梯度硬质合金表面的氮势控制

陈巧旺，姜中涛，邓 莹，李 力，陈 慧

(1.重庆文理学院材料交叉学科研究中心，重庆 永川 402160;2.重庆市高校微纳米材料工程与技术重点实验室，重庆 永川 402160)

硬质合金多以组织均匀的制品为主，但随着现代工业技术的不断发展，对硬质合金制品的要求也不断提高，往往在不同的工作部位有着不同的性能要求.梯度硬质合金利用成分或组织梯度达到性能梯度变化，赋予硬质合金制品优异的综合性能和使用性能，是解决硬质合金制品耐磨性与韧性难以同时兼顾这一问题的有效途径之一.

所谓梯度硬质合金，是指其组成、结构在不同部位呈现有规律差别的一种合金.梯度硬质合金已发展了2大主要预制备成分体系［1］:非平衡碳硬质合金和含氮硬质合金.贫碳硬质合金通过渗碳工艺可制备用于凿岩工具的双相(DP)硬质合金，此种梯度硬质合金最早由瑞典Sandvik公司发明，并申请了相关专利［2］.含氮硬质合金根据体内氮平衡分压与环境氮分压之差，可实现氮化和脱氮，分别形成2类性质截然不同的表层.脱氮形成表面无立方相的韧性层，即富粘结相层;氮化则形成表面富立方相的硬质层.本文主要论述的是表面富立方相梯度硬质合金的氮势控制.

1 制备工艺

表面富立方相梯度硬质合金的制备工艺有两种［3］:一步法和两步法.一步法是将合金在一定压力的氮气氛中进行烧结，烧结和渗氮处理一步完成;两步法是先将合金在一定气氛或真空中进行烧结，再于一定压力的氮气氛中进行渗氮处理.相比较而言，一步法效率更高、能耗更少.硬质合金的渗氮处理就要对其表面的氮势进行控制，这涉及到冶金反应、多相平衡、元素扩散迁移等多方面的因素，本文将对合金成分、处理温度、氮气压力3个因素进行讨论.

2 影响因素

2.1 合金成分

梯度层的形成主要是氮元素和合金中的立方相金属碳化物在一定条件下发生反应，在表层生成新相，合金成分，尤其是合金中立方相金属碳化物的含量，对梯度层的影响十分关键.经过热力学计算可以看出［4］，在烧结温度范围内，钛元素与氮元素的反应趋势最为强烈，因此，TiC和N的含量对梯度层的影响最大.在烧结过程中，合金表层形成硬质相的Ⅳ A和Ⅴ A族金属向表面迁移，而氮气氛中的氮原子则向合金内部扩散，其结果便在合金表层中生成由碳化物生成金属和氮气氛中所提供的氮原子组成的氮化物或碳氮化物薄层.提高合金中Ti元素的含量，在相同条件下会增加梯度层的厚度.硬质合金基体中含有氮化物或碳氮化物可促进氮与碳化物生成金属的相互扩散，加速氮化物或碳氮化物的形成过程，并可改善基体与梯度层的结合力［5］.图1为不同Ti含量的梯度硬质合金.可以看出，随着合金中Ti含量的提高，合金与氮元素的反应 趋势增大，在相同条件下，有利于梯度层形成.

图1 不同Ti含量梯度硬质合金截面的微观组织［6］

2.2 处理温度

梯度硬质合金的制备过程实际是合金内部的化学成分与烧结气氛之间的反应过程，涉及到冶金反应、元素扩散、新相的形成与平衡等多方面因素.这些因素都与处理温度有关，处理温度最终会影响到合金的微观组织结构及最终的使用性能，因此，处理温度的选择和控制十分重要.合金处理温度的选择要根据合金的具体成分和处理工艺来确定.如果处理温度过低，则氮化物生成速度慢、效率低、成本高;如果处理温度过高，则基体和表面氮化物层晶粒变粗及粘结金属在表面结晶，会导致合金切削性能降低.图2为不同处理温度下梯度硬质合金的微观组织.

图2 不同处理温度下合金截面的微观组织［7］

由图2可以看出:提高处理温度，活化能提高，元素的迁移能力增强，有利于梯度层的形成.但温度的提高也会使晶粒长大粗化，从而对合金性能产生不利影响.因此，不能为了增加梯度层厚度而无限制地提高温度，合适处理温度的选择是在晶粒长大能接受的前提下，提高处理温度.

2.3 氮气压力

氮气的引入会发生以下反应:(Ti，W)C(s)+N2(g)→ Ti(C，N)(s)+WC(s)+C(s).

根据上式，氮气压力的大小将会影响到烧结炉内氮势的高低，对梯度合金的影响主要有以下3点［7］:首先，氮势的高低将会影响合金表面生产碳氮化物的化学成分;其次，烧结炉内氮势的高低还会影响到与其发生反应的Ti，Ta，Nb等金属元素在粘结相中的扩散;最后，氮势的高低将会影响合金中的碳平衡，这将会改变硬质相在粘结相中的溶解度.图3为不同氮气压力下梯度合金截面的金相照片.

图3 不同氮气压力下梯度硬质合金截面的微观组织［8］

由图3可以看出，随着氮气压力增加，炉内的氮势增强，促使金属元素的迁移速率变快，其结果是梯度层厚度增加.

3 结论

通过以上的论述可知:提高合金中Ti元素的含量有利于提高梯度层厚度;处理温度的选择要根据合金成分来确定;提高氮气压力会使炉内氮势增强，有利于促进梯度层形成并增加厚度.

［1］丰平，贺跃辉，肖逸锋，等.表面无立方相层功能梯度硬质合金的研究进展［J］.中国有色金属学报，2007，17(8):1221－1231.

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