、先进粉末冶金理论和技术、仿生材料及微结构设计与应用、高速切削加工技术与先进刀具材料。

个人主页

http://mse.xjtu.edu.cn/info/1064/4562.htm

Email: jialinsun@xjtu.edu.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

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