渗氮处理对金属陶瓷耐蚀性的影响

【摘要】本文有针对性的概述了金属陶瓷在耐腐蚀性上的不足，在烧制金属陶瓷的时候采用真空烧结后渗氮的方法，对试样微观结构进行分析，对力学、物理性能和耐腐蚀性能进行测试。得出的结果是，跟常规金属陶瓷进行对比之后发现，金属陶瓷在进行渗氮之后综合性能有所提高，而且耐腐蚀性在酸、碱介质中也有所提高；试样表面Ｔｉ含量在进行渗氮后有提高，硬度也提高了，对金属陶瓷的机械性能和耐腐蚀性都是十分有利的。

【关键词】渗氮；金属陶瓷；力学性能；密度；耐蚀性；

中图分类号：F407.4 文献标识码：A 文章编号：

一.前言

由硬质相和金属（或合金）粘结相组成了一种复合材料，这就是金属陶瓷的构成成分，在金属（或合金）粘结相中，主要分布有体积分数约为15％～85%的陶瓷晶粒。金属陶瓷在强度、硬度等的机械性能方面有很多优势，在很多领域都用金属陶瓷来替代硬质合金，但是耐蚀性很差是金属陶瓷的缺点，如果是用来制备机械密封环，其使用条件是能够完全适应的，但是如果受到腐蚀的话，就会在短时间内失效，普遍用于耐磨损场合的话也是可以的，在大部分应用场合的同时不可避免的接触电解质，就有可能受到电化学腐蚀在磨损失效前就失效。如果是既有腐蚀又有磨损，就形成了腐蚀磨损过程，在这个过程当中，就会更加恶化了材料表面性能，大大降低了工件寿命，因此，如果要弥补的使用缺陷，就必须提高金属陶瓷耐腐蚀性，把金属陶瓷的使用范围扩大，并带动整个粉末冶金领域制备技术的更新。很多著名的科学家针对硬质合金和金属陶瓷抗腐蚀性能在不同的介质中进行研究。

二. 实验部分

在制备金属陶瓷材料的时候采用的是传统粉末冶金的方法。原料采用Ti、C、WC、Ni、Mo2C、VC、Co粉末，用球磨机进行球磨之前添加乙醇，然后进行球磨。

把成形剂(2%的丁蜡橡胶)和球磨后的粉末均匀混合，然后用200摄氏度的恒温在真空干燥箱(ZYS5050130)内进行干燥24小时，把控制粉末粒度控制住小于或者等于0.154毫米，然后经过造粒和过筛，使用单向压制，选用0.98MPa的压制压力，制做成边长为1.5厘米的正方体坯料，然后烧结成金属陶瓷试样，在卧式真空烧结炉（GCA500）中进行真空，并分成两部的烧结试样：1＃试样（不进行渗氮）和:2＃试样（进行渗氮处理）两种。采用随炉氮化渗氮来进行2＃试样，进行抛磨、去油、超声波清洗等预处理的时候要做渗氮之前。如图1所表示的就是1＃试样和2＃试样的制备工艺流程。

在对1＃、2＃试样进行电子探针观察的时候采用带能谱仪的电子探针，扫描分析Ti元素的进行面，对金属陶瓷表面形貌当中渗氮的影响进行分析。在9.8N载荷下使用维氏HV－1000显微硬度进行1＃、2＃试样的硬度检测，针对试样表面硬度在进行渗氮前后的变化进行对比，测试分析其表面抗弯强度、表面洛氏硬度和密度。对比分析渗氮前后试样的耐蚀性变化的时候采用液态浸渍法，在选择液态浸渍溶液的时候选择硫酸、氢氧化钠、草酸和氨水，以15d为一个实验周期，在研究金属陶瓷的电化学行为和腐蚀特征的时候用动电位扫描极化曲线法。

三、实验结果与讨论

1、渗氮处理后试样表面的变化

试样表面的时候用使用渗氮，渗氮涂层就能够形成。用显微硬度法来测定涂层的硬度，显微硬度关于1＃、2＃试样表面的测试数据如表１所表示。

从表1可以看出，1＃试样的显微硬度比2＃试样的低了将近20％，由此可见金属陶瓷表层的硬度在渗氮处理之下明显的提高了，表层含Ｔｉ硬质相的含量增大了，后面的表面微观分析证实这个理论。用电子探针分别对1＃、2＃试样表面进行观察，对进行面扫描观察其中的Ｔｉ元素的时候，利用能谱仪,如下面图2、图3所示的结果。

白色区域在图中代表的是Ti区域元素十分的密集，通过分析不难看出在经过渗氮后2＃试样表面提高了Ti的含量，跟表面硬度上升相统一。

2、渗氮处理对试样性能的影响

使用表面抗弯强度、表面洛氏硬度和密度分析了1＃、2＃试样，表2显示了结果：

从表2可看出，经过渗氮后的试样表面，都提高了金属陶瓷的强度、硬度和密度。其原因是N元素渗入之后， 形 成 了 结 构 致 密 的ＴｉＮ等相在 金 属 陶 瓷的表面，减少表面孔隙，因此提高了密度，试样的抗弯强度、硬度和密度也因而提高了，提高了硬度，促进了耐磨性的提高，金属陶瓷的使用寿命就提高了。

3、试样的耐腐蚀性分析

(一)腐蚀失重分析

在硫酸、氢氧化钠、草酸在氨水介质中放置1＃、1＃试样进行腐蚀失重实验，把得到的数据代入到相关公式当中进行计算，在这四种溶液中试样的平均腐蚀速率就被计算出来，表3所示就是计算结果：

（二）电化学测试分析

在耐磨性上金属陶瓷都是十分高的，在很多需要抗磨损的场合普遍的应用，可是不能避免领域和电解质进行接触，电化学性质普遍的存在于绝大多数腐蚀过程当中。想要从阳极极化曲线中来判断腐蚀发展的趋势，就可以采用电化学方法进行腐蚀实验。

阳极极化曲线中，腐蚀电流越小，腐蚀电位越大（其值越正），则该合金在该电解质中发生腐蚀的倾向越小。在下图4中可以看出，金属陶瓷的耐蚀性通过渗氮进行提高了，金属陶瓷在碱中的耐蚀性更好。

4、渗氮对金属陶瓷耐蚀性影响的机理分析

芯环结构是金属陶瓷的典型结构，其中TiC是“芯”，（Ti，Mo）Ｃ固溶体是“环”， Ni固溶体是“粘结相”。在Ni粘结相的表面首先发生金属陶瓷的腐蚀，金属陶瓷无数微小的原电池在潮湿空气中被腐蚀的时候，原电池的负极Ni发生氧化反应，其中不活泼能导电的(Ti，M0)C被溶解是原电池的正极产生了还原反应。腐蚀了粘结相，TiC骨架也崩塌了，陶瓷失效，伴随着Ｎｉ的含量在减少，在一定程度减弱了腐蚀。

在氮气中进行热处理TiC－WC－Co金属陶瓷的时候，Co相中会溶入N，富氮的Ti(C，N)相会从粘结相中析出，Ti(C，N) 的抗氧化性能比TiC提高的比较大，也增强了耐腐蚀性能。

四、结束语

通过上述实验很分析，笔者得出以下的结论：

（一）金属陶瓷的综合性能和耐腐蚀性可以采用渗氮处理来进行提高，金属陶瓷应用领域扩大了，对节约钨资源是一个有效的帮助。

（二）金属陶瓷采用渗氮之后形成的富Ti层，可以有效的提高金属陶瓷的力学性能和耐腐蚀性能。

（三）通过分析腐蚀失重，可以得出后金属陶瓷腐采用渗氮之后，腐蚀速率明显减慢了，而且在碱中的腐蚀速率比较低。

（四）通过对试样电化学极化曲线的测定和计算得出，金属陶瓷在采用渗氮之后，减小了腐蚀电流，使得正移了腐蚀电位，其耐蚀性被提高了，在酸溶液中的试样耐蚀性比在碱中要差很多。

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