涂层梯度硬质合金的研究进展

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硬质合金作为一种工具材料，由于其具有高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨损和耐腐蚀等性能，已广泛应用于各种切削工具、矿用工具和耐磨耐蚀零部件。为适应各种服役条件，提高使用效率，针对传统硬质合金存在硬度高而韧性低的矛盾，人们开发了诸如梯度硬质合金、超细硬质合金材料。


     近年来，随着功能梯度材料概念的提出，功能梯度硬质合金正在发展成为当前硬质合金领域的重要研究内容之一。为了提高硬质合金切削工具的切削性能和使用寿命，可在合金的表面涂上薄层高硬度耐磨材料。由于不同材料的热膨胀系数不同，涂层材料在冷却过程中可能因热应力而产生裂纹。由于涂层材料的脆性通常裂纹更容易在涂层表面产生并向基体中扩展。为了尽可能防止由于裂纹扩展而导致的材料失效，并有利于获得高性能的硬质合金切削工具材料，可对基体进行梯度处理，使在基体表面区域形成缺立方相碳化物和碳氮化物的韧性区域，此区域的粘结剂含量高于基体的名义粘结剂含量。当涂层中形成的裂纹扩展到该区域时，由于其良好的韧性，可以吸收裂纹扩展的能量，因而能有效地阻止裂纹向合金内部扩展，提高硬质合金切削工具的使用性能。

    要获得性能良好的涂层梯度硬质合金产品，涂层基体的制备是一个非常关键的问题。涂层必须与合适的基体结合才能达到预期的性能。具有梯度结构的表面富钴合金基体则使涂层切削刃强度更高，提高了涂层抗裂纹扩展能力，提高了基体与涂层的结合强度以及刀具的抗弯强度。硬质合金刀片划痕强度实验表明：基体成分相同情况下，梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度比无梯度结构涂层刀片的基体与涂层结合强度大。硬质合金刀片的切削实验也表明：基体和涂层成分相同的情况下，有梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能比无梯度结构涂层硬质合金刀片的切削性能优良。梯度硬质合金基体可通过分段烧结工艺制备。第一阶段预烧结，将试样在氮气保护下升温(升温速度为5℃/min)，升温到400℃时保温1h脱蜡；温度到1380℃时，保温1h使合金致密化后，冷却至室温。第二阶段梯度烧结，在真空状态下，将预烧结后试样由室温升至烧结温度并保温2h后随炉冷却至室温。
  含氮硬质合金梯度烧结是在真空气氛中进行的，合金内部的氮活度大于表面氮活度，内部的氮原子向表面进行扩散。而N原子与Ti原子之间存在很强的热力学耦合，所以，在液相烧结温度下，合金内部氮原子通过液相粘结剂向表面扩散的同时，表面的Ti原子也通过液相粘结剂向内部扩散，扩散将会导致合金表面的TiC、TiN、(Ti，W)(C，N)等立方相碳化物、氮化物以及碳氮化物发生分解。向合金内部扩散的金属原子与内部的碳，氮等原子发生反应生成一些硬质相碳化物、氮化物以及碳氮化物。由于金属原子向合金内部扩散导致在合金的表层形成体积空位，从而，液相粘结剂流向合金的表层，在合金的表层形成具有梯度结构的表层韧性区域，这样制备出梯度硬质合金基体。

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