TiB?和Ni添加对WC–10Co超粗晶硬质合金微观结构及力学性能的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Influence of TiB 2 and Ni Addition on Microstructure and Mechanical Properties of WC–10Co Ultra–coarse Grain Cemented Carbides

本研究通过将TiB?粉末添加到超粗晶粒WC–10Co硬质合金中并进行真空低压烧结，成功制备了WC–10Co–TiB?和WC–10(Co,Ni)–TiB?硬质合金。利用XRD、SEM、TEM和EDS分析发现，1% TiB?与Co/Ni=4:6时，合金获得1222.89 kgf/mm2硬度及20.96 MPa·m1/2断裂韧性，核心环状结构增强硬度但削弱界面结合，而Co/Ni固溶体抑制Ti元素团聚，促进界面协调，有效改善韧性。

　　这项研究聚焦于一种新型硬质合金材料的开发，即WC–10Co–TiB?和WC–10(Co, Ni)–TiB?。硬质合金因其卓越的硬度、耐磨性以及良好的抗冲击性能，在工业领域具有广泛的应用，例如金属加工工具、机械加工设备以及矿用钻头等。然而，随着工业对高性能材料需求的不断增长，传统WC–Co硬质合金在硬度与韧性之间的平衡问题逐渐显现，难以满足极端工况下的使用要求。因此，研究者们致力于探索新的材料改性方法，以期在保持高硬度的同时提升材料的韧性，从而实现性能的全面优化。

本研究采用了一种创新的策略，即将TiB?粉末引入超粗晶粒硬质合金中，并通过真空低压烧结工艺制备了一系列样品。TiB?作为一种具有优异机械性能的陶瓷材料，不仅具备高硬度和耐磨性，还表现出良好的抗腐蚀和化学稳定性。这些特性使其成为硬质合金改性中极具潜力的添加剂。通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）以及能谱分析（EDS）等手段，研究人员对改性后的硬质合金的相组成和微观结构进行了系统的表征和分析。同时，对材料的维氏硬度和断裂韧性进行了深入测试，以评估其性能的提升情况。

研究发现，当TiB?被引入WC–10Co硬质合金中后，烧结后的材料形成了类似核心环的结构，这种结构的出现有助于提高材料的硬度。然而，TiB?在Co结合相中的增强作用也带来了负面影响，即削弱了结合相与添加相之间的界面结合力，从而促进了裂纹的扩展，导致断裂韧性下降。这一发现揭示了在提升硬度的同时，材料的韧性可能会受到损害，这在实际应用中是一个需要权衡的问题。为了解决这一矛盾，研究者们进一步优化了结合相的组成，将其从单纯的Co改性为（Co, Ni）固溶体。这一改进有效抑制了Ti元素的聚集，同时促进了硬相与结合相之间界面的转变，使其更倾向于形成共格或半共格界面，从而改善了材料的断裂韧性。

在具体的实验条件下，当TiB?添加量为1%且Co与Ni的比例为4:6时，研究团队成功制备出具有优异性能的WC–10(Co, Ni)–TiB?硬质合金。这种材料不仅在硬度方面表现出色，达到了1222.89 kgf/mm2，而且其断裂韧性也显著提高，达到了20.96 MPa·m1/2。这一结果表明，通过合理调整结合相的成分和添加相的含量，可以在一定程度上实现硬度与韧性的协同提升，从而满足工业对高性能硬质合金的需求。

在材料制备过程中，研究团队特别关注了粉末混合和烧结工艺的优化。在球磨阶段，采用了适当的球磨时间以确保粉末的均匀混合，同时控制较低的旋转速度，以避免生成细小的WC颗粒。这种工艺设计有助于在保持材料性能的同时，提高其加工过程的可控性。烧结温度被设定为1460 °C，这一温度不仅促进了体积收缩和相对密度的提升，还对材料的微观结构形成起到了关键作用。

通过微观结构分析，研究者们发现TiB?的引入对硬质合金的晶粒分布产生了重要影响。随着TiB?添加量的增加，材料中出现了TiC的衍射峰，这可能是由于WC在高温烧结过程中发生了扩散，从而与TiB?发生反应生成TiC。这一现象表明，TiB?不仅作为添加剂存在，还可能在烧结过程中与WC发生一定的化学反应，进而影响材料的最终性能。此外，XRD分析还显示，Co的衍射峰在一定程度上受到TiB?的影响，这可能意味着TiB?与Co之间存在一定的相互作用，从而改变了结合相的结构和性质。

在微观结构方面，研究团队观察到，TiB?的添加使得WC晶粒的分布更加均匀，同时减少了晶粒之间的聚集现象。这种均匀的晶粒分布有助于提高材料的整体性能，使其在机械加工过程中表现出更好的稳定性。此外，（Co, Ni）固溶体的引入进一步改善了材料的界面结构，使其在硬相与结合相之间形成了更稳定的连接，从而有效提高了断裂韧性。这种结构的优化对于提升材料在极端条件下的应用性能具有重要意义。

从材料性能的角度来看，维氏硬度的提升主要归因于TiB?的添加及其对硬相结构的优化。TiB?的高硬度特性在烧结过程中被有效保留，并且其与WC之间的相互作用进一步强化了硬相的结构，使得材料在保持高硬度的同时，能够有效抵抗磨损。然而，硬度的提升往往伴随着韧性下降的问题，因此研究团队在材料设计过程中需要对这一矛盾进行深入分析，并通过调整结合相的成分来实现两者的平衡。

在实际应用中，硬质合金的性能不仅取决于其硬度和韧性，还受到材料微观结构的显著影响。例如，晶粒尺寸的控制、界面结构的优化以及相组成的调整，都会对材料的综合性能产生重要影响。本研究通过引入TiB?并优化结合相的组成，成功地改善了硬质合金的微观结构，使其在极端工况下表现出更好的性能。这种改进不仅提高了材料的硬度和韧性，还增强了其在高温、高压和高磨损环境下的稳定性。

此外，研究团队还对不同添加剂含量下的材料性能进行了系统比较。当TiB?添加量为1%时，材料的硬度和韧性均达到了较好的平衡，而在更高添加量的情况下，材料的硬度虽然进一步提高，但其韧性却有所下降。这表明，TiB?的添加量需要在一定范围内进行精确控制，以避免对材料的韧性产生不利影响。同时，Co与Ni的比例调整也对材料性能产生了显著影响，4:6的Co/Ni比例被证明是最优选择，能够有效提升材料的综合性能。

本研究的意义不仅在于提供了一种新的硬质合金改性方法，还在于揭示了材料性能与微观结构之间的复杂关系。通过深入分析TiB?在不同材料体系中的作用机制，研究团队为未来高性能硬质合金的设计和制备提供了理论依据和实践指导。这种研究方法可以为其他类型的陶瓷材料或金属陶瓷材料的改性提供参考，从而推动相关领域的技术进步。

在工业应用方面，这种新型硬质合金的开发为极端工况下的工具材料提供了新的选择。例如，在矿用钻头和隧道掘进设备中，材料需要具备极高的硬度和韧性，以应对复杂的地质条件和高强度的机械应力。通过引入TiB?并优化结合相的组成，这种材料能够在保持高硬度的同时，显著提升其抗裂纹扩展的能力，从而延长工具的使用寿命，提高工作效率。此外，在金属加工领域，这种材料的优异性能也能够满足高精度加工和高强度切削的需求，为制造业的发展提供新的技术支持。

研究团队还对材料的制备工艺进行了详细探讨，包括球磨、压制和烧结等关键步骤。这些工艺参数的优化对于确保材料的均匀性和稳定性至关重要。例如，在球磨过程中，适当的球磨时间和较低的旋转速度有助于避免细小WC颗粒的生成，从而保证材料的性能。在烧结过程中，高温环境下的体积收缩和相对密度的提升不仅改善了材料的微观结构，还对其宏观性能产生了积极影响。这些工艺的改进为后续的大规模生产提供了可行的方案，有助于推动该材料在实际应用中的推广。

从材料科学的角度来看，本研究的成果展示了通过添加第二相材料来优化硬质合金性能的潜力。TiB?的引入不仅提高了材料的硬度，还通过与Co结合相的相互作用改善了材料的韧性。这种多相共存的结构设计为材料性能的提升提供了新的思路，同时也为其他复合材料的开发提供了借鉴。研究团队通过系统的实验和分析，验证了这种结构设计的有效性，并进一步揭示了其背后的科学原理。

总的来说，这项研究在硬质合金材料的改性方面取得了重要进展。通过引入TiB?并优化结合相的组成，研究人员成功制备出一种兼具高硬度和高韧性性能的新型硬质合金。这种材料不仅在实验室条件下表现出优异的性能，还具有潜在的工业应用价值。未来，随着对材料性能需求的不断提高，这种新型硬质合金有望在更多领域得到应用，为相关行业的技术进步提供有力支持。