CCFL功能梯度硬質合金

硬質合金主要是由硬質相WC與粘結相Co組成，其具有良好的硬度、強度以及耐磨性，在金屬切削行業中有著較為廣泛的應用。而為了進一步提高硬質合金刀具的硬度和耐磨性，在實際生產中常常通過調整合金中粘結相的含量以及添加立方相碳化物（如TiC、TaC、Cr3C2等）等方法或是通過引入塗層技術（如CVD化學氣相沉積、PVD物理氣相沉積）在硬質合金基體表面塗覆表面硬度更高、化學性質更穩定的陶瓷相層。但是由於塗層的硬質合金基體在熱膨脹係數以及結合力上存在一定的差異，因而在工作中易發生塗層開裂甚至剝離的現象，從而影響了硬質合金塗層刀具的使用性能，降低了整體的工作效率。新型功能梯度硬質合金（Functionally Graded Cemented Carbide）的出現有效地抑制了塗層裂紋的形成和裂紋向基體的擴展，從根本上提高了硬質合金刀具的可靠性和使用壽命。

從組分上看，功能梯度硬質合金還可細分為非平衡碳硬質合金和含氮硬質合金。非平衡碳硬質合金或稱貧碳硬質合金通過滲碳工藝可製備用於鑿岩用雙相硬質合金；而含氮硬質合金則可根據內部氮平衡分壓與環境氮平衡分壓之差，可實現氮化和脫氮，並分別形成兩種截然不同的表層。氮化形成表面富立方相的硬化層；脫氮則形成表面無立方相（CCFL，cubic carbide free layer）韌性層。其形成的機理是環境中的氮氣分壓低於燒結體氮氣平衡分壓，氮氣發生逸出，從而發生脫氮並形成CCFL。相比于傳統結構硬質合金製備工藝，CCFL功能梯度硬質合金最大的不同也是最為關鍵的一環在於燒結工藝。由於原子在液相中擴散速率較快，CCFL通常選擇在液相階段形成而成為梯度燒結，通常採用氬氣與氮氣的混合氣氛阻止氮原子逸出。採用顯微硬度法、納米壓痕法和XRD（X-ray diffraction）測定CCFL結構硬質合金的硬度、斷裂韌性以及應力狀態。可以得出其硬度的變化與粘結相含量相匹配，在CCFL中硬度有所下降，而斷裂韌性有所上升，並整體處於弱壓應力狀態，這就對裂紋的形成和擴展產生了抑制作用。

影響CCFL硬質合金的因素有許多，如燒結工藝、碳氮含量和相關化合物等。隨著燒結時間的延長和燒結溫度的升高，CCFL的厚度也隨之增加，形成速率也不斷加快；而隨著氮含量的增加，氮在液相中的活動範圍變廣，其所形成的CCFL驅動力增大，形成速率得到提高；高碳含量可顯著提高富Co幅值，利於CCFL的形成。此外，氮化物與碳化物含量從零開始增加，CCFL形成能力增強，厚度增加，但是氮在粘結相中的溶解度是有限的，當其達到飽和此時CCFL形成能力最強。之後在增加氮化物，未溶解的氮化物要花費更長的時間進行溶解與擴散反而阻礙了CCFL的形成。

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