在原子层面上研究硬质合金的晶粒长大

    随着硬质合金晶粒尺寸（粒度）的减小以及晶粒界面数量的相应增多，材料的硬度也会随之提高。当用于金属切削加工时，硬质合金刀具基体可能会产生塑性变形，而且碳化钨（WC）晶粒之间的部分边界可能会破裂，并渗入厚度为10－50nm的结合剂薄层。
    Jonathan Weidow是瑞典查尔姆斯理工大学应用物理系的研究员，他在今年发表的一篇名为“在WC-Co基硬质合金中添加金属和立方碳化物对界面化学性能、相成分和晶粒生长的影响”的论文中表示，“因此，增大晶粒的边界强度大有裨益。”
    Weidow与来自查尔姆斯理工大学、刀具制造商和法国格勒诺布尔理工学院的其他研究人员一起，正在利用山特维克工具公司、山高刀具公司和瑞典研究理事会的科研基金，集中力量了解和描述WC晶粒之间的界面（晶粒界面）、WC晶粒与钴结合剂之间的界面（相界面）的特性，以帮助提高硬质合金刀具的切削性能。
    正在进行的此项研究的一个关键部分，是了解如何抑制晶粒的生长，因为用于生产硬质合金刀具的烧结工艺会引起晶粒长大。
    在硬质合金刀具材料中添加少量其他物质（即掺杂）可以显著抑制晶粒长大。尽管刀具制造商为了改进刀具性能，通常都是添加诸如碳化钒、碳化铬、碳化锰等金属碳化物，但本项目研究人员的做法却是加入钒、铬、锰等纯金属粉末，然后再对混合粉料进行球磨，以充分混合各种不同的粉末，并减小其粒度。这些研究人员发现，添加质量百分比为0.30%或原子量百分比为0.5%的金属钒，抑制晶粒长大的效果尤其明显。
    Weidow指出，“添加钒的硬质合金材料晶粒尺寸最小，其按等效圆周直径计算的平均粒度为0.441μm，粒度分布为0.265μm。”与之相比，参照材料的平均粒度为0.712μm，粒度分布为0.398μm。
    格勒诺布尔理工学院的研究人员利用高分辨率电子显微镜发现，在掺杂材料中，WC颗粒与结合剂之间存在一种只有1－2个原子厚的立方结构。查尔姆斯理工大学研究员Sven Johansson进行的量子力学计算证实，该材料具有形成这种结构的强烈倾向。他说，“该薄层由碳化钒构成，它解释了抑制晶粒长大的机理。它可以阻止钨原子进入，使结合剂不会再沉淀在碳化钨颗粒上。”
    在查尔姆斯理工大学，Weidow采用原子探针CT扫描技术，对晶粒界面一个原子一个原子地进行分析，确定了在界面处每种原子的数量，并进行硬材料的三维重构。他解释说，原子探针CT（APT）的强电场可以使原子从表面一个一个地蒸发，从而能够测量出一个原子的质量，并推断出它属于哪种原子。
    Johansson表示，“通过将原子探针测量与量子力学计算的结果结合起来，我们就能对烧结过程中在原子层面发生了什么变化获得更清晰的认识。”他补充说，对晶粒长大过程更透彻的了解可以改进对刀具微观结构的控制，“如果能够更精确地控制微观结构，当然就能找到制造出更好刀具的方法。”