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专栏简介
“硬质材料”专栏由 Technologies 编委郭智兴博士主持，专注于难熔金属与硬质材料的材料制备与表征、数控刀具设计制造技术等研究工作。
郭智兴 博士
四川大学
四川省切削刀具智能设计与服务工程技术研究中心副主任，正高职称，博士生导师，四川省学术与技术带头人后备人选，四川省海外高层次留学人才，“常春藤”Brown University国家留学基金委公派访问学者。长期主要从事粉末冶金、涂层、焊接等材料加工技术，难熔金属与硬质材料 (WC基硬质合金、TiCN基金属陶瓷) 的材料制备与表征，数控刀具设计制造技术等研究工作。主持国家自然科学基金、四川省重大专项/重点研发项目 (课题) 等20余项；主研国家重大专项“高档数控机床与基础制造装备”3项，国家自然基金重点项目1项。在国际学术期刊发表SCI论文100余篇 (其中中科院TOP期刊70余篇)，引用2100余次，H-index为28；授权发明专利36项，转化4项；获四川省科技进步二等奖1项及市级一等奖1项。
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引言
WC-Co系硬质合金是目前最主要的硬质材料，WC陶瓷相与Co基金属相的组合确保了良好的强度、硬度和韧性的匹配。但是，W和Co都是稀有金属，也被列为战略原材料。因此，学术界和工业界寻找新型陶瓷相和金属粘结相替代材料的研究从未间断。
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研究内容
本研究基于陶瓷相 (Ti(C,N)或WC) 和无钴的金属粘结相 (Fe15Ni或Fe15Ni10Cr) 制备了四种材料，其金属粘结相的含量均为20 vol.%，并将其与商业级WC-Co合金进行对比，分析了五种材料的磨损和高温氧化性能。
图1是五种材料的微观组织照片，可见其硬质相分布均较均匀，WC基材料的硬质相晶粒尺寸小于Ti(C,N)基金属陶瓷；与无Cr金属陶瓷相比，在Ti(C,N)金属相中添加Cr会导致陶瓷晶粒尺寸变大。对所有材料的硬度、断裂韧性和TRS分析表明，WC-FeNi的综合性能最好；与Ti(C,N)基材料相比，WC基材料 (WC-FeNi、WC-FeNiCr和WC-Co) 显示出更高的硬度、TRS和断裂韧性。
图1. 五种材料的SEM照片: (a) Ti(C,N)-FeNi、(b) Ti(C,N)-FeNiCr、(c) WC-FeNi、(d) WC-FeNiCr、(e) WC-Co。
在Fe15Ni金属相中添加10 wt.%的Cr会导致TRS值降低，这与Cr加入后M7C3型碳化物的形成有关。图2是不同材料的断口形貌，这些图像显示了四种不同的断裂模式：沿陶瓷相和粘结相之间的界面断裂 (C/B)、粘结相的韧性断裂 (B)、陶瓷相之间的断裂 (C/C) 和陶瓷相的穿晶断裂 (C)。在所有材料中观察到的主要断裂类型是陶瓷相/粘结相界面断裂 (C/B)，与WC基材料相比，金属陶瓷表现出更高的穿晶断裂 (C) 发生率。
图2. 五种材料的断口形貌：(a) Ti(C,N)-FeNi、(b) Ti(C,N)-FeNiCr、(c) WC-FeNi、(d) WC-FeNiCr、(e) WC-Co。
图3是所有材料在不同磨损实验条件下的摩擦系数。与WC基材料相比，Ti(C,N)基材料在所有磨损实验条件下都表现出更大的COF。当载荷从10 N增加到30 N时 (实验条件1到2)，所有材料的摩擦系数都呈现出下降趋势。相反，对于FeNi/FeNiCr粘结相的合金，随着摩擦测试频率的升高，COF呈上升趋势 (实验条件3至5)，这可归因于频率的提高导致断裂加剧，随后导致摩擦碎片的产生，增加了摩擦系数。
图3. 五种材料在不同磨损条件下的摩擦系数：(a) 实验条件1、(b) 实验条件2、(c) 实验条件3、(d) 实验条件4、(e) 实验条件5。
图4是不同材料在不同温度下高温氧化后的外观和质量增加，在500 ℃下氧化的样品形态都没有明显变化，但表面颜色发生了变化。随着温度的升高，WC基材料会发生剧烈氧化，圆柱形试样发生膨胀和开裂。所有材料在500 ℃下的质量增加相对较低。在800 ℃下，Ti(C,N)-FeNi和Ti(C,N)-FeNiCr的质量增加相当，且比他们对应的WC基材料低十倍，WC-Co显示出与替代粘结剂合金相似的值。当暴露在1000 ℃的温度下时，基于Ti(C,N)的材料表现出质量的增加，仍低于WC基材料。
图4. 在不同温度下高温氧化后的 (a) 样品外观和 (b) 质量增加。
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研究总结
本文研究了基于Ti(C,N)或WC陶瓷相和Fe15Ni或Fe15Ni10Cr金属粘结剂的金属陶瓷和硬质合金的机械性能、磨损行为和高温氧化。研究发现，与Ti(C,N)基材料相比，WC基材料具有优异的力学性能，包括硬度、断裂韧性、横向断裂强度 (TRS) 和磨损响应，WC-FeNi表现出比WC-Co材料更高的硬度和TRS。然而，Ti(C,N)基金属陶瓷显示出比WC基合金更好的抗高温氧化性能。
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阅读英文原文
原文出自 Materials 期刊
Biedma, Á.; Sánchez, G.; de Nicolás, M.; Bertalan, C.; Useldinger, R.; Llanes, L.; Gordo, E. A Comparative Study on the Wear Performance and High-Temperature Oxidation of Co-Free Cermets and Hardmetals. Materials 2024, 17, 3615.
精选视频
往期回顾
“硬质材料”专栏 | J. Compos. Sci. 期刊：WC-Co/CoCrFeMnNi0.8V高熵合金复合涂层
版权声明：
*本文由 Technologies 期刊编委郭智兴博士翻译撰写，文中涉及到的论文翻译部分，为译者在个人理解之上的概述与转达，论文详情及准确信息请参考英文原文。本文遵守 CC BY 4.0 许可 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。如需转载，请于公众号后台留言咨询。
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