超聲表面滾壓處理對(duì)硬質(zhì)合金組織結(jié)構(gòu)及性能的影響

崔紫依，胡曉宇，祝繩健，唐福錢(qián)，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(qiáng)韌性，高耐磨性和耐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種刀具和對(duì)耐磨耐蝕性要求較高的機(jī)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(mǎn)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(duì)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(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐磨損、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。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(guò)程不會(huì)發(fā)生剝層和分離。因此，表面納米化具有很大的開(kāi)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(jī)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(huì)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(diǎn)[17]。目前該技術(shù)已經(jīng)實(shí)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(guò)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(qiáng)韌、良好熱穩(wěn)定性、高耐磨耐蝕等功能化方向發(fā)展對(duì)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(kuò)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(duì)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(jī)理方面。

1 試驗(yàn)材料與研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及工藝參數(shù)

采用超聲表面滾壓設(shè)備對(duì)硬質(zhì)合金表面進(jìn)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(zhǎng)、超聲頻率和振動(dòng)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(yàn)材料及試驗(yàn)方法

試驗(yàn)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(yàn)樣品。

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

對(duì)打磨拋光后的試樣進(jìn)行處理后，采用DHV-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)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(duì)YG8硬質(zhì)合金表面納米化前后腐蝕行為進(jìn)行了測(cè)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(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)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?jǐn)?shù)，下同）；采用MIRA3LMH/LMU高真空?qǐng)霭l(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)硬質(zhì)合金表面在不同載荷下滾壓處理得到的樣品來(lái)進(jìn)行形貌觀測(cè)。

2 試驗(yàn)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(guò)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(xì)化和加工硬化造成的。樣品的晶粒尺寸通過(guò)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(duì)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(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)載荷為0.1MPa、0.2 MPa、0.3 MPa時(shí)，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(shí)，該變化趨勢(shì)最為明顯。

2.2 縱截面SEM圖對(duì)比分析

圖3所示為不同加載載荷對(duì)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(shí)，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(wú)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(shí)存在，基本趨勢(shì)為越靠近納米化后的表層變形程度也相對(duì)越大。當(dāng)超聲滾壓載荷為0.3 MPa、壓下量為0.1 mm時(shí)，樣品表層變形程度會(huì)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(shì)呈梯度走勢(shì)，距離表層越遠(yuǎn)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(duì)于富Co區(qū)，WC顆粒相互擠壓的過(guò)程中，易于塑性變形的Co相將被逐步擠壓、變形甚至遷移，進(jìn)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(shí)元素相同，并未出現(xiàn)新相，表面超聲滾壓技術(shù)并不會(huì)改變合金的元素組成，只會(huì)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。可以看出，經(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(shí)，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(guò)程中超聲波的振動(dòng)帶動(dòng)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(xì)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(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)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(kāi)始逐漸減小，最終硬度值在1 450 HV附近波動(dòng)，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(shì)與較小載荷下的趨勢(shì)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(duì)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(gè)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(duì)穩(wěn)定，硬度的提高主要?dú)w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(shí)，曲率半徑最大，表明此時(shí)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(qiáng)。

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(dòng)，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(shì)。

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(qiáng)[28]。超聲滾壓樣品的最大相角變寬并向高頻區(qū)域移動(dòng)，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(qiáng)；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(jìn)一步的腐蝕。且當(dāng)載荷為0.2MPa時(shí)，樣品綜合性能最佳。