硬質(zhì)合金主要利用難熔金屬化合物的高硬度、高耐磨損性能和良好的耐高溫性能及黏結(jié)相良好的塑性和韌性，來實現(xiàn)切削、鉆探和抗磨損的作用。這些特性使得硬質(zhì)合金的一些性能之間存在矛盾，例如，硬度和強(qiáng)度、韌性與耐磨損性能，這主要是因為很難同時提高硬質(zhì)相和黏結(jié)相的含量。近年來，一些新型結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使得硬質(zhì)合金的硬度和韌性均能夠在一定程度上同時得到改善。這些新型結(jié)構(gòu)包括，梯度結(jié)構(gòu)、納米及超細(xì)晶結(jié)構(gòu)、超粗晶結(jié)構(gòu)以及其他特殊晶粒分布結(jié)構(gòu)等。
梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金是指其硬質(zhì)相和黏結(jié)相在一定空間尺度上的分布呈梯度變化，從而使其性能的調(diào)節(jié)具有更大的自由度。按照性能要求不同，功能梯度硬質(zhì)合金的種類也較多。20世紀(jì)80年代，瑞典山特維克(Sandvik)鑿巖工具公司開發(fā)出了一種功能梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金，成功推出牌號為DP55、DP60和DP65 3個牌號的雙相(DP)硬質(zhì)合金。這類合金一般呈現(xiàn)出類似于三明治的結(jié)構(gòu)，在合金的最外層和中間層均為WC+Co兩相組織，內(nèi)層為WC+Co+η三相顯微組織。材料最外層Co相含量低于合金的名義鈷含量，具有很高的硬度和耐磨損性能；中間層Co相含量高于合金的名義鈷含量，具有很好的韌性和塑性。DP合金耐磨損性能和韌性明顯優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)硬質(zhì)合金。該技術(shù)被譽(yù)為“硬質(zhì)合金歷史自1950年以來最重要的革新”。20世紀(jì)90年代末，Sandvik又將該技術(shù)應(yīng)用于金屬切削用鉆頭，大幅提高了該類產(chǎn)品的壽命和切削效率。另一類非常重要的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金是用于涂層刀片基體。硬質(zhì)合金刀片的微觀組織通常包括WC，Co和β相。β相是一種含鈦的脆性相，可提高材料的硬度，但卻降低了韌性。涂層基體和涂層之間存在一定的物理、化學(xué)和力學(xué)性質(zhì)的不相容性。通過控制燒結(jié)和熱處理氣氛，能夠在硬質(zhì)合金刀片表面形成約50 μm的無β相層，具有較好的韌性，并與涂層的結(jié)合強(qiáng)度高，大幅提高涂層刀片的抗崩韌性和切削壽命。由于該工藝比較簡單，現(xiàn)在大部分硬質(zhì)合金涂層刀片基體都采用了這種梯度結(jié)構(gòu)。
我國在梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金方面的研究在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)有報道，但是還缺少較系統(tǒng)深入的闡述。著者自2002年以來開展梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金研究，開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金材料。本書主要是針對球齒、頂錘以及涂層刀片基體中各種梯度結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理、工藝參數(shù)和性能研究進(jìn)行了系統(tǒng)的論述，期望能夠?qū)ξ覈荻冉Y(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的大規(guī)模生產(chǎn)提供借鑒。本書同時在硬質(zhì)合金的納米壓痕行為、梯度結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金的疲勞斷裂行為等方面也作了首次系統(tǒng)的闡述。
由于硬質(zhì)合金和功能梯度結(jié)構(gòu)材料的研究領(lǐng)域較專門化，為了方便其他領(lǐng)域材料科學(xué)工作者的理解，在第1章和第2章中特別簡述了功能梯度結(jié)構(gòu)材料和硬質(zhì)合金的基礎(chǔ)知識。同時，結(jié)合硬質(zhì)合金的最新發(fā)展，在第4章和第5章，對其他新型結(jié)構(gòu)，如納米及超細(xì)晶結(jié)構(gòu)、超粗晶結(jié)構(gòu)以及其他特殊晶粒分布結(jié)構(gòu)等硬質(zhì)合金的發(fā)展也作了簡述，期望能夠?qū)Σ牧峡茖W(xué)工作者在開發(fā)高硬度、高韌性硬質(zhì)合金材料時有所啟發(fā)。上述章節(jié)主要是在綜合他人的研究結(jié)果基礎(chǔ)上進(jìn)行闡述，因此在數(shù)據(jù)引用方面由于時間和精力所及，如果未能準(zhǔn)確表明來源之處，還請相關(guān)研究者見諒，也歡迎來信告之，以便進(jìn)一步修訂。著者特別感謝李亞林同志對本書的資料收集、整理，并直接參與了第1章的撰寫，也感謝肖代紅博士參與納米及超細(xì)晶結(jié)構(gòu)硬質(zhì)合金一章的撰寫，并提供了寶貴的圖片、數(shù)據(jù)。著者同時感謝賀躍輝教授、李昆副教授、周永貴高工、王海兵、張武裝、龍鄭易、劉峰曉、張林秋、李克林等同志在課題研究和書稿撰寫過程中提供的無私奉獻(xiàn)和幫助。著者還感謝國家自然科學(xué)基金項目(編號:50823006)以及湖南有色基金項目的資助。
著 者
2010年10月
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