Почему мы должны изучать нанокерамический связанный карбид? Как мы все знаем, карбид WC-Co состоит из твердой фазы (WC) и связующей фазы (черный металл). В суровых условиях связующая фаза более подвержена коррозии и окислению, чем твердая фаза, что ограничивает ее применение в некоторых областях. Поэтому снижение содержания связующей фазы считается решением этой проблемы. Кроме того, металлический Со является дорогостоящим материалом и оказывает определенное влияние на здоровье человека. Необходимо сократить применение Co в карбиде с точки зрения снижения затрат и здоровья человека.

Карбид на основе нанокерамической связанной фазы на основе WC относится к типу карбидного продукта, который не содержит или содержит небольшое количество металлического связующего (<0,5% по массовой доле). Он обладает непревзойденной износостойкостью, коррозионной стойкостью, отличной полируемостью и стойкостью к окислению по сравнению с традиционным карбидом.

Карбид на основе нанокерамической связанной фазы на основе WC представляет собой сочетание твердости керамики и ударной вязкости карбида, и продукты были запущены за рубежом. Обладая отличной износостойкостью и коррозионной стойкостью, его можно использовать для изготовления сопел для пескоструйной обработки, электронных упаковочных материалов, износостойких деталей скольжения для тяжелых условий эксплуатации и т. д. Благодаря превосходным режущим характеристикам его можно использовать в качестве инструментов и материалов для сверл, особенно для обработки сплавов титан/титан, что значительно повышает эффективность работы. а благодаря своей стойкости к окислению и отличной полировке его можно использовать в качестве форм и декоративных материалов.

Характеристики нанокерамического твердого сплава:

1Фазовая структура и содержание углерода в нанокерамической связанной фазе карбида карбида очень чувствительны к содержанию углерода. Для традиционных карбидосодержащих связующих фаз существует определенный диапазон содержания углерода для поддержания нормальной фазовой структуры. Если этот диапазон будет превышен, появится хрупкая n-фаза или свободный углерод. Напротив, подходящее содержание углерода в нанокерамической связанной фазе карбида на основе WC не колеблется, как в сплаве WC-Co, а является фиксированным значением.

2 Состав и свойства нанокерамического карбида на связке

Нанокерамический карбид на связке, который идеально сочетает в себе механические свойства и износостойкость, является одним из наиболее широко используемых материалов на основе керамики в машиностроении. Однако в большинстве материалов на керамической основе наличие металлических связующих фаз не только придает этим композитным материалам превосходную вязкость при изгибе, но также влияет на определенные свойства, что ограничивает их использование. Кроме того, низкая температура плавления металлического кобальта также сильно ограничивает применение режущих инструментов из WC-Co при высокоскоростной обработке, которая подвержена серьезному адгезионному и окислительному износу. Кроме того, плохая коррозионная стойкость, высокая стоимость и токсичность Co также ограничивают применение карбида WC-Co в механической промышленности. Следовательно, частичная или полная замена связующей фазы Co может расширить область применения карбида. В последние годы керамические связующие фазы привлекли широкое внимание в научном сообществе как новый тип заменителя кобальта.

 

Конкретное исследование с использованием нанокерамики в качестве связующей фазы в твердосплавных сплавах

Исследовательский институт Шаньдунского университета в Китае выбрал наноразмерные Al2O3, ZrO2 и MgO в качестве связующей фазы для твердых сплавов WC. Сравнивались микроструктура и механические свойства сплавов твердых сплавов, изучался механизм упрочнения нанокерамических оксидов. Соответствующая статья под названием ?Нанокерамика, заменяющая кобальт в цементированном карбиде в качестве связующей фазы: возможно ли это??, была опубликована в Journal of Alloys and Compounds.

Ссылка на бумагу:

https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0925838821043784

 

 

 

 

 

4. Механизм керамических связующих, повышающих ударную вязкость карбидных материалов.

рис.1 ПЭМ-микрофотографии нанокерамического связанного карбида: (а) дислокации в WC-6Al2O3, (б) дислокации в WC-6ZrO2, (в) дислокации в WC-6MgO и (г) внутризеренная и межзеренная микроструктуры WC-6ZrO2.

После спекания зерна WC сохраняли свой первоначальный размер зерна, а вторая фаза значительно подавляла рост зерен матрицы WC, ограничивая миграцию границ зерен. Дислокации наблюдались во всех трех карбидных материалах на основе нанокерамики, что повысило устойчивость карбида. Кроме того, было обнаружено, что часть наноразмерных зерен ZrO2 распределяется вдоль границ зерен WC, в то время как большее количество нанозерен ZrO2 распределяется внутри зерен WC, образуя так называемые внутризеренные наноструктуры. По сравнению с керамической связующей фазой на границах зерен WC керамика внутри зерен WC была меньше по размеру.

рис.2 Механизм закалки WC-6Al2O3

рис.3 Механизм закалки WC-6ZrO2

рис.4 Механизм закалки ВК-6АМгО

В процессе высокотемпературного спекания и охлаждения вокруг фазы керамического связующего возникают остаточные растягивающие напряжения из-за различий в коэффициентах теплового расширения, что способствует прогибу трещины, когда она достигает поля напряжений. Когда к нанокерамическому связующему материалу прикладывается внешняя нагрузка, разница в модулях упругости вызывает перераспределение микроскопических напряжений, тем самым повышая ударную вязкость материала. Все три карбидных материала на основе нанокерамики перекрывают трещины, эффективно снижая энергию распространения трещины. В карбиде также были обнаружены неветвящиеся трещины, значительно увеличивающие энергозатраты на распространение основной трещины и эффективно замедляющие распространение трещины.

рис.5 Спектры РФА полированной поверхности и поверхности излома образца WC-6ZrO2

В процессе разрушения карбида WC-ZrO2, когда к карбиду приложено внешнее напряжение, вблизи вершины трещины происходит концентрация напряжений, способствуя превращению t-ZrO2 в моноклинный m-ZrO2. Это преобразование значительно препятствует распространению трещины, усиливая релаксацию напряжений вблизи вершины трещины. Кроме того, объемное расширение, вызванное фазовым превращением, сжимает окружающую матрицу, что способствует закрытию трещины. Кроме того, поверхностное фазовое превращение может создавать сжимающее напряжение, что значительно увеличивает ударную вязкость материала.

Вывод

Таким образом, по сравнению с традиционным карбидом WC-Co карбид на основе нанокерамики демонстрирует лучшее сочетание вязкости разрушения и твердости. По сравнению с карбидом на основе микрокерамики твердость и вязкость разрушения нанокерамического карбида на связке одновременно повышаются. Эта превосходная твердость карбида нанокерамической связанной фазы имеет решающее значение для высокоскоростной обработки и, как ожидается, станет материалом-кандидатом для инструментов для высокоскоростной обработки.