碳化鎢鉬鉭固溶複合粉末如何強化金屬陶瓷

由硬質相和粘結相組成的碳化鈦（TiC）金屬陶瓷材料，因具有更高的硬度和耐磨性、足夠的強度和韌性、高的耐熱性、良好的化學穩定性等特點，是現代高效高速切削可轉位刀具材料的最佳選擇。但其致命弱點是脆性大、韌性不足，並且硬質相與粘結相的匹配潤濕問題目前尚未得到解決。

碳化鎢（WC）、碳化鉬（Mo₂C）、碳化鉭（TaC）同屬於過渡金屬碳化物，具有較高的硬度、熔點等特點。大量的研究表明，在金屬陶瓷中添加適量的碳化鎢，可改善粘結相對硬質相的潤濕性，另一方可使硬質相晶粒明顯細化，從而使合金的力學性能提高。而Mo或Mo₂C可改善液相金屬粘結相對 TiC 顆粒的潤濕性，在完全潤濕的條件下，TiC 顆粒不出現聚集結晶，抑制了燒結時碳化物相晶粒的長大。在金屬陶瓷中添加TaC可以明顯的細化硬質相的顆粒，提高材料的耐磨性，抗氧化能力和熱導率，並且能夠提高金屬陶瓷的紅硬性和抗熱衝擊性能，從而提高金屬陶瓷刀具的斷續切削性能。

金屬碳化物的加入方法決定了金屬元素的分佈狀態。為了強化金屬陶瓷材料的性能，有學者製備出一種微納米碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末，用於強化鈦金屬陶瓷，其過程如下：

（1）配料：稱取鎢粉850g、鉬粉420g、鉭粉420g以及石墨粉150g，並加入75g氧化鈰粉末；鎢粉、鉬粉、鉭粉以及石墨粉的純度>99.9%，平均粒徑為20~100μm；氧化鈰粉末的平均粒徑＜20μm；

（2）高能球磨固相反應：將步驟（1）配得的原料與碳化鎢球一起裝入不銹鋼真空球磨罐進行高能球磨，球料比為10:1，球磨速度為300轉/min，球磨時間為36h，得到 (Mo,Ta)C 固溶體粉與W+C+(W,Mo,Ta)C混合粉末；

（3）熱化合反應：將步驟（2）得到的反應產物放入高溫氣氛爐中，在氮氫混合氣體氣氛下，於800℃條件下進行熱化合反應60min，得到平均粒徑100nm左右、分佈均勻的碳化鎢鉬鉭固溶複合粉末；反應完成後關閉氫氣，在氮氣保護下將得到的碳化鎢鉬鉭固溶複合粉末冷卻至室溫後，在氮氣保護下真空包裝。

製備得到的碳化鎢/鉬/鉭固溶複合粉末為微納米級且分佈均勻。試驗表明，將碳化鎢鉬鉭固溶複合粉添加進金屬陶瓷粉末中，除了上述金屬碳化物的分散強化、潤濕、晶粒細化的作用外，Mo、W、Ta 等金屬元素在燒結溫度下將向 TiC 顆粒均勻擴散，並取代 TiC 晶格中的 Ti，減少TiC 顆粒之間的接觸，防止它們發生聚集長大，使 TiC 基金屬陶瓷晶粒更細，組織更加均勻，對於金屬陶瓷整體性能的提高有顯著作用。