硬質(zhì)合金表面改性研究現(xiàn)狀與展望

張鋒剛，王永善，宋佩維，李文虎

(陜西理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

[摘要]硬質(zhì)合金零件的失效主要在于其表面的損耗，采用表面改性技術(shù)可以有效減少硬質(zhì)合金零件的表面損耗。綜述了表面涂層技術(shù)、離子注入技術(shù)、載能束輻照技術(shù)等表面改性技術(shù)在硬質(zhì)合金表面強(qiáng)化方面的研究現(xiàn)狀，并展望了硬質(zhì)合金表面改性技術(shù)的發(fā)展趨勢。

[關(guān)鍵詞]硬質(zhì)合金；表面改性；表面涂層；離子注入；載能束輻照技術(shù)

[文章編號]1673-2944(2015)03-0008-06

[中圖分類號]TG142

收稿日期：2014-12-12

基金項目：陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項目(14JK1149)；陜西理工學(xué)院科研基金資助項目(SLGQD14-12)

作者簡介：張鋒剛(1982—)，男，陜西省扶風(fēng)縣人，陜西理工學(xué)院講師，博士，主要研究方向為載能束材料表面工程。

硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、優(yōu)良的斷裂韌性以及較好的疲勞強(qiáng)度等特點，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工切削刀具、石油與地質(zhì)礦山勘探開采工具、精密模具和耐磨零件、機(jī)械密封等領(lǐng)域，被譽(yù)為“現(xiàn)代工業(yè)的牙齒”[1]。在摩擦磨損工況下，硬質(zhì)合金零件失效主要在于表面的損耗。提高硬質(zhì)合金表面耐磨性和可靠性是現(xiàn)代工業(yè)中改善硬質(zhì)合金工具效率的關(guān)鍵問題之一。磨損是導(dǎo)致機(jī)械零件失效的主要形式之一，優(yōu)先發(fā)生在材料的表面，與材料的種類、表面成分、結(jié)構(gòu)和表面狀態(tài)密切相關(guān)。采用表面改性技術(shù)在保證材料基體性能的前提下，能夠顯著提高材料的表面硬度和耐磨性，從而延長材料的使用壽命。近年來，國內(nèi)外研究工作者們嘗試采用不同的表面處理方法強(qiáng)化硬質(zhì)合金表面，以期提高硬質(zhì)合金的使用壽命，成為改善硬質(zhì)合金研究的熱點問題。目前，硬質(zhì)合金表面改性方法主要有表面涂層技術(shù)、離子注入技術(shù)、載能束輻照技術(shù)等。

1　表面涂層技術(shù)

采用各種表面涂層技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具表面制備一層或者多層具有高硬度和優(yōu)良耐磨性能的單組元或多組元金屬或者非金屬化合物薄膜，如TiN、TiC、Al2O3、TiCN、TiAlN和TiAlCN等，較好地解決了硬質(zhì)合金刀具強(qiáng)度與硬度之間的矛盾，使基體的強(qiáng)韌性與涂層的耐磨性相結(jié)合，提高了硬質(zhì)合金刀具的綜合性能，是切削刀具發(fā)展的一次革命[2-3]。涂層作為一個化學(xué)屏障和熱屏障，可阻礙硬質(zhì)合金基體與切削工件之間發(fā)生元素擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少硬質(zhì)合金刀具出現(xiàn)月牙洼磨損現(xiàn)象，由于涂層具有很高的摩擦系數(shù)和耐磨性，可顯著提高硬質(zhì)合金刀具的使用壽命[3]。通常涂層刀具的壽命比未涂層刀具高1~5倍[3-4]。目前，硬質(zhì)合金表面涂層方法有化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition,CVD)、物理氣相沉積(Physical Vapor Deposition,PVD)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積(Plasma-assisted Chemical Vapor Deposition,PACVD)、溶膠-凝膠法(Sol-Gel)、真空陰極電弧沉積(Vacuum Cathodic Arc Deposition,VCAD)等。

1.1　化學(xué)氣相沉積

化學(xué)氣相沉積屬于原子類沉積過程，是利用氣態(tài)反應(yīng)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成固態(tài)物質(zhì)，沉積在硬質(zhì)合金表面的固態(tài)涂層制備技術(shù)。20世紀(jì)60年代末期，CVD被廣泛應(yīng)用于可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀具的表面處理。由于CVD工藝所需金屬源的制備相對容易，能夠?qū)崿F(xiàn)TiN、TiC、TiB2、TiCN、TiBN以及Al2O3等單組份單層及多組份多層復(fù)合涂層的沉積，涂層厚度可達(dá)7～9 μm，且具有較高的膜基結(jié)合力和耐磨性，因此，到80年代中后期，美國85%硬質(zhì)合金工具采用了表面涂層技術(shù)進(jìn)行處理，其中99%涂層技術(shù)為CVD涂層技術(shù)；到90年代中期，CVD涂層硬質(zhì)合金刀具在涂層硬質(zhì)合金刀具中仍占主導(dǎo)地位，80%以上的涂層硬質(zhì)合金刀具仍采用CVD涂層技術(shù)。但CVD工藝溫度高(約1 000 ℃)，易降低刀具材料的抗彎強(qiáng)度；涂層內(nèi)部呈拉應(yīng)力狀態(tài)，易使刀具在使用過程中產(chǎn)生微裂紋；此外，CVD工藝排放的廢氣、廢液污染環(huán)境。

1.2　物理氣相沉積

物理氣相沉積是將欲涂覆材料采用蒸發(fā)或濺射等物理方法汽化成原子、分子或電離成離子轟擊硬質(zhì)合金表面形成涂層。目前可在硬質(zhì)合金表面制備難熔金屬碳化物、氮化物或者兩者的復(fù)合物，TiC、TiN、TiCN、TiBN以及TiAlN等。20世紀(jì)90年代初，工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始了硬質(zhì)合金刀具表面PVD涂層技術(shù)的研究；直至90年代中期取得了突破性進(jìn)展，普遍應(yīng)用于各種硬質(zhì)合金刀具的表面涂層處理，如銑刀、鉆頭、階梯鉆、鉸刀、絲錐、可轉(zhuǎn)位銑刀片、異型刀具以及焊接刀具等。20世紀(jì)80年代初，國內(nèi)開始了PVD涂層技術(shù)的研究工作，直至80年代中期成功研制出中小型空心陰極離子鍍膜機(jī)，并開發(fā)了高速鋼刀具TiN涂層技術(shù)；到90年代末，成功開發(fā)出硬質(zhì)合金刀具TiN-TiCN-TiN多元復(fù)合涂層技術(shù)并達(dá)到了實用水平。但我國硬質(zhì)合金刀具表面PVD涂層技術(shù)較國際先進(jìn)水平仍落后十年左右。與CVD工藝相比，PVD工藝溫度低，對刀具材料抗彎強(qiáng)度基本無影響；涂層內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)呈壓應(yīng)力，更適于硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的表面處理；PVD工藝不會對環(huán)境造成污染，符合目前綠色制造的發(fā)展方向；但涂層均勻性不如CVD，涂層與基體結(jié)合不太牢固，涂層硬度較低；同時，工藝要求高，設(shè)備更復(fù)雜。

1.3　等離子體輔助化學(xué)氣相沉積

等離子體輔助化學(xué)氣相沉積是將CVD技術(shù)與PVD技術(shù)相結(jié)合開發(fā)出的一種低溫涂層新工藝[5]，通過電極放電產(chǎn)生高能電子，使含碳化物氣體電離成等離子體，或者導(dǎo)入高頻微波誘發(fā)氣體放電擊穿產(chǎn)生高頻高能等離子體，等離子體中的活性碳原子或含碳基團(tuán)等化學(xué)活性粒子在硬質(zhì)合金表面發(fā)生沉積反應(yīng)生成涂層的一種方法[6]。該技術(shù)利用等離子體促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，使化學(xué)反應(yīng)能夠在較低溫度進(jìn)行，可降低反應(yīng)沉積溫度至600 ℃以下，使涂層與硬質(zhì)合金基體之間不發(fā)生元素的擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng)，保持了硬質(zhì)合金基體的強(qiáng)韌性[7]。日本三菱公司采用PVCAD法在焊接式硬質(zhì)合金鉆頭上制備涂層，使硬質(zhì)合金鉆頭加工鋼材的壽命比高速鋼鉆頭延長10倍，效率提高5倍[8]；任志華等[9]采用PACVD技術(shù)在硬質(zhì)合金刀片上制備2～3 μm的TiN涂層，顯著降低了刀具的月牙洼磨損，同時也使切削溫度降低；然而，等離子體輔助化學(xué)氣相沉積設(shè)備投資大，成本高，對氣體純度要求高；涂層過程中產(chǎn)生的劇烈噪音、強(qiáng)光輻射、有害氣體、金屬蒸汽粉塵等對人體有害；對小孔徑內(nèi)表面難以涂層[10]。

1.4　溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法是將金屬醇鹽或無機(jī)鹽前驅(qū)體溶于水或有機(jī)溶劑中形成均勻溶液，經(jīng)水解縮聚在溶液中形成穩(wěn)定、透明的濕溶膠，然后將濕溶膠涂敷在固體材料表面，后經(jīng)干燥凝膠、熱處理形成涂層的一種濕化學(xué)合成方法。Chen等[11]以異丙醇鋁[Al(C3H7O)3]為前驅(qū)體，去離子水為溶劑，硝酸為膠溶劑，采用Sol-Gel法在WC-15TiC-6Co硬質(zhì)合金刀片表面制備α-Al2O3涂層。結(jié)果表明，α-Al2O3涂層表面完整、結(jié)構(gòu)致密，涂層和基體結(jié)合緊密，無氣孔或間隙缺陷；W、Ti、Al元素均無明顯擴(kuò)散，硬質(zhì)合金基體成分未發(fā)生變化，保證了刀片的硬度和強(qiáng)度；部分Co元素擴(kuò)散到α-Al2O3涂層中，實現(xiàn)了涂層與基體的冶金結(jié)合，顯著提高了涂層與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度；涂層刀具磨損壽命比未涂層刀具提高一倍左右。該方法設(shè)備簡單，制備溫度低，組織均勻，工藝易控，制品純度和均勻度高，但存在原料成本高，有機(jī)物液對人的健康有害，處理時間長，凝膠中存在大量微孔，干燥過程中會逸出許多氣體及有機(jī)物，并產(chǎn)生收縮[12]等問題。

1.5　真空陰極電弧沉積

真空陰極電弧沉積是利用低電壓(20~30 V)、高電流(30 A)的陰極電弧放電將靶材蒸發(fā)并離解，在負(fù)偏壓作用下沉積涂層的一種普及的物理氣相沉積方法。該方法能夠產(chǎn)生高度離化的被蒸發(fā)材料組分的等離子體，具有離化率高(60%~100%)、離子能量高(20~100 keV))、沉積溫度低、沉積速率快、均勻沉積面積大、膜/基結(jié)合力好、蒸發(fā)源結(jié)構(gòu)簡單以及操作方便等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于TiN、TiC及TiAlN等超硬薄膜的制備。付志強(qiáng)等[13]采用真空陰極電弧沉積法在WC-6Co硬質(zhì)合金刀具基體上制備TiAlN涂層，涂層硬度高達(dá)HV0.1N3700，刀具的使用壽命顯著提高，TiAlN涂層硬質(zhì)合金刀具的使用壽命為未涂層硬質(zhì)合金刀具的2.7倍以上。

2　離子注入技術(shù)

離子注入技術(shù)是將預(yù)先選擇元素的原子離化，經(jīng)電場加速獲得高能量，注入到固體材料表層內(nèi)，形成高硬度的硬化層。相對于PVD和CVD而言，離子注入層與基體無明顯界面，力學(xué)性能連續(xù)過渡，可以解決涂層與基體之間結(jié)合力差的問題。自20世紀(jì)80年代中期，國內(nèi)外研究工作者相繼開展了離子注入硬質(zhì)合金刀具的研究，結(jié)果表明離子注入可使硬質(zhì)合金刀具的切削性能得到改善，使用壽命提高0.5~4倍[14-18]。目前用于硬質(zhì)合金注入的離子主要有：C、N、B、F、Cl、Br等非金屬離子以及Mg、Al、Ti、Ta、Ni、W、Mo、Y等金屬離子。常見注入方法有單離子注入[19]和雙離子注入[15-16,20-23]。

陳寶清等[19]研究了不同劑量N離子注入WC-20Co硬質(zhì)合金的組織與性能。結(jié)果表明，N離子注入硬質(zhì)合金表層中有Co3C4、W2C相生成，WC相晶面間距顯著增大，晶格產(chǎn)生了嚴(yán)重畸變；注入硬質(zhì)合金的表面硬度和耐磨性隨著N離子注入劑量的增加而顯著提高，注入劑量為5×1017N+/cm2時，可獲得最佳耐磨性。

Fu等[17]采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)將N、Mo和Mo+W離子注入WC-TiC-Co硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)注入硬質(zhì)合金的表面硬度增加1.5～2.5倍，表面摩擦系數(shù)均有所降低，Mo+W雙離子注入具有更好的硬化效果，原因在于WC-TiC晶粒間鉬的碳化物形成以及Mo、W在粘結(jié)相中的混合效應(yīng)。

吳起白等[20]采用金屬蒸汽真空弧離子源技術(shù)將不同劑量Mo、Mo+C、Ti及Ti+Y離子注入WC-20Co硬質(zhì)合金。結(jié)果表明，單離子及雙離子注入WC-20Co硬質(zhì)合金表面硬度均顯著提高，雙離子注入比單離子注入具有更好的改性效果，Ti+Y雙離子注入層硬度高達(dá)HV0.1N3100；離子注入使WC相晶面間距增大，產(chǎn)生晶格畸變；Y離子注入硬質(zhì)合金表面形成具有自潤滑效果的氧化物膜層，使摩擦系數(shù)降低、耐磨性增強(qiáng)，從而提高硬質(zhì)合金的使用壽命。

蘇穎等[21]應(yīng)用金屬蒸汽真空弧離子源技術(shù)將Ta和Ta+C離子注入WC-10Co硬質(zhì)合金，結(jié)果表明，Ta離子注入和Ta+C雙離子注入均使WC-10Co硬質(zhì)合金工具的切削加工性能得到明顯改善，加工鋼制零部件和黃銅零部件的使用壽命均提高一倍以上，且加工質(zhì)量也有所提高，切削加工性能的改善歸因于Ta和Ta+C離子注入引起Co粘結(jié)相從亞穩(wěn)態(tài)立方相向穩(wěn)態(tài)hcp相轉(zhuǎn)變[22]。

王世興等[23]應(yīng)用金屬蒸汽真空弧離子源技術(shù)，將不同劑量的C+Cr雙離子注入WC-8Co硬質(zhì)合金表面，結(jié)果表明，C+Cr雙離子注入WC-8Co硬質(zhì)合金表面有C、Cr和Cr3C2等新相生成，且C+Cr雙離子注入抑制類金剛石結(jié)構(gòu)形成；C+Cr雙離子注入硬質(zhì)合金表面硬度、摩擦系數(shù)、防腐蝕能力等性能方面均得到明顯的增強(qiáng)。

3　載能束輻照技術(shù)

載能束輻照技術(shù)是利用高能量密度束流輻照材料快速升溫與冷卻的特點，在材料表層形成非平衡組織和亞穩(wěn)相，從而實現(xiàn)材料表面硬化[24-28]，是一種最具應(yīng)用前景的材料表面強(qiáng)化技術(shù)，主要包括激光、等離子束、電子束和離子束技術(shù)。

3.1　激光輻照

激光輻照技術(shù)是利用高能量密度激光束與材料之間的相互作用，使材料表面發(fā)生物理化學(xué)性能的變化來改善材料表面性能的一種表面局部處理技術(shù)?；诩す廨椪战饘俨牧媳砻鎻?qiáng)化方面的研究，研究工作者嘗試采用激光輻照處理硬質(zhì)合金，以期獲得表面性能的改善。

Kano等[29]采用Nd:YAG激光(λ=532 nm，τ=5 ns)輻照WC-12Co硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)輻照硬質(zhì)合金表面出現(xiàn)了硬化與軟化現(xiàn)象，這與Co粘結(jié)相的表面擴(kuò)散或聚集有關(guān)，Co粘結(jié)相的聚集導(dǎo)致WC-12Co硬質(zhì)合金表面軟化，表面硬度較未處理硬質(zhì)合金降低10%。

Karatas等[30]采用氮氣輔助CO2激光束輻照WC-TaC-TiC硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)輻照硬質(zhì)合金表面改性層厚度可達(dá)60~80 μm，表面硬度由原始的16.3 GPa增加到18 GPa，熔融表面快速凝固及表層氮化物WN的形成是硬度提高的原因。但激光輻照過程中存在較大范圍的熱量輸入特性，熔層在較高溫度梯度下產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，易使熔層與基體界面處形成貫穿性裂紋。

楊膠溪等[31]基于脈沖激光技術(shù)提出了一種硬質(zhì)合金刀具表面脈沖激光輻照強(qiáng)化方法，利用脈沖激光輻照使硬質(zhì)合金刀具表面發(fā)生熔化與鈷粘結(jié)相的選擇性蒸發(fā)/燒蝕(Co熔點遠(yuǎn)低于WC熔點)，形成厚度20～60 μm的低鈷粘結(jié)相的快速熔凝層，使硬質(zhì)合金刀具表面硬化，從而提高硬質(zhì)合金刀具的使用壽命。熔凝層中鈷粘結(jié)相含量可由原始硬質(zhì)合金中的10%~30%降低至3%~9%。

為了改善涂層與硬質(zhì)合金基體界面結(jié)合強(qiáng)度，國內(nèi)外研究者將激光輻照與化學(xué)氣相沉積技術(shù)相結(jié)合。Cappelli等[32]采用ArF準(zhǔn)分子激光(λ=193 nm，τ~30 ns)和CO2脈沖激光(λ=10.6 μm，τ~80 ns)輻照WC-6Co硬質(zhì)合金，使Co粘結(jié)相優(yōu)先從表面燒蝕去除，然后采用化學(xué)氣相沉積在輻照硬質(zhì)合金粗糙表面上沉積金剛石薄膜，促進(jìn)了金剛石薄膜的形核與生長，獲得了良好的薄基體結(jié)合強(qiáng)度；Arroyo等[33]采用脈沖HyBrID銅激光(λ=510 nm，τ=30 ns)輻照硬質(zhì)合金表面，然后采用中溫化學(xué)氣相沉積法在輻照硬質(zhì)合金表面沉積TiCN/Al2O3/TiN涂層。結(jié)果表明，脈沖激光輻照是硬質(zhì)合金刀具沉積涂層預(yù)處理的一種有效方法，239 MW/cm264次和410 MW/cm2兩次輻照硬質(zhì)合金沉積涂層可以獲得良好的結(jié)合強(qiáng)度。

3.2　等離子體束輻照

等離子體束輻照技術(shù)是利用高能量密度等離子體束與材料之間的相互作用來改善材料表面性能的一種等離子體加工技術(shù)。等離子體束輻照表面強(qiáng)化的研究滯后于激光輻照，但以其性能優(yōu)勢成為目前材料領(lǐng)域活躍的研究方向之一。Uglov等[27]采用氮壓縮等離子體流(τ=100 μs)對WC-6Co硬質(zhì)合金進(jìn)行處理。結(jié)果表明，輻照導(dǎo)致硬質(zhì)合金表面發(fā)生WC相向W2C相轉(zhuǎn)變，并伴隨碳和鈷元素的偏析，又形成石墨相；表面硬度隨輻照次數(shù)增加，10次輻照表面硬度可達(dá)(19±1) GPa，為未處理硬質(zhì)合金的1.7倍，這與W2C相形成有關(guān)；隨后，Uglov等[28]采用氮壓縮等離子體流(τ=100 μs，13~40 J/cm2)輻照WC-15TiC-6Co硬質(zhì)合金，發(fā)現(xiàn)輻照使WC和TiC顆粒發(fā)生熔化形成過飽和固溶體(W1-xTix)C，導(dǎo)致硬質(zhì)合金表面硬化，表面硬度提高2倍多。

3.3　電子束輻照

電子束輻照技術(shù)是利用高能量密度電子束作用于材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)以及由此引發(fā)的材料微觀組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)的變化，從而改善材料表面性能。電子束輻照技術(shù)目前尚處于研究階段，激光輻照技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用促進(jìn)了其在材料表面強(qiáng)化方面的研究與應(yīng)用，目前的研究表明，電子束輻照技術(shù)在硬質(zhì)合金表面強(qiáng)化方面也顯示出一定的潛力。

Ivanov等[34]采用低能強(qiáng)流電子束(20~30 keV，~102A/cm2，τ=2.5 μs)輻照WC-15TiC-6Co硬質(zhì)合金表面。結(jié)果表明，脈沖輻照使硬質(zhì)合金表層約1 μm的范圍發(fā)生熔化，導(dǎo)致Co粘結(jié)相中形成亞晶粒結(jié)構(gòu)、晶界析出納米碳化物顆粒以及WC相發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；輻照硬質(zhì)合金刀具的使用壽命提高了3倍，這與Co粘結(jié)相強(qiáng)化以及第二相析出導(dǎo)致的位錯結(jié)構(gòu)使切削過程中Co粘結(jié)相的熱穩(wěn)定性提高有關(guān)。

Gnyusov等[35]采用低能強(qiáng)流電子束(10~40 keV，5~40 J/cm2，τ=2.5 μs)輻照WC+30%高錳鋼燒結(jié)硬質(zhì)合金。結(jié)果表明，脈沖電子束輻照的快速熔化和冷卻導(dǎo)致硬質(zhì)合金表層粘結(jié)相發(fā)生相變、晶粒細(xì)化以及亞穩(wěn)態(tài)碳化物M12C、M23C6形成，使硬質(zhì)合金表面硬度提高1.5倍、摩擦系數(shù)降低2倍、耐磨性較未輻照硬質(zhì)合金也有所提高。

郝勝智等[36]采用強(qiáng)流脈沖電子束(23.4 keV，τ=2.5 μs)輻照WC-8Co硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金表面發(fā)生重熔，表面變得平整，WC顆粒邊緣變得圓整并與Co粘結(jié)相發(fā)生溶解擴(kuò)散，同時表層中有Co3W3C和Co3W9C4相析出，表面硬度由原始的2 180.8 HK增加到3 523.6 HK，耐磨性提高19%。

Uglov等[37]采用強(qiáng)流脈沖電子束(20 keV，30~80 J/cm2，τ=100~200 μs)輻照WC-15TiC-6Co硬質(zhì)合金，硬質(zhì)合金表層發(fā)生快速熔化與冷卻，導(dǎo)致過飽和固溶體(Ti,W)C形成以及WC相向W2C相轉(zhuǎn)變，使硬質(zhì)合金表面硬度提高1.5~3倍、摩擦系數(shù)降低2~3.5倍。

3.4　離子束輻照

強(qiáng)流脈沖離子束(HIPIB)技術(shù)作為一種新的材料表面改性技術(shù)，源于20世紀(jì)70年代末的慣性約束核聚變研究。HIPIB輻照固體材料，可瞬間實現(xiàn)材料表面1~100 J/cm2的高能量密度沉積，導(dǎo)致材料表面～1010K/s的急劇升溫，發(fā)生熔融、蒸發(fā)/燒蝕，并在輻照表面形成由表及里的應(yīng)力波，造成材料成分、組織和性能的顯著變化。目前強(qiáng)流脈沖離子束輻照技術(shù)已成功應(yīng)用于金屬與非金屬材料表面改性[38]。近年來，一些科研工作者也開展了HIPIB輻照硬質(zhì)合金刀具的表面改性研究。

張健等[39]采用強(qiáng)流脈沖離子束(250 keV，60~150 A/cm2，τ=80 ns)輻照WC-5TiC-10Co刀具表面，發(fā)現(xiàn)HIPIB輻照使硬質(zhì)合金刀具表面發(fā)生快速凝固產(chǎn)生硬化相和元素重新分布、碳元素?zé)龘p以及晶界強(qiáng)化，硬質(zhì)合金表面硬度提高，束流密度為100～150 A/cm2時，表面硬度提高1.25倍。

劉臣[40]采用強(qiáng)流脈沖離子束(350 keV，300 A/cm2，τ=70~80 ns)輻照WC-10Co硬質(zhì)合金刀具表面。結(jié)果表明，HIPIB輻照的沖擊加工作用使硬質(zhì)合金表面硬化，且在遠(yuǎn)大于離子射程的深度范圍內(nèi)形成硬化層，顯著提高了硬質(zhì)合金表面的耐磨性，10次輻照后，表面硬度由原始的17.4 GPa增加到20.22 GPa，硬化層厚度可達(dá)120 μm，磨損率降低65%。

Uglov等[28]采用強(qiáng)流脈沖離子束(320 keV，4~430 J/cm2，τ=90 ns)輻照WC-15TiC-6Co硬質(zhì)合金。結(jié)果表明，能量密度4 J/cm2輻照硬質(zhì)合金表面硬度為(30±3) GPa，約為未處理硬質(zhì)合金(13±2) GPa的2倍，但能量密度增加至143 J/cm2和430 J/cm2，表面硬度分別降低至(20±4) GPa和(16±3) GPa，這與過飽和固溶體(W1-xTix)C形成、微裂紋的產(chǎn)生以及改性層深度有關(guān)，微裂紋是硬度降低的主要原因。

4　硬質(zhì)合金表面改性技術(shù)的發(fā)展趨勢

目前硬質(zhì)合金表面改性方法仍以表面涂層技術(shù)為主，其中化學(xué)氣相沉積法和物理氣相沉積法使用最為普遍。盡管各種新涂層方法不斷涌現(xiàn)，使硬質(zhì)合金的性能得到改善，但仍未從根本上解決涂層與基體界面結(jié)合強(qiáng)度低的問題，涂層容易破壞和剝落，一旦涂層被磨掉，就會迅速磨損[41]，制約了硬質(zhì)合金表面涂層技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用。離子注入可解決涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度差的問題，但存在離子注入深度淺、設(shè)備復(fù)雜、制備成本高、技術(shù)難度大、所涉及的技術(shù)問題復(fù)雜等問題[23]，限制了其在苛刻條件下的應(yīng)用。

載能束輻照技術(shù)作為一種新的表面改性技術(shù)，具有工件變形小、清潔環(huán)保、節(jié)能高效等優(yōu)點，應(yīng)用前景十分廣闊。一方面，可利用載能束輻照硬質(zhì)合金表面來獲得強(qiáng)化的表面改性層，不存在涂層與基體之間界面結(jié)合強(qiáng)度低的問題；另一方面，可將載能束輻照與其它表面改性技術(shù)相結(jié)合發(fā)展新的復(fù)合表面改性技術(shù)，如將激光、電子束、離子束輻照技術(shù)與氣相沉積技術(shù)相結(jié)合在硬質(zhì)合金表面制備硬質(zhì)薄膜，顯著提高了薄膜與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，在一定程度上解決了薄膜附著力不足的問題。

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[責(zé)任編輯：魏 強(qiáng)]

Research and prospect on surface modification of cemented carbides

ZHANG Feng-gang,WANG Yong-shan,SONG Pei-wei,LI Wen-hu

(School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Technology,

Hanzhong 723000, China)

Abstract:Surface modification technology is an effective approach to resolving surface failure of the cemented carbide components, which mainly results from the wear and loss of their surface layers. In this paper, the research on modification technologies used for cemented carbides, such as surface coating technology, ion implantation and irradiation technology, was reviewed, and the development of surface modification technology used for cemented carbides was also prospected.

Key words:cemented carbide;surface modification;surface coatings technology;ion implantation;irradiation technology