WC—TiC—TaC—Co硬質(zhì)合金表面SiO2陶瓷層的制備與表征

喬志勇

摘要：文章采用WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金表面進行二氧化硅陶瓷的涂層，實驗以WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金粉末壓胚為基體，分別采用含氫聚硅氧烷和二甲基硅油為Si源，通過含氫聚硅氧烷（HPSO）與二乙烯基苯（DVB）進行交聯(lián)工藝、涂層工藝獲得包覆膜和通過二甲基硅油，用二甲苯稀釋得到不同粘性的溶液進行涂層工藝以一定的升溫速率至1440℃、真空燒結(jié)而成。

關(guān)鍵詞：WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金；二氧化硅陶瓷；涂層工藝；交聯(lián)工藝；結(jié)合機制 文獻標識碼：A

中圖分類號：TG174 文章編號：1009-2374（2016）30-0073-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.30.035

1 實驗

1.1 實驗原料

本實驗使用的原料與試劑如表1所示：

1.2 實驗原理

1.2.1 二甲基硅油。其為Si-O-Si主鏈聚合物，本身具有一定黏性，在室溫下能穩(wěn)定存在；裂解時逸出氣體少，陶瓷產(chǎn)率高。其可溶于二甲苯，調(diào)節(jié)黏度。

1.2.2 含氫聚硅氧烷。單體易得且價格低；合成工藝簡單，產(chǎn)率高；聚合物為液體，在室溫下能穩(wěn)定存在；裂解時逸出氣體少，陶瓷產(chǎn)率高；含有Si-H的活性基團。其與二乙基苯交聯(lián)機理Si-H與碳碳雙鍵或進行加成反應(yīng)。

1.3 實驗過程

1.3.1 以氫情聚硅氧烷為Si源。采用不同比例含氫聚硅氧烷和二乙烯基苯；混合均勻；放入烘箱中用不同溫度交聯(lián)4h；通過旋轉(zhuǎn)涂覆機涂覆；烘干成膜；1440℃真空燒結(jié)。

1.3.2 以二甲基硅油為Si源。采用不同比例二甲基硅油和二甲苯；混合均勻；通過旋轉(zhuǎn)涂覆機涂覆；烘干成膜；1440℃真空燒結(jié)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 IR分析

圖1為原料（HPSO）、交聯(lián)劑（DVB）和交聯(lián)后得到的樣品（HD）的IR圖。

對圖1進行分析可得：僅以加熱為引發(fā)交聯(lián)的條件可以使含氫聚硅氧烷與二乙烯基苯發(fā)生交聯(lián)，但是反應(yīng)并不完全。另外，C=O雙鍵的存在說明樣品有一部分樣品氧化，宏觀表現(xiàn)為樣品由乳白色變成淡黃色。

2.2 XRD分析

2.2.1 含氫聚硅氧烷為Si源的XRD分析。

圖2為含氫聚硅氧烷與二乙烯苯的體積比為2∶1的條件下，在120℃交聯(lián)4h，進行涂層2次，于1440℃燒結(jié)的樣品的XRD圖。從圖中可以分析得出該樣品含有SiO2、SiC、TiC、Co以及W2C。其中的SiO2大部分為a=b≠c，即六方晶系。另外還含有a=b≠c，即四方晶系。由于我們的燒結(jié)溫度在1440℃，根據(jù)石英的晶型隨溫度的轉(zhuǎn)化圖可以推斷其結(jié)晶形態(tài)為鱗石英以及方石英。

2.2.2 二甲基硅油為Si源的XRD分析。

圖3為二甲基硅油與稀釋劑體積比為3∶1，涂層2次，于1440℃燒結(jié)的樣品。從該圖分析得到其含有SiO2、SiC、Co、C27H48以及W2C。其中的SiO2大部分為a=b≠c，即六方晶系。還有一部分為a≠b≠c，即單斜晶系。根據(jù)石英的晶型可以推斷其結(jié)晶形態(tài)為鱗石英。

2.3 SEM分析

圖4中A為以二甲基硅油為Si源涂層的樣品，B為以含氫聚硅氧烷為Si源涂層樣品，C為未涂層的樣品。

圖4中C為未涂層的燒結(jié)后的SEM圖，B為含氫聚硅氧烷與二乙烯苯的體積比為2∶1的條件下，在120℃交聯(lián)4h，進行涂層2次，于1440℃燒結(jié)的樣品的SEM圖，A為以二甲基硅油與稀釋劑（二甲苯）的體積比為3∶1的條件下，進行涂層2次，于1440℃燒結(jié)的樣品的SEM圖。對3圖進行比較分析可知：以含氫聚硅氧烷為Si源的樣品涂層的相對太單薄，依然還存在Co的形貌，沒有氣孔的存在，燒結(jié)時隨溫度提高，晶粒長大硬度增加，其涂層與基體相互滲透形成擴散型結(jié)合，另外在XRD中檢測到了W2C的存在，說明有一部分與WC相互發(fā)生了反應(yīng)形成化合型結(jié)合，故此其結(jié)合強度較高。以二甲基硅油為Si源的樣品，涂層比較均勻，表面不存在基體材料的物質(zhì)的形貌，基本已完全包覆，但是表面有大量的氣孔存在，結(jié)合強度不好是典型的突變型結(jié)合。

2.4 EDS度分析

對圖5的譜圖處理：沒有被忽略的峰，處理選項：所有經(jīng)過分析的元素（已歸一化），重復(fù)次數(shù)=4。

標準樣品：

C CaCO3 1-Jun-1999 12∶00AM

O SiO2 1-Jun-1999 12∶00AM

Ne Not defined 1-Jun-1999 12∶00AM

Si SiO2 1-Jun-1999 12∶00AM

Co Co 1-Jun-1999 12∶00 AM

Ni Ni 1-Jun-1999 12∶00AM

W W 1-Jun-1999 12∶00AM

表2 以HPSO為Si源的涂層樣品的EDS元素及比例

元素 C K O K Ne K Si K Co K Ni K W M 總量

重量（%） 14.06 2.68 1.96 3.52 14.05 1.89 61.85 100

原子（%） 54.00 7.72 4.49 5.78 11.00 1.48 15.52

根據(jù)EDS的分析，可以進一步證明樣品中二氧化硅陶瓷的存在，但是其含量相對太少，說明涂層太薄，可能產(chǎn)生的原因，僅以加熱為交聯(lián)的手段得到的粘性溶液其中轉(zhuǎn)化量太少（IR分析可以證明），另外就是本實驗的涂層次數(shù)太少。

3 結(jié)語

通過對WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金表面SiO2陶瓷層的制備與表征的研究，可以得出以下結(jié)論：（1）以HPSO為Si源的前提下，僅以加熱為引發(fā)交聯(lián)的手段，HPSO與DVB的交聯(lián)程度很低。查閱文獻，以氯鉑酸和加熱兩種引發(fā)交聯(lián)的手段的情況下，交聯(lián)程度可以達到98%，而HPSO與DVB的體積比對其交聯(lián)程度的影響并不是很大，但其V（HPSO）/V（DVB）≥10∶3時，其交聯(lián)基本不會進行；（2）以HPSO為Si源的前提下，在僅以加熱為交聯(lián)手段，V（HPSO）/V（DVB）=2/1時，交聯(lián)程度最好；（3）以二甲基硅油為Si源的前提下，在1440℃燒結(jié)，由于碳氫化合物的原因，導(dǎo)致WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金表面SiO2陶瓷層存在大量的氣孔；（4）WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金表面SiO2陶瓷層在1440℃燒結(jié)，交聯(lián)固化的產(chǎn)物裂解由非晶體物質(zhì)開始結(jié)晶，形成鱗石英和部分方石英；（5）對WC-TiC-TaC-Co硬質(zhì)合金表面進行涂層時，以二甲基硅油為Si源涂層比較均勻。以HPSO為Si源由于涂層次數(shù)較少，導(dǎo)致涂層不完全；（6）以聚硅氧烷為Si源，必然導(dǎo)致樣品SiC的存在，但是對本文的兩種不同Si源比較，HPSO是一種值得研究的Si源。

參考文獻

[1] 肖詩綱.刀具材料的合理選擇[M].北京：機械工業(yè)出版社，1991.

[2] 馬青松，陳朝輝，鄭文偉，等.用作陶瓷先驅(qū)體的聚硅氧烷的交聯(lián)與裂解[J].高分子材料科學(xué)與工程，2004，20（2）.

[3] 李樹杰，張嵐，陳孝飛，等.聚硅氧烷HPSO-VPSO體系的交聯(lián)和裂解[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程，2013，18（3）.

[4] 張武裝，劉詠，王海兵，等.燒結(jié)方式對硬質(zhì)合金梯度結(jié)構(gòu)和性能的影響[J].硬質(zhì)合金2004，21（4）.

[5] 鄧建新，艾興，侯志剛，等.陶瓷-硬質(zhì)合金復(fù)合刀片的界面結(jié)合機制[J].科學(xué)通報，1997，42（12）.

[6] G.W.MENG，C.M.MO，H.J.LI，et al.Formation of-SiC nanorods with amorphous SiO2 wrapping layers[J].JOURNAL OF MATERIALS SCIENCE LETTERS，1999，（18）.