CCFL功能梯度硬质合金

硬质合金主要是由硬质相WC与粘结相Co组成，其具有良好的硬度、强度以及耐磨性，在金属切削行业中有着较为广泛的应用。而为了进一步提高硬质合金刀具的硬度和耐磨性，在实际生产中常常通过调整合金中粘结相的含量以及添加立方相碳化物（如TiC、TaC、Cr3C2等）等方法或是通过引入涂层技术（如CVD化学气相沉积、PVD物理气相沉积）在硬质合金基体表面涂覆表面硬度更高、化学性质更稳定的陶瓷相层。但是由于涂层的硬质合金基体在热膨胀系数以及结合力上存在一定的差异，因而在工作中易发生涂层开裂甚至剥离的现象，从而影响了硬质合金涂层刀具的使用性能，降低了整体的工作效率。新型功能梯度硬质合金（Functionally Graded Cemented Carbide）的出现有效地抑制了涂层裂纹的形成和裂纹向基体的扩展，从根本上提高了硬质合金刀具的可靠性和使用寿命。

从组分上看，功能梯度硬质合金还可细分为非平衡碳硬质合金和含氮硬质合金。非平衡碳硬质合金或称贫碳硬质合金通过渗碳工艺可制备用于凿岩用双相硬质合金；而含氮硬质合金则可根据内部氮平衡分压与环境氮平衡分压之差，可实现氮化和脱氮，并分别形成两种截然不同的表层。氮化形成表面富立方相的硬化层；脱氮则形成表面无立方相（CCFL，cubic carbide free layer）韧性层。其形成的机理是环境中的氮气分压低于烧结体氮气平衡分压，氮气发生逸出，从而发生脱氮并形成CCFL。相比于传统结构硬质合金制备工艺，CCFL功能梯度硬质合金最大的不同也是最为关键的一环在于烧结工艺。由于原子在液相中扩散速率较快，CCFL通常选择在液相阶段形成而成为梯度烧结，通常采用氩气与氮气的混合气氛阻止氮原子逸出。采用显微硬度法、纳米压痕法和XRD（X-ray diffraction）测定CCFL结构硬质合金的硬度、断裂韧性以及应力状态。可以得出其硬度的变化与粘结相含量相匹配，在CCFL中硬度有所下降，而断裂韧性有所上升，并整体处于弱压应力状态，这就对裂纹的形成和扩展产生了抑制作用。

影响CCFL硬质合金的因素有许多，如烧结工艺、碳氮含量和相关化合物等。随着烧结时间的延长和烧结温度的升高，CCFL的厚度也随之增加，形成速率也不断加快；而随着氮含量的增加，氮在液相中的活动范围变广，其所形成的CCFL驱动力增大，形成速率得到提高；高碳含量可显著提高富Co幅值，利于CCFL的形成。此外，氮化物与碳化物含量从零开始增加，CCFL形成能力增强，厚度增加，但是氮在粘结相中的溶解度是有限的，当其达到饱和此时CCFL形成能力最强。之后在增加氮化物，未溶解的氮化物要花费更长的时间进行溶解与扩散反而阻碍了CCFL的形成。