梯度硬質合金表面的氮勢控制

陳巧旺，姜中濤，鄧 瑩，李 力，陳 慧

(1.重慶文理學院材料交叉學科研究中心，重慶 永川 402160;2.重慶市高校微納米材料工程與技術重點實驗室，重慶 永川 402160)

硬質合金多以組織均勻的制品為主，但隨著現代工業技術的不斷發展，對硬質合金制品的要求也不斷提高，往往在不同的工作部位有著不同的性能要求.梯度硬質合金利用成分或組織梯度達到性能梯度變化，賦予硬質合金制品優異的綜合性能和使用性能，是解決硬質合金制品耐磨性與韌性難以同時兼顧這一問題的有效途徑之一.

所謂梯度硬質合金，是指其組成、結構在不同部位呈現有規律差別的一種合金.梯度硬質合金已發展了2大主要預制備成分體系［1］:非平衡碳硬質合金和含氮硬質合金.貧碳硬質合金通過滲碳工藝可制備用于鑿巖工具的雙相(DP)硬質合金，此種梯度硬質合金最早由瑞典Sandvik公司發明，并申請了相關專利［2］.含氮硬質合金根據體內氮平衡分壓與環境氮分壓之差，可實現氮化和脫氮，分別形成2類性質截然不同的表層.脫氮形成表面無立方相的韌性層，即富粘結相層;氮化則形成表面富立方相的硬質層.本文主要論述的是表面富立方相梯度硬質合金的氮勢控制.

1 制備工藝

表面富立方相梯度硬質合金的制備工藝有兩種［3］:一步法和兩步法.一步法是將合金在一定壓力的氮氣氛中進行燒結，燒結和滲氮處理一步完成;兩步法是先將合金在一定氣氛或真空中進行燒結，再于一定壓力的氮氣氛中進行滲氮處理.相比較而言，一步法效率更高、能耗更少.硬質合金的滲氮處理就要對其表面的氮勢進行控制，這涉及到冶金反應、多相平衡、元素擴散遷移等多方面的因素，本文將對合金成分、處理溫度、氮氣壓力3個因素進行討論.

2 影響因素

2.1 合金成分

梯度層的形成主要是氮元素和合金中的立方相金屬碳化物在一定條件下發生反應，在表層生成新相，合金成分，尤其是合金中立方相金屬碳化物的含量，對梯度層的影響十分關鍵.經過熱力學計算可以看出［4］，在燒結溫度范圍內，鈦元素與氮元素的反應趨勢最為強烈，因此，TiC和N的含量對梯度層的影響最大.在燒結過程中，合金表層形成硬質相的Ⅳ A和Ⅴ A族金屬向表面遷移，而氮氣氛中的氮原子則向合金內部擴散，其結果便在合金表層中生成由碳化物生成金屬和氮氣氛中所提供的氮原子組成的氮化物或碳氮化物薄層.提高合金中Ti元素的含量，在相同條件下會增加梯度層的厚度.硬質合金基體中含有氮化物或碳氮化物可促進氮與碳化物生成金屬的相互擴散，加速氮化物或碳氮化物的形成過程，并可改善基體與梯度層的結合力［5］.圖1為不同Ti含量的梯度硬質合金.可以看出，隨著合金中Ti含量的提高，合金與氮元素的反應 趨勢增大，在相同條件下，有利于梯度層形成.

圖1 不同Ti含量梯度硬質合金截面的微觀組織［6］

2.2 處理溫度

梯度硬質合金的制備過程實際是合金內部的化學成分與燒結氣氛之間的反應過程，涉及到冶金反應、元素擴散、新相的形成與平衡等多方面因素.這些因素都與處理溫度有關，處理溫度最終會影響到合金的微觀組織結構及最終的使用性能，因此，處理溫度的選擇和控制十分重要.合金處理溫度的選擇要根據合金的具體成分和處理工藝來確定.如果處理溫度過低，則氮化物生成速度慢、效率低、成本高;如果處理溫度過高，則基體和表面氮化物層晶粒變粗及粘結金屬在表面結晶，會導致合金切削性能降低.圖2為不同處理溫度下梯度硬質合金的微觀組織.

圖2 不同處理溫度下合金截面的微觀組織［7］

由圖2可以看出:提高處理溫度，活化能提高，元素的遷移能力增強，有利于梯度層的形成.但溫度的提高也會使晶粒長大粗化，從而對合金性能產生不利影響.因此，不能為了增加梯度層厚度而無限制地提高溫度，合適處理溫度的選擇是在晶粒長大能接受的前提下，提高處理溫度.

2.3 氮氣壓力

氮氣的引入會發生以下反應:(Ti，W)C(s)+N2(g)→ Ti(C，N)(s)+WC(s)+C(s).

根據上式，氮氣壓力的大小將會影響到燒結爐內氮勢的高低，對梯度合金的影響主要有以下3點［7］:首先，氮勢的高低將會影響合金表面生產碳氮化物的化學成分;其次，燒結爐內氮勢的高低還會影響到與其發生反應的Ti，Ta，Nb等金屬元素在粘結相中的擴散;最后，氮勢的高低將會影響合金中的碳平衡，這將會改變硬質相在粘結相中的溶解度.圖3為不同氮氣壓力下梯度合金截面的金相照片.

圖3 不同氮氣壓力下梯度硬質合金截面的微觀組織［8］

由圖3可以看出，隨著氮氣壓力增加，爐內的氮勢增強，促使金屬元素的遷移速率變快，其結果是梯度層厚度增加.

3 結論

通過以上的論述可知:提高合金中Ti元素的含量有利于提高梯度層厚度;處理溫度的選擇要根據合金成分來確定;提高氮氣壓力會使爐內氮勢增強，有利于促進梯度層形成并增加厚度.

［1］豐平，賀躍輝，肖逸鋒，等.表面無立方相層功能梯度硬質合金的研究進展［J］.中國有色金屬學報，2007，17(8):1221－1231.

［2］Fischer－Udo K R，Hartzell E T，Akerman Jan G H.Cemented carbide body used preperably for rock drilling and mineral cutting［P］.USA 4743515，1988.

［3］陳巧旺，蔣顯全.燒結制備含Ti功能梯度硬質合金的研究進展［J］.硬質合金，2010，27(4):247 －251.

［4］陳巧旺，蔣顯全，姜愛民.滲氮燒結的YT15梯度硬質合金微觀組織［J］.粉末冶金材料科學與工程，2011，16(3):437－441.

［5］李沐山.國外硬質合金表面化學熱處理技術進展［J］.國外金屬熱處理，1992，13(4):1 －10.

［6］LengauerW，Dreyer K.Functionally graded hardmetals［J］.Journal of Alloys and Compounds，2002，338(1–2):194–212.

［7］Dreyer K，Kassel D，Daub H，etal.Functionally graded hardmetals and cermets:preparation，performance and production scale up［C］.15th International Plansee Seminar.Plansee Holding AG，Reutte，2001，2:768 －783.

［8］Ucakar V，Kral C，Dreyer K，etal.Near－surfacemicrostructuralmodification of(Ti，W)(C，N)－ based compacts with Nitrogen［C］.15th International Plansee Seminar.Plansee Holding AG，Reutte，2001，2:784－799.