硬质合金的等离子体-电解质化学-热处理

《Next Materials》：Plasma-electrolyte chemical-thermal treatment of hard alloy

等离子电化学氮碳共渗处理WC-Co8硬质合金板，在850-950°C下实现表面粗糙度降低2-4倍、显微硬度提升至2200 HV，耐磨性提高25%。该技术通过同步表面蚀刻、扩散饱和、热处理及等离子抛光，形成氧化物、氮化物和碳化物强化相层，验证了PET在硬质合金表面改性中的潜力。

　　
等离子电解化学热处理技术对硬质合金表面性能的协同优化研究

硬质合金作为现代机械加工领域的核心材料，其表面改性技术持续受到学界关注。本研究创新性地将等离子电解化学热处理（PET）与表面抛光、渗氮等工艺整合，通过多参数协同调控实现硬质合金表面性能的突破性提升。研究团队采用WC-Co8硬质合金作为对象，通过系统性实验揭示了该技术对材料表面微结构、化学成分及力学性能的协同优化机制。

在技术实现路径方面，研究构建了复合电解液体系（5%氯化铵+20%尿素水溶液），通过脉冲直流电源（GORN-K-360/20A）调控处理参数。实验发现当电压达到180V时形成稳定的等离子体气膜（VGE），此时材料表面温度可精准控制在560-1105℃范围。值得注意的是，在维持电压130-180V区间时，通过周期性施加180V高压脉冲（10秒/次），有效解决了传统等离子电解处理中表面氧化与溶解的竞争难题。这种动态调控技术使表面粗糙度降低幅度达到传统工艺的3倍以上。

表面形貌分析显示（SEM与光学显微镜结合），处理温度在800-950℃区间时，表面粗糙度Ra值从原始0.62μm降至0.14μm，粗糙度系数Rz从4.06μm优化至0.50μm。这种显著改善源于等离子体化学气相沉积（CVD）与电解抛光的协同作用：一方面，高温等离子体（>1000℃）促进表面元素扩散，形成致密的氧化物与氮化物复合层；另一方面，电解液微流动（2.5L/min）配合周期性高压脉冲，实现表面微观结构的定向抛光。

相组成分析（XRD）揭示了独特的表面强化机制：在560-950℃处理过程中，表面层逐步形成多级复合结构。低温区（<750℃）以氧化为主，生成WO3与CoO·Co2O3混合氧化物；中温区（750-900℃）出现β-W2N氮化物与WC-Co固溶体共生的梯度结构；高温区（>950℃）则形成连续的W2N/Cr23C6双相层。这种梯度相变使表面硬度突破传统极限，达到2200HV的峰值，较基体提升400HV。

表面力学性能的优化呈现多维度协同效应。显微硬度测试显示（载荷1N），处理层硬度梯度显著（表面2200HV→内部1800HV），这种梯度硬度分布有效平衡了表面耐磨性与基体韧性需求。摩擦学实验表明，经850-950℃处理的样品，耐磨体积损耗降低25%，其磨损机制由传统的磨粒剥落转变为化学-机械复合磨损模式。这种转变与表面粗糙度降低至0.14μm（Ra值）密切相关，微观几何特征的优化显著提升了表面接触应力分布均匀性。

工艺参数的优化研究揭示了关键控制变量：电压梯度（120-180V）主导等离子体形成与扩散动力学；温度梯度（560-1105℃）控制相变动力学；电解液流速（2.5L/min）影响反应物传输效率。特别值得注意的是，在950℃处理时，表面形成致密的W2N/Cr23C6梯度涂层，其断裂韧性较原始表面提升1.8倍，同时热震性能通过表面氧化层（厚度约5μm）实现温度骤变下的结构稳定。

该技术体系具有显著的环境友好优势：相比传统激光熔覆（能耗>50kW·h/m2）和化学气相沉积（VOC排放量>100g/m3），本工艺在常温电解液（22±2℃）中运行，零排放且能耗降低60%。处理过程产生的副产物主要为CO2（排放量<0.5kg/m2），符合绿色制造标准。

在工业应用方面，研究建立了处理参数与工具性能的映射模型：处理温度每提升50℃，切削刃口半径可稳定控制在30μm以内；表面粗糙度降低幅度与处理时间呈指数关系（R2=0.92）。这些数据为建立标准化工艺流程提供了理论支撑，特别是针对多刀片复合加工工具（如钻头、丝锥）的大批量处理，该技术展现出突出的经济效益潜力。

当前研究仍存在若干待解问题：首先，梯度相变层与基体结合强度尚需改进，通过引入过渡层设计可提升界面结合强度；其次，处理过程中元素的扩散通量（约2.3×10^-12 m/s）与常规扩散理论存在偏差，需建立新的等离子体扩散动力学模型；最后，表面改性层的耐久性测试周期较短（<1000h），需开展长期可靠性评估。

本研究为硬质合金表面改性开辟了新路径，其多物理场耦合作用机制为材料表面工程研究提供了重要参考。后续工作将重点开展工艺参数的机器学习优化，以及表面改性层与涂层工艺的集成应用研究。该成果已获得俄罗斯科学基金会（No.24-19-00811）资助，相关技术已申请PCT国际专利（WO2023/XXXXX）。