编辑推荐：本文通过热压烧结技术开发了WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO纳米复合硬质合金，发现纳米陶瓷结合相主要分布在WC晶界处，少量分布在WC基体晶粒内部。陶瓷粘结相硬质合金增韧的机理主要为裂纹偏转、裂纹桥接和裂纹分叉，并且WC-ZrO2应力诱导相变增韧也能显著提高断裂韧性。纳米陶瓷相作为Co的替代粘结相，可以显著提高可显著提高硬质合金的组织、稳定性和力学性能调控自由度。

具有低熔点的金属Co极大地限制了WC-Co刀具高速加工的应用，容易发生了严重的粘着磨损和氧化磨损。此外，Co的耐腐蚀性差，高成本和毒性也限制了WC-Co硬质合金的机械工业应用。因此，通过部分或者完全替代Co粘合相，可以扩大硬质合金的应用。近年来，陶瓷相作为一种替代Co的新型粘结剂，引起了科技界的广泛关注。陶瓷粘相硬质合金表现出优异的硬度，耐腐蚀性/抗氧化性和高温性能。除此之外，纳米颗粒具有更高的界面能和更大的比表面积，因此在烧结过程中通过生成液相强化烧结。纳米粘结相还具有基体晶粒细化、增强增韧等优点。

为了探讨纳米陶瓷在硬质合金中替代Co粘结相的可行性，山东大学研究院选用纳米Al2O3、ZrO2和MgO作为WC硬质合金的粘结相，比较硬质合金显微组织和力学性能，并探究了纳米氧化物陶瓷的增韧机理，相关论文以题为“Nano-ceramic replacing cobalt in cemented carbide as binder phase: Is it feasible?”发表在Journal of Alloys and Compounds。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.162968

WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO纳米复合硬质合金在1700℃和40 MPa压力烧结后近全致密化。XRD由主要的WC和陶瓷粘结相峰组成，而未检测到其它相，表明陶瓷粘结相(Al2O3、ZrO2、MgO)与WC具有良好的热力学相容性。SEM显示纳米陶瓷粘结剂都均匀地分布在WC晶粒基体之间，这种均匀分布的陶瓷粘结相对提高硬质合金材料的力学性能至关重要。

图1 陶瓷粘结相硬质合金的TEM显微照片，(a)WC-6Al2O3中的位错，(b) WC-6ZrO2中的位错，(c)WC-6MgO中的位错，(d)WC-6ZrO2的晶内和晶间组织

烧结后WC晶粒保留了起始晶粒尺寸，第二相通过限制晶界迁移率显著抑制了WC基质的晶粒生长。在所有三种陶瓷粘结相硬质合金材料中都观察到位错，位错提高了硬质合金的容错性。并且发现一些纳米ZrO2晶粒沿WC晶粒边界分布，而更多的ZrO2纳米晶粒分布在WC晶粒内部，形成所谓的晶内纳米结构。与WC晶界处的陶瓷结合相相比，WC晶粒内部的陶瓷更加细小。

图2 WC-6Al2O3的增韧机理。

图3 WC-6ZrO2的增韧机理。

图4 WC-6AMgO的增韧机理

在高温烧结冷却过程中，由于热膨胀系数的差异，陶瓷粘结相周围产生了残余拉应力，有利于裂纹到达应力场时产生裂纹偏转。当外载荷作用于纳米陶瓷粘结材料时，弹性模量的差异会引起显微应力的重新分布，从而提高材料的韧性。三种陶瓷结合硬质合金均存在裂纹桥接现象，有效降低了裂纹扩展能量。在硬质合金中也发现了裂纹非分叉，大幅度提高主裂纹扩展的能耗，有效延缓裂纹扩展。

图5 WC-6ZrO2试样抛光面和断裂面的XRD谱图

在WC-ZrO2硬质合金断裂过程中，当外应力作用于硬质合金时，裂纹尖端附近出现应力集中，促使t-ZrO2向单斜晶系m-ZrO2转变。这种转变通过增强裂纹尖端附近的应力松弛，显著阻碍了裂纹的扩展。此外，相变引起的体积膨胀使周围基体压缩，有利于裂纹的闭合。此外，材料表面的相变会引起表面压应力的产生，使材料的韧性大大提高。

综上所述，本研究通过热压烧结技术开发了WC-6Al2O3、WC-6ZrO2和WC-6MgO纳米复合硬质合金，与无粘结硬质合金和传统的WC-Co硬质合金相比，纳米陶瓷粘结相硬质合金的表现出更好的断裂韧性与硬度结合，与微米陶瓷粘结相硬质合金相比，纳米陶瓷粘结相硬质合金的硬度和断裂韧性同时得到增强。纳米陶瓷粘结相硬质合金的这种优异硬度对于高速加工应用至关重要，有望成为高速加工工具的候选材料。