崔紫依，胡曉宇，祝繩健，唐福錢，張雪輝，李曉閑

（江西理工大學(xué) 材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000）

硬質(zhì)合金因高硬度、強韌性，高耐磨性和耐蝕性等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于各種刀具和對耐磨耐蝕性要求較高的機械零件當(dāng)中[1-2]。傳統(tǒng)硬質(zhì)合金的“韌性和脆性”一直存在相互牽制的矛盾，綜合性能難以滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的要求[3-5]。隨著金屬切削技術(shù)的發(fā)展[6]，特別是高速高效切削、干式切削等新工藝的出現(xiàn)，對金屬切削加工刀具提出了更高的技術(shù)要求，如要求切削加工刀具材料具有高強度、高韌性、耐高溫、耐磨損、壽命長等特點。表面納米化技術(shù)[7-10]是一種新的材料表面改性方法，可以在金屬基體表面形成梯度納米晶粒層，成分與基體一致，結(jié)構(gòu)呈梯度變化，在使用過程不會發(fā)生剝層和分離。因此，表面納米化具有很大的開發(fā)和應(yīng)用潛力[11-12]。

表面納米化的方式有很多，主要包括表面機械研磨技術(shù)[13]、超聲噴丸技術(shù)[14]、超聲滾壓技術(shù)（Ultrasonic surface rolling treatment，USRT）[15]、超聲沖擊技術(shù)[16]等。超聲沖擊處理和超聲噴丸處理一般會提高材料表面粗糙度，導(dǎo)致表面不平整，而USRT具有操作方便、適宜大規(guī)模生產(chǎn)和表面平整等優(yōu)點[17]。目前該技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了工業(yè)純鐵[18]、低碳鋼[19]、不銹鋼[20]、鈦合金[21]、鋁合金[22]、銅合金[23]、鎂合金[24]、鎢合金[25]等多種金屬及合金的表面納米化。經(jīng)過USRT處理后，許多金屬的表面硬度和耐蝕性得到了顯著提高，整體性能得到了改善。硬質(zhì)合金涂層刀具向高強韌、良好熱穩(wěn)定性、高耐磨耐蝕等功能化方向發(fā)展對金屬基體的承載能力提出了更高的要求，而表面納米化在金屬基體上形成的梯度納米晶粒表層可以為硬質(zhì)涂層提供了力學(xué)性能更為優(yōu)良的基底材料，可以擴展了金屬表面納米化的研究和應(yīng)用范圍[26]。目前，表面納米化技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，但對于硬質(zhì)合金表面納米化結(jié)晶處理的研究很少，特別是在相關(guān)腐蝕性能和腐蝕機理方面。

1 試驗材料與研究方法

1.1 試驗設(shè)備及工藝參數(shù)

采用超聲表面滾壓設(shè)備對硬質(zhì)合金表面進行處理（示意圖如圖1所示）。滾壓介質(zhì)為硬質(zhì)合金球（ 14mm），其硬度為80HRC，表面粗糙度為0.1 μm。表面超聲滾壓壓下量、軋制線速度、步長、超聲頻率和振動幅度分別為 0.1 mm、2 m/min、0.08 mm、27.6 kHz和12μm。加載載荷分別為0.1MPa、0.2MPa和0.3 MPa。

圖1 超聲表面滾壓處理原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of ultrasonic surface rolling treatment

1.2 試驗材料及試驗方法

試驗選用YG8硬質(zhì)合金材料，其化學(xué)成分如表1所示。利用線切割設(shè)備將材料切割成尺寸大小為10 mm×10 mm×3.75 mm的試驗樣品。

表1 硬質(zhì)合金化學(xué)成分 %Tab.1 Cemented carbide chemical composition

對打磨拋光后的試樣進行處理后，采用DHV-1000型維氏硬度計測量樣品表面顯微硬度及試樣縱截面上的維氏硬度梯度分布情況；利用CHI760E型電化學(xué)工作站對YG8硬質(zhì)合金表面納米化前后腐蝕行為進行了測試分析，繪制交流阻抗譜、塔菲爾曲線、波特阻抗圖。電化學(xué)試驗采用標準三電極工作體系，工作電極為硬質(zhì)合金樣品，參比電極為217型雙鹽橋飽和甘汞電極，輔助電極為鉑片電極，腐蝕環(huán)境為3.5%NaCl溶液（質(zhì)量分數(shù)，下同）；采用MIRA3LMH/LMU高真空場發(fā)射掃描電子顯微鏡對硬質(zhì)合金表面在不同載荷下滾壓處理得到的樣品來進行形貌觀測。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 XRD分析

圖2為USRT處理前后YG8硬質(zhì)合金表層的X射線衍射譜。從圖中可以看出，USRT處理前后，樣品的X射線衍射譜均由WC和Co兩相組成，表明處理過程并未發(fā)生相變。與原始樣品相比，USRT處理后的樣品X射線衍射線峰發(fā)生了寬化，這主要是由晶粒細化和加工硬化造成的。樣品的晶粒尺寸通過Scherrer方程估算[27]。得到的晶粒尺寸數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 超聲表面滾壓載荷對合金晶粒尺寸的影響Tab.2 XRD lattice parameter of the cemented carbide at different USRTed pressure

圖2 滾壓處理前后樣品X射線衍射圖譜Fig.2 The XRD pattern of untreated and USRTed cemented carbide

從 WC（100）和 Co（111）可以發(fā)現(xiàn)，隨著 USRT 載荷的增加，衍射峰的強度逐漸降低。當(dāng)載荷為0.1MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時，平均晶粒尺寸分別為41.1 nm，30.2 nm和39.52 nm，樣品晶粒尺寸隨著USRT載荷的增加而減小。當(dāng)載荷為0.2 MPa時，該變化趨勢最為明顯。

2.2 縱截面SEM圖對比分析

圖3所示為不同加載載荷對硬質(zhì)合金縱截面形貌的影響。由圖可知，相較于合金的原始組織形貌（圖3（a）），經(jīng)USRT處理后，合金表面組織形貌變化顯著。從圖 3（b）、圖 3（c）、圖 3（d）中可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增大載荷時，合金表面部分WC顆粒在硬質(zhì)合金球連續(xù)軋制下，由近球形顆粒逐漸向“扁平”狀演變，WC顆粒間的擠壓現(xiàn)象明顯，小尺寸的W顆粒數(shù)量增多。WC顆粒間的擠壓現(xiàn)象更為顯著，此外，粘結(jié)相Co也無法清晰地辨別出。從圖中還可看出，樣品最表面層變形比較明顯，但是變形層的厚度變化并不均勻，厚變形區(qū)域和薄區(qū)域同時存在，基本趨勢為越靠近納米化后的表層變形程度也相對越大。當(dāng)超聲滾壓載荷為0.3 MPa、壓下量為0.1 mm時，樣品表層變形程度會更明顯，其組織結(jié)構(gòu)和基體差別較大，樣品的縱截面變形趨勢呈梯度走勢，距離表層越遠變形程度越小。

圖3 不同滾壓載荷下試樣縱截面的SEM形貌圖像Fig.3 SEM images on the longitudinal section microstructure of the sample at different USRTed pressure

WC-Co合金是由易于塑性變形的Co相和難以產(chǎn)生塑性變形的WC兩相復(fù)合而成，故而在硬質(zhì)合金球連續(xù)軋制作用下，在WC顆粒富集區(qū)，主要是各顆粒間的相互擠壓、變形；而對于富Co區(qū)，WC顆粒相互擠壓的過程中，易于塑性變形的Co相將被逐步擠壓、變形甚至遷移，進而使合金表層的粘結(jié)相Co更為均勻的分布于WC基體內(nèi)。

從圖3（e）所示的EDS圖中可發(fā)現(xiàn)，滾壓后YG8硬質(zhì)合金的元素組成仍為WC和Co，與未處理時元素相同，并未出現(xiàn)新相，表面超聲滾壓技術(shù)并不會改變合金的元素組成，只會形成梯度晶粒結(jié)構(gòu)，如圖 3（f）所示。

2.3 顯微硬度結(jié)果分析

2.3.1 顯微表面硬度結(jié)果分析

經(jīng)不同載荷的超聲滾壓處理后的YG8硬質(zhì)合金試樣表面的顯微硬度結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯?jīng)超聲滾壓處理后，YG8硬質(zhì)合金試樣表面的顯微硬度得到明顯的提高。當(dāng)超聲滾壓載荷為0.3MPa、壓下量為0.1mm時，試樣表面硬度最大，為1623.4HV。而原始試樣表面硬度為1 447 HV，增加了12.2%。超聲滾壓可在一定程度上提高試樣表面的硬度，原因是超聲滾壓過程中超聲波的振動帶動硬質(zhì)合金壓頭反復(fù)在試樣表面摩擦，使表面層晶粒發(fā)生變形且晶粒細化，造成表面的組織形貌和微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，產(chǎn)生細晶強化和形變強化的效果，從而導(dǎo)致表面硬度大幅度提高。

圖4 不同超聲滾壓載荷下試樣表面硬度變化Fig.4 Surface microhardness distributions of the samples at different USRTed pressure

2.3.2 縱截面顯微硬度結(jié)果分析

圖5為不同載荷條件下經(jīng)超聲滾壓處理后YG8硬質(zhì)合金表層至基體的顯微硬度分布曲線。從表層往中心深入，隨著距表面距離的增大，合金硬度值開始逐漸減小，最終硬度值在1 450 HV附近波動，由硬度變化曲線可知，存在硬度變化的合金層深在50 μm左右，表面下10 μm處的硬度顯著下降，表明表面變形層的厚度在10 μm，其硬度變化曲線趨勢與較小載荷下的趨勢基本一致。由于在距合金表面一定深度范圍內(nèi)存在硬度值的變化，表明表面超聲滾壓處理對該深度內(nèi)的合金組織產(chǎn)生了影響。結(jié)合圖3分析可知，經(jīng)表面超聲滾壓技術(shù)處理后的YG8硬質(zhì)合金，其表面至基體可分為兩個區(qū)域：劇烈變形區(qū)和微變形區(qū)，且微變形區(qū)的范圍遠遠大于劇烈變形層。此外，隨著載荷的增大，硬度變化層深卻相對穩(wěn)定，硬度的提高主要歸因于納米晶體。

圖5 不同超聲滾壓載荷下試樣截面硬度變化曲線Fig.5 The longitudinal section microhardness distributions of the samples at different USRTed pressure

2.4 腐蝕行為分析

圖6（a）為試樣的交流阻抗譜，超聲表面滾壓后樣品有更大的曲率直徑，較未處理前均出現(xiàn)了較大幅度的增加，表明了鈍化效果更好；且當(dāng)載荷為0.2 MPa時，曲率半徑最大，表明此時試樣耐腐蝕性最佳。曲率半徑越大，其阻抗值越大，則耐腐蝕性能增強。

圖6 在3.5%NaCl溶液中滾壓前后樣品腐蝕性能Fig.6 Corrosion behavior of USRTed and non-USRTed samples in a 3.5%NaCl solution

由圖6（b）塔菲爾曲線可知，載荷為0.2 MPa的合金腐蝕電位從原樣的-0.357 V增加到-0.305 V，載荷分別為0.3 MPa和0 MPa的硬質(zhì)合金腐蝕電位卻相差不大，但滾壓處理后的試樣腐蝕電位向正方向移動，且隨試樣超聲滾壓載荷的增加，合金的腐蝕電流密度呈下降趨勢。

圖6（c）的波特阻抗圖顯示超聲滾壓樣品的阻抗值較高，表明滾壓樣品在含氯環(huán)境中的耐腐蝕性增強[28]。超聲滾壓樣品的最大相角變寬并向高頻區(qū)域移動，表明在表面形成更厚的鈍化膜[29]。綜合上述，表面超聲滾壓可以提高YG8硬質(zhì)合金的耐腐蝕性能。

3 結(jié)論

采用超聲表面滾壓技術(shù)在YG8硬質(zhì)合金表面獲得了梯度納米結(jié)構(gòu)表層，其最表層的平均晶粒尺寸約為40 nm，隨深度增加而逐漸增加。硬度的梯度變化隨著深度的增加而降低，在最接近表面層區(qū)域硬度值最大。研究表明：經(jīng)USRT處理后，合金在3.5%NaCl溶液中的耐腐蝕性能得到增強；與未滾壓樣品相比，處理后的合金表面形態(tài)更加均勻和致密，從而抑制了進一步的腐蝕。且當(dāng)載荷為0.2MPa時，樣品綜合性能最佳。