| 单词 | 硬质合金表面化学热处理技术 |
| 释义 | 【硬质合金表面化学热处理技术】 拼译：surfacechemical heat treating technique of cemented carbides 是表面合金化与热处理相结合的一种表面处理技术。这种技术通过改变硬质合金表面层的成分和结构达到提高其使用性能的目的。硬质合金表面化学热处理过程可通过气相沉积、离子轰击、固体扩散、热浸等方式进行。气相沉积过程是在渗入元素的卤化物蒸气流过基体合金表面时通过置换、还原或热分解使其原子沉积在合金表面上并扩散到合金表层内；离子轰击过程是通过离子轰击将渗入元素轰击到基体合金表面上并扩散到合金表层内；固体扩散过程是通过使含渗入元素的粉末与基体合金直接接触或将其膏剂涂覆在基体合金上，在热态下进行扩散，使基体合金表面形成扩散层；热浸过程是通过将基体合金浸入溶盐中，使其表面渗入所需元素或化合物。 硬质合金表面渗钛处理时，可通过两种方法提供钛源，即气相法和阴极离子轰击法。在利用气相法提供钛源的情况下，渗钛处理用由钛的氯化物(TiCl4、TiCl3、TiCl2)组成的介质在封闭的容器内于1050±20℃和1．3×102～1．3×102Pa的压力下进行2．5h。在渗钛过程中在反应器空间和基体合金表面上发生一系列循环反应而生成碳化钛层。在渗钛的初始阶段钴也参与碳化物生成过程。以特制的粗晶粒70%(Ti，W)C－30%CO合金渗钛为例，经渗钛后其中许多(Ti，W)C晶粒具有由于固溶体分解生成的所谓环形结构，其外围的显微硬度比核心高5～6GPa，即分别为18．3～21．0和12．0～14．8GPa。晶粒的外围是富钛区，而钨含量则由核心向晶界均匀降低。由于在渗钛过程中生成外围钛含量较高(Ti，W)的C晶粒，因而通常会使合金的耐磨性提高。在用阴极离子轰击法提供钛源的情况下，通过离子轰击将钛源涂覆在经粗加工的硬质合金制品上。用这种方法提供钛源与其他合金化方法相比，具有一系列的特点，诸如钛源与基体的接触紧密，可获得深度均匀的扩散层；离子轰击时表面被活化，有助于钛向合金中扩散；热扩散处理后表面粗糙度低，有利于最后精加工等。热扩散处理在真空炉中于1250℃下进行。为了防止扩散时合金中生成脱碳相(η－相)，扩散处理应在含碳填料(石墨粒)中进行。在热扩散处理过程中发生钛由涂层向基体深处的扩散过程，从而导致涂层相成分的明显变化。钛向基体合金深处扩散导致被处理合金硬度的均匀变化，渗钛处理还可使硬质合金工具与被加工材料的粘着作用程度明显降低。应当指出，表面渗钛处理对WC-Co类合金的效果更为明显。WC-Co类硬质合金在以粘着磨损和磨料磨损机理为主的磨损条件下(如切削钢材)工作时往往丧失效能，而(Ti．W)C-Co类硬质合金在这种条件下具有很高的耐磨性。如果在WC-Co合金中添加钛，则可提高其硬度，但却降低其强度和冲击韧性，以致不可能用这种材料作承受冲击载荷的工具(如冲压工具)，渗钛处理就为制造其基体由WC-Co合金组成，而外层具有接近于(Ti．W)C-Co合金成分的材料提供了一条有效的途径。以电动机磁导片冲裁模的动片外形凹模为例，WC-Co合金经过扩散渗钛处理后，该冲模这一最关键部位的寿命可提高30%。综上所述，采用热扩散渗钛处理对于诸如冲压模具之类的硬质合金零件是一种很有前途的表面强化处理方法。硬质合金制品表面渗硼处理时，可采用膏剂法提供硼源。制品经乙醇脱脂处理后，涂覆预先配制好的含硼糊膏，其厚度为2～4mm，并在100℃下干燥lh。糊膏配方为50%B4C+50%冰晶石以及淀粉。渗硼处理在高频感应加热炉中于900～1000℃下进行1～5min。经渗硼处理后，硼可扩散到合金的表层内，使其硬度提高20%～40%，而且硬度提高的幅度随合金含钴量的提高而增大，如WC－5%合金(Gl)的硬度提高约21．1%，WC－7%合金(G2)提高33．8%，而WC－9%Co合金(G3)则提高45．9%。这是因为合金中钴含量越高，在合金表层内生成的金属间化合物Co3B的量也就越大，从而导致其硬度提高。合金表层硬度与处理时间有密切关系。在极短的时间内合金表层硬度随着时间的增长而提高，如果处理时间过长，则硬度反而下降。在处理时间长且糊膏薄的情况下，糊膏会发生燃烧，引起燃烧损失，糊膏中的硼供体消失，结果在硼消失后的加热过程中，合金表层会产生脱硼和氧化，从而造成试样的重量发生变化。合金抗弯强度与处理时间也有密切关系。随着处理时间的增长，合金抗弯强度下降，因为处理时间越长，金属间化合物Co3B间合金内渗透的深度越大，而且金属间化合物与基体之间形成孔隙，所以造成合金强度下降。扫描电子显微镜检验发现，由于硼向钴晶粒内扩散而造成其晶粒长大。由合金断口观察查明，金属间化合物Co3B的厚度为10～20μm，而且它与基体之间存在着一些孔隙。硬质合金制品表面渗硅处理时，采用膏剂法提供硅源。制品经乙醇脱脂处理后，涂覆预先配制好的含硅糊膏，其厚度为2～4mm，并在100℃下干燥lh。糊膏配方为60%活性炭+20%(80%SiC+20%NH4Cl)+20%BaCO3以及淀粉。渗硅在高频感应加热炉中于900～1000℃下进行2～4min。经渗硅处理后，硅可扩散到合金表层内，使其硬度提高19%～25%。在含硅糊膏厚度为4mm，处理温度为900℃和1000℃的情况下，随着处理时间延长，合金硬度和抗弯强度均提高。在处理温度为900℃，处理时间为2～4min的情况下，WC－5%Co(Gl)、WC－7%Co(G2)和WC－9%(G3)3种合金的硬度均随着糊膏厚度的增大而降低。通常认为，硬质合金硬度和抗弯强度成反比关系。但在渗硅时则出现上述论点相反的特点。这是因为在合金表层内生成的金属间化合物Co2Si具有良好的润湿性。该化合物随着处理时间的增长和糊膏厚度的增大，成长为很厚的保护膜。渗硅处理与渗硼处理完全不同，发现上述3种合金经渗硅处理后大部分合金重量减少(减少0．04%～2．0%)，其原因被认为是金属间化合Co2Si量少，且呈多孔状，因而在去除糊膏时，Co2Si也同时被剥掉。扫描电子显微镜检验发现，在合金表面上生成白色的活性硅化物层，在其下层中发现有气孔。这些气孔是由于相互扩散造成的柯肯多尔扩散效应或在冷却过程中放出的气体所引起的。硬质合金制品表面渗碳处理时，采用膏剂法提供碳源。合金刀片经酒精脱脂处理后，涂覆预先制备好的含碳糊膏，并进行干燥。糊膏配方为60%活性炭+20%黄血盐［K4Fe(CN)6］+20%碳酸钡(BaCO3)。渗碳处理在高频感应加热炉中于500～600℃下进行。硬质合金渗碳处理后，其划痕强度、耐磨性、抗疲劳强度、耐腐蚀性等均有提高。同时，由于渗碳处理温度低，不会影响合金强度，而且经处理后热变形和热应力小。因此，这种方法最适用精密工具的强化处理。硬质合金制品表面渗碳化物处理可采用熔盐浸渍法、电解法和固体扩散法进行。一般多采用盐浸渍法。这种方法的实质是将硬质合金浸入含有碳化物生成元素的溶盐(通常采用硼砂)中，使其表面生成连续致密的碳化物渗层。所生成的碳化物为Cr7C3、Cr7C3+Cr23C8、VC、V2C+VC、NbC、TaC等。这些碳化物的硬度高达l300～4000HV，而且与合金基体结合紧密，因此具有极高的耐磨性、抗咬合性、耐腐蚀性、抗氧化性和耐热冲击性，可大大地改善硬质合金的使用性能，特别是抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。1．渗Cr7C3处理。将盛有无水硼砂的不锈钢坩埚加热到1000℃使硼砂熔融，再加入10wt%的100目金属铬粉，并搅拌均匀，然后将过脱脂处理的合金放入溶体中，保持1～15h后取出在空气或油中冷却，便在硬质合金表面渗入一层Cr7C3碳化物渗层。在1000℃下处理15h后在基体合金上生成的Cr7C3扩散层的厚度与处理时间的平方根成正比，并随着基体合金中钴含量的提高而增大。制得的渗层结构致密，表面光滑。硬质合金经渗Cr7C3处理后，其抗氧化性和耐腐蚀性明显加强。2．渗NbC、VCT和TaC处理。在渗NbC和TaC处理时，采用电解法(阳极溶解法)，也可采取熔盐浸渍法。在采用阳极溶解法时，在1000℃下将1．5mm厚的Nb片或1．0mm的Ta片插入盛有熔融硼砂的坩埚中作阳极，坩埚作阴极。在氩气保护下电解2～4h。在电解时电流密度保持在0．5A／cm2，以保证有9．8wt%Nb或9．4%～11．2wt%Nb溶入坩埚。在采用溶盐时，将18wt%VCl3粉末(V含量为10wt%)或18%wt%NbCl5，CNo含量为10wt%，加入到加热至1000℃的熔融硼砂中并搅拌均匀。然后将经脱脂处理的基体合金浸入该熔液中，并在1000℃下保持1～15h后取出于空气中或油中冷却，从而在硬质合金表面上渗入一层上述金属碳化物渗层。在采用阳极溶解Nb(9．8wt%)法在1000℃下处理15h时所生成的碳化铌渗层的厚度与处理时间的平方根成正比，并随着基体合金中钴含量的提高而增大。渗层结构致密，表面光滑。硬质合金制品经渗碳化物处理后，不但具有较高的抗氧化性和耐腐蚀性，而且可进一步提高其硬度。用作模具和刀片的硬质合金以渗碳化物处理后，其使用性能可提高3～4倍。因此这种表面强化处理方法是很有前途的。硬质合金制品表面渗氮处理的实质是含有TiC及Ⅵa和Va族金属氮化物或碳氮化物的WC基梗质合金在氮气氛中加热生成1～10μm的TiN表层。硬质合金氮化处理在普通烧结炉中于1000～1300℃下进行。在渗氮处理过程中，合金表层附近的形成硬质相的Ⅳa或Va族金属向表面迁移，而氮气氛中的氮原子则向合金的内部扩散，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薄层。如果在合金中除TiC外还含有其它金属氮化物或碳化物，则所生成的氮化物实质上是TiN，因为钛无论就其质量还是就其大小都是Ⅵa或Va族金属中最小的，因而在加热过程中优先迁移，并且优先与氮生成氮化物，而其他金属氮化物则生成极少，仅是微量程度，不能被鉴别出来。在氮化处理过程中，氮化物的生成是靠合金内部提供的金属实现的，因而与基体合金的结合极为牢固，而不会像化学气相沉积的TiN涂层那样易于产生剥落现象。硬质合金基体中含有氮化物，氮化物可促进氮与碳化物生成金属的相互扩散，加速氮化物形成过程，并可改善基体与渗氮层的亲合力，因而有助于提高基体与渗氮层的新合力，提高基体与渗氮层的结合强度，但这种效应并非与基体中氮化物含量呈线性关系。当氮化物含量超过10wt%时，这种效应有减弱的趋势。为了保证优异的切削性能，渗氮层的厚度应控制在1～10μm的范围内。若厚度小于1μm，则满足不了切削要求，失去氮化处理的效果；当厚度大于10μm时，则刀片容易崩刃。经表面渗氮处理的含TiC的WC基硬质合金具有优异的切削性能。经表面渗氮处理的硬质合金在耐磨性方面明显优于化学气相沉积涂层合金和未经表面渗氮处理的合金。(株州硬质合金厂李沐山撰) |
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