以下文章来源于MDPI化学材料 ，作者MDPI
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 (其中中科院一区70余篇)，引用1600余次，H-index 为25；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。
引言
由硬质陶瓷相碳化钨 (WC) 和粘结剂钴 (Co) 组成的硬质合金广泛用作切削刀具、矿山工具和耐磨零件等。自100年前发明以来，通过添加Cr、Ta、Nb等碳化物以及粘结剂改性，硬质合金的性能得到了进一步提高，在汽车、航空航天、采矿等多个工业部门中得到应用。同时，随着制造成本下降，合成金刚石和cBN等超硬材料在某些应用中与硬质合金形成竞争。但是，金刚石和cBN韧性较低，硬质合金和金刚石结合则有可能兼具这两种材料的优点，要克服的主要挑战是在烧结过程中金刚石结构向石墨的相变。金刚石与Co接触时，转变温度进一步降低，必须降低烧结温度和时间以便最大限度地减少石墨化。
基于此，来自德国的Mathias von Spalden及其研究团队，在MDPI Metals 期刊发表了题为“Novel Route for Preparing Diamond-Enhanced Cemented Carbides via Reactive Sintering”的研究文章。该研究采用场辅助烧结技术 (FAST) 制备金刚石增强硬质合金 (DECC)，可显著降低烧结时间和温度，使用W、C原位合成WC以及采用Ni替代Co作粘结相进一步减少石墨化，并对其微观结构进行了分析。
研究内容
本文采用1.4 µm的WC粉，0.7 µm的W粉，2.5 µm的Ni粉，0.005 µm的炭黑，14~20 µm的金刚石颗粒作为原料，采用场辅助烧结技术 (FAST) 制备不同成分的金刚石增强硬质合金 (DECC)。
图1是(W+5.37C)-Ni与(W+5.55C)-Ni在不同烧结温度下的微观组织。从1100 °C到1180 °C，这两种成分的合金的晶粒尺寸没有太大差异，细晶粒已经减少，而大颗粒的晶粒不多。相比之下，在1250 °C下烧结30分钟的试样显示出明显的晶粒度增加。随着C的增加，WC晶粒明显更大，(W+5.37C)-Ni因碳不足而形成η相。
图1. (W+5.37C)-Ni与(W+5.55C)-Ni在不同烧结温度下的微观组织。
通过FAST制备了三种具有WC-Ni硬质合金基体的反应烧结DECC。第一种是在 (W+5.55C)-Ni中添加金刚石，即 (W+5.55C)-Ni+D；第二种不含炭黑作为碳源，而是添加了更多的金刚石作为形成WC的C源，即W-Ni+D；第三种是将W添加到常规WC-Ni混合物中以产生1 wt%的碳不足，并添加金刚石，即WC-Ni+W+D。
图2是在1180 ℃烧结(W+5.55C)-Ni+D的微观组织。可见，合金中的残余孔隙不显著，WC的晶粒尺寸和形貌与纯硬质合金相似，可以看到棱角分明的WC晶粒形貌。值得注意的是，在金刚石颗粒簇附近出现了Ni粘结剂“湖” (图2，红圈)。在金刚石旁边有两种明显的不同形态的碳，致密形态和多孔形态。第一种形态是烧结过程中金刚石转变形成的石墨，第二种是残留的炭黑，它没有与W反应。
图2. 在1180 ℃烧结(W+5.55C)-Ni+D的微观组织。
从含炭黑样品中可见，烧结过程中金刚石为WC形成提供了一部分碳。为了研究这种影响，进行了不添加炭黑的试验。如图3，W-Ni+D中的石墨形成量略大，在金刚石表面以及硬质合金内部可以发现更多的石墨。此外，金刚石的边缘更圆。WC的形成可以通过金刚石中的碳来实现，XRD分析也证实了这一点，只有WC、Ni和金刚石的峰。与添加炭黑的试样相比，WC晶粒的形态非常不同 (图3)，它们具有圆形边缘和Ni夹杂物，以及晶粒内的小孔。由于碳源 (金刚石) 不像主要无定形的炭黑那样分布精细，反应性也不如炭黑。因此，WC的形成可能通过中间相如金属间化合物和η相 (M6C) 发生，随着烧结过程的进行，将有更多的碳可供使用，从而进一步反应生成WC。
图3. 在1180 ℃烧结W-Ni+D的微观组织。
可见，向常规WC-Ni混合物中添加W应有助于提高烧结活性，并通过与WC反应吸收不可避免地形成的石墨，这可以被称为部分反应烧结。将1140 °C烧结的样品与1160 °C的金刚石增强硬质合金 (DECC) 样品进行比较，在添加W的部分反应烧结样品的基体和金刚石颗粒表面可以发现更少的石墨。
图4. 1140 ℃烧结W-Ni+W+D (上) 和1160 ℃烧结WC-Ni+D (下) 的微观组织。
研究总结
本文采用场辅助烧结来降低烧结温度和时间，并采用镍替代替传统的钴基粘结剂的方式制备金刚石增强硬质合金 (DECC)，通过向WC和Ni的混合物中添加金属W引入碳不足，进行部分反应烧结，进一步降低烧结过程中形成的石墨量，与WC-Ni+D的金刚石增强硬质合金 (DECC) 相比，达到相当致密度 (97.5%) 所需的温度可以降低到1140 °C。
转自：“蔻享学术”微信公众号
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