硬质合金主要利用难熔金属化合物的高硬度、高耐磨损性能和良好的耐高温性能及黏结相良好的塑性和韧性，来实现切削、钻探和抗磨损的作用。这些特性使得硬质合金的一些性能之间存在矛盾，例如，硬度和强度、韧性与耐磨损性能，这主要是因为很难同时提高硬质相和黏结相的含量。近年来，一些新型结构的出现，使得硬质合金的硬度和韧性均能够在一定程度上同时得到改善。这些新型结构包括，梯度结构、纳米及超细晶结构、超粗晶结构以及其他特殊晶粒分布结构等。
梯度结构硬质合金是指其硬质相和黏结相在一定空间尺度上的分布呈梯度变化，从而使其性能的调节具有更大的自由度。按照性能要求不同，功能梯度硬质合金的种类也较多。20世纪80年代，瑞典山特维克(Sandvik)凿岩工具公司开发出了一种功能梯度结构硬质合金，成功推出牌号为DP55、DP60和DP65 3个牌号的双相(DP)硬质合金。这类合金一般呈现出类似于三明治的结构，在合金的最外层和中间层均为WC+Co两相组织，内层为WC+Co+η三相显微组织。材料最外层Co相含量低于合金的名义钴含量，具有很高的硬度和耐磨损性能；中间层Co相含量高于合金的名义钴含量，具有很好的韧性和塑性。DP合金耐磨损性能和韧性明显优于标准硬质合金。该技术被誉为“硬质合金历史自1950年以来最重要的革新”。20世纪90年代末，Sandvik又将该技术应用于金属切削用钻头，大幅提高了该类产品的寿命和切削效率。另一类非常重要的梯度结构硬质合金是用于涂层刀片基体。硬质合金刀片的微观组织通常包括WC，Co和β相。β相是一种含钛的脆性相，可提高材料的硬度，但却降低了韧性。涂层基体和涂层之间存在一定的物理、化学和力学性质的不相容性。通过控制烧结和热处理气氛，能够在硬质合金刀片表面形成约50 μm的无β相层，具有较好的韧性，并与涂层的结合强度高，大幅提高涂层刀片的抗崩韧性和切削寿命。由于该工艺比较简单，现在大部分硬质合金涂层刀片基体都采用了这种梯度结构。
我国在梯度结构硬质合金方面的研究在20世纪90年代就已经有报道，但是还缺少较系统深入的阐述。著者自2002年以来开展梯度结构硬质合金研究，开发出了具有自主知识产权的梯度结构硬质合金材料。本书主要是针对球齿、顶锤以及涂层刀片基体中各种梯度结构的形成机理、工艺参数和性能研究进行了系统的论述，期望能够对我国梯度结构硬质合金的大规模生产提供借鉴。本书同时在硬质合金的纳米压痕行为、梯度结构硬质合金的疲劳断裂行为等方面也作了首次系统的阐述。
由于硬质合金和功能梯度结构材料的研究领域较专门化，为了方便其他领域材料科学工作者的理解，在第1章和第2章中特别简述了功能梯度结构材料和硬质合金的基础知识。同时，结合硬质合金的最新发展，在第4章和第5章，对其他新型结构，如纳米及超细晶结构、超粗晶结构以及其他特殊晶粒分布结构等硬质合金的发展也作了简述，期望能够对材料科学工作者在开发高硬度、高韧性硬质合金材料时有所启发。上述章节主要是在综合他人的研究结果基础上进行阐述，因此在数据引用方面由于时间和精力所及，如果未能准确表明来源之处，还请相关研究者见谅，也欢迎来信告之，以便进一步修订。著者特别感谢李亚林同志对本书的资料收集、整理，并直接参与了第1章的撰写，也感谢肖代红博士参与纳米及超细晶结构硬质合金一章的撰写，并提供了宝贵的图片、数据。著者同时感谢贺跃辉教授、李昆副教授、周永贵高工、王海兵、张武装、龙郑易、刘峰晓、张林秋、李克林等同志在课题研究和书稿撰写过程中提供的无私奉献和帮助。著者还感谢国家自然科学基金项目(编号:50823006)以及湖南有色基金项目的资助。
著 者
2010年10月
