陳晨，史文杰，宋瑞宏,2，蔡銀熙，吳海豐，朱曉清,2

基于TD覆層處理技術(shù)的細(xì)長(zhǎng)孔內(nèi)表面覆層性能

陳晨1，史文杰1，宋瑞宏1,2，蔡銀熙3，吳海豐4，朱曉清1,2

（1.常州大學(xué) 機(jī)械與軌道交通學(xué)院，江蘇 常州 213164；2.常州市模具先進(jìn)制造高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213164；3.南京鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院，南京 210009；4.江蘇千家匯智能裝備科技有限公司，江蘇 宿遷 223900）

采用熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理技術(shù)，研究細(xì)長(zhǎng)孔內(nèi)壁的成層厚度、覆層形貌，以及對(duì)細(xì)長(zhǎng)孔內(nèi)壁表面硬度性能的影響；探究在不同孔徑和孔長(zhǎng)條件下，采用熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理技術(shù)在孔內(nèi)表面形成覆層的微觀形貌及形成原因。采用目前使用最為廣泛的碳化釩覆層配方對(duì)試樣進(jìn)行覆層處理，在試樣內(nèi)壁表面得到各組對(duì)應(yīng)的碳化釩覆層；利用X粉末衍射實(shí)驗(yàn)（XRPD）分析處理結(jié)束后內(nèi)表面的物相組成，利用光學(xué)顯微鏡觀察形成覆層的厚度，利用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)表面覆層的微觀組織進(jìn)行分析，并采用劃痕法測(cè)試其結(jié)合強(qiáng)度，利用顯微硬度計(jì)測(cè)量其表面硬度。在不同孔徑的孔內(nèi)壁均生成了一層碳化釩覆層。3 mm孔樣品的覆層厚度相對(duì)最?。?.06 μm），6 mm孔樣品的覆層厚度相對(duì)最厚（5.29 μm）；在硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，與未進(jìn)行覆層處理的原材料相比，覆層后孔內(nèi)壁的硬度均得到了強(qiáng)化，且6 mm孔樣品的強(qiáng)化效果相對(duì)最佳，其表面硬度達(dá)到了1 767.8HV2/15。經(jīng)熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理技術(shù)處理后得到的內(nèi)表面覆層厚度隨著孔徑的增加而增加，同時(shí)覆層的厚度、表面硬度等均與孔徑呈正相關(guān)；隨著孔長(zhǎng)的變化，成層厚度等出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)；所形成的碳化釩覆層均能夠有效提高材料的表面硬度。

TD處理；碳化釩覆層；表面硬度；孔內(nèi)表面

TD覆層處理技術(shù)是熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理（Thermal Diffusion Carbide Coating Process）的簡(jiǎn)稱。在當(dāng)今的金屬表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域，有諸多的技術(shù)可供選擇，如物理氣相沉積技術(shù)（PVD）、化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）、TD覆層處理技術(shù)等。其中，PVD和CVD這2種方法能夠在模具表面形成力學(xué)性能良好的覆層，但對(duì)模具的內(nèi)表面無(wú)法發(fā)揮其應(yīng)有的作用。TD覆層處理技術(shù)是將物件放入流動(dòng)的熔鹽中，通過(guò)金屬原子的滲入，在其表面形成一層均勻的金屬碳化物覆層。目前，大部分研究TD覆層處理技術(shù)的主要對(duì)象為熔鹽配方，即通過(guò)改變鹽浴配方，以及后續(xù)一系列實(shí)驗(yàn)對(duì)其強(qiáng)化程度進(jìn)行有效的分析判斷[1-5]。Ghadi等[6]在進(jìn)行覆層處理時(shí)發(fā)現(xiàn)，熱處理實(shí)驗(yàn)中特殊的還原劑能有效提高碳化物覆層的成層厚度，同時(shí)能夠賦予覆層不同的力學(xué)性能。還有的學(xué)者通過(guò)不同的基體材料來(lái)驗(yàn)證TD覆層處理技術(shù)是否具有廣泛適用性，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)用于有色金屬、普通碳鋼材料等均有成效[7-9]。在處理過(guò)程中，更多研究者通過(guò)添加不同的稀有金屬元素進(jìn)一步提高TD處理結(jié)束后所形成的覆層的硬度、耐磨性等。其中，Liu等[10]通過(guò)添加稀土元素，發(fā)現(xiàn)能夠有效地細(xì)化晶粒，同時(shí)能夠加快滲釩的速度。還有的學(xué)者針對(duì)TD處理存在的問(wèn)題（例如配方比例、基體材料等）進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并提出了相應(yīng)的解決方案[11-12]。目前，TD覆層處理的作用對(duì)象為常用模具的表面，忽視了模具內(nèi)部的強(qiáng)化。實(shí)踐證明，模具內(nèi)部也極易出現(xiàn)磨損，從而導(dǎo)致零件壽命大幅下降，尤其是類似于細(xì)長(zhǎng)孔這類特征的零件。由于該類零件加工的特殊性，對(duì)孔的內(nèi)表面進(jìn)行強(qiáng)化較為困難，很多表面強(qiáng)化技術(shù)無(wú)法對(duì)孔的內(nèi)表面進(jìn)行強(qiáng)化。

比如：物理氣相沉積技術(shù)需要將強(qiáng)化材料噴濺至物體表面形成強(qiáng)化覆層，細(xì)小的孔使得在噴濺時(shí)難以有效瞄準(zhǔn)孔的中間部分。同樣，化學(xué)氣相沉積技術(shù)也存在類似問(wèn)題，即強(qiáng)化材料無(wú)法有效地到達(dá)目標(biāo)的內(nèi)表面。經(jīng)過(guò)分析研究可知，在TD覆層處理中依靠熔鹽中的金屬元素與材料中的碳原子的相互反應(yīng)來(lái)推動(dòng)覆層的生長(zhǎng)，流動(dòng)的熔鹽可以有效地通過(guò)細(xì)長(zhǎng)孔。

文中研究的主要目的是通過(guò)對(duì)細(xì)長(zhǎng)孔進(jìn)行TD覆層處理，探究其是否能在細(xì)小的孔中形成一層良好的碳化物覆層。通過(guò)不同孔徑的對(duì)比分析實(shí)驗(yàn)確定TD覆層技術(shù)對(duì)孔徑的要求，最后通過(guò)不同深度的孔長(zhǎng)來(lái)探究覆層的厚度、表面硬度等與孔的深度存在的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)

由于TD覆層處理技術(shù)對(duì)基體材料的碳元素含量有一定的要求，較高的碳含量能為覆層的生長(zhǎng)提供充足的反應(yīng)物，因此采用Cr12Mo1V1材料為基體材料，其元素組成見(jiàn)表1。

表1 Cr12Mo1V1材料各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.1 Mass fraction of each element of Cr12Mo1V1 material %

實(shí)驗(yàn)處理的對(duì)象為細(xì)長(zhǎng)孔。目前，機(jī)械加工領(lǐng)域?qū)τ诩?xì)長(zhǎng)孔的加工有一定的難度，同時(shí)曲面試樣會(huì)給后續(xù)實(shí)驗(yàn)和檢測(cè)帶來(lái)較多的不便，故這里采用方孔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)方法：將材料分割成4塊大小相同的長(zhǎng)方體，再將其拼接在一起；在整個(gè)拼接而成的長(zhǎng)方柱外圍用夾具進(jìn)行固定，使其能夠在實(shí)驗(yàn)中一直保持拼接狀態(tài)，中間所留孔隙即為實(shí)驗(yàn)所處理的對(duì)象，見(jiàn)圖1。同時(shí)，這種實(shí)驗(yàn)方式能夠在一次處理過(guò)程中一次性地提供4塊樣品，能夠有效地減少多組重復(fù)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的人為誤差，大大提高數(shù)據(jù)的可信度。

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模禾骄靠讖?、孔長(zhǎng)對(duì)碳化物覆層生長(zhǎng)的影響。實(shí)驗(yàn)需要準(zhǔn)備不同孔徑的材料。準(zhǔn)備了4組材料，孔徑分別為3、4、5、6 mm，孔長(zhǎng)為40 mm。通過(guò)線切割的加工方式分別得到上述實(shí)驗(yàn)材料。經(jīng)線切割加工后，材料的表面粗糙度較高，需進(jìn)行磨削加工，再通過(guò)水磨機(jī)進(jìn)行鏡面拋光，這樣才能達(dá)到TD覆層處理的要求。在處理前需對(duì)試樣預(yù)先進(jìn)行熱處理，以獲得滲釩所需的退火態(tài)組織[13-16]。在處理結(jié)束后再進(jìn)行高溫淬火，以及3次高溫回火。

圖1 經(jīng)加工后的實(shí)驗(yàn)對(duì)象與夾具

此次實(shí)驗(yàn)采用的鹽浴配方（均用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）：Na2B4O7（85%）+B4C（5%）+V2O5（10%）。此為目前最為成熟且使用廣泛的碳化釩覆層配方，處理時(shí)間為6 h。使用的處理器材為井式高溫電阻爐，處理溫度為950 ℃。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后的試樣如圖2所示，通孔內(nèi)壁出現(xiàn)了一層均勻的黑色物質(zhì)，在遮擋處會(huì)有少量熔鹽進(jìn)入，從而造成部分物質(zhì)的殘留。同時(shí)，高溫處理使得材料表面的鐵元素出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象，造成該處出現(xiàn)顏色深淺不一的黑色物質(zhì)。拆去外圍夾具，同時(shí)將樣品加工成為長(zhǎng)度10 mm的小樣品進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖2 經(jīng)TD處理后的試樣

采用日本理學(xué)D/MAX2500型X射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)（XRPD）對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后所得圖譜進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證是否生成了有效的表面覆層。此次實(shí)驗(yàn)采用的入射波長(zhǎng)為0.154 056 nm。在光學(xué)顯微鏡下對(duì)覆層形成的厚度進(jìn)行觀察，并測(cè)量覆層厚度。為了探究覆層的質(zhì)量，需要對(duì)覆層的形貌進(jìn)行觀察，并進(jìn)行掃描電子顯微鏡（SEM）觀察實(shí)驗(yàn)和EDS能譜圖分析。實(shí)驗(yàn)采用由日本制造的JSM–6360LA掃描電子顯微鏡。表面硬度測(cè)試采用HSV–1000A數(shù)顯顯微硬度計(jì)。劃痕測(cè)試采用WS–2005涂層附著力自動(dòng)劃痕儀。

2 結(jié)果和討論

2.1 覆層物相分析與晶粒的測(cè)量

將4組樣品同時(shí)置于井式高溫電阻爐中進(jìn)行TD覆層處理，處理溫度為950 ℃，時(shí)間為6 h。為了探究不同孔徑內(nèi)表面是否形成了良好的覆層，在4個(gè)不同孔徑樣品中各取1塊，將不帶覆層部分的基體通過(guò)線切割去除，防止在進(jìn)行X射線粉末衍射實(shí)驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生不必要的干擾，導(dǎo)致無(wú)法有效判斷所得出的衍射峰[17-20]。

XRPD實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3發(fā)現(xiàn)，基體內(nèi)部的碳原子能夠有效地與釩原子相結(jié)合，生成碳化釩覆層，且覆層隨著孔徑的增加，碳化釩的衍射峰的強(qiáng)度逐漸上升。在圖3中還發(fā)現(xiàn)有少量的–Fe衍射峰出現(xiàn)，鐵素體在高溫作用下會(huì)從–Fe轉(zhuǎn)變–Fe，覆層處理溫度為950 ℃，高于鐵素體轉(zhuǎn)變要求的溫度（912 ℃），為奧氏體的轉(zhuǎn)變提供了有利條件。同時(shí)，由于碳原子的不斷析出，所形成的碳化物覆層破壞了奧氏體–鐵素體與奧氏體–滲碳體的濃度平衡。為了維持濃度的平衡，滲碳體必須不斷地向奧氏體中溶解，促使其晶核長(zhǎng)大，從而導(dǎo)致衍射峰的出現(xiàn)，但該衍射峰會(huì)隨著孔徑的增加而逐漸減弱，最后消失，只留下碳化釩的衍射峰。由此表明，覆層內(nèi)部含有的其他元素逐漸減少。使用Scherrer公式根據(jù)衍射峰的半高寬度、入射波長(zhǎng)等對(duì)晶粒的平均尺寸進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式（1），結(jié)果如表2所示。可以發(fā)現(xiàn)，晶粒的平均尺寸隨著孔徑的上升而不斷下降，最小尺寸為6 mm試樣（18.4 nm）。上述數(shù)據(jù)結(jié)果證明，孔徑的增加能有效提高碳化物覆層的增長(zhǎng)，覆層的質(zhì)量也會(huì)不斷提高。

式中：D為平均晶粒尺寸；K為Scherrer常數(shù)，這里采用衍射峰的半高寬來(lái)進(jìn)行計(jì)算，K取0.89；λ為入射波長(zhǎng)；B為衍射峰的半高寬度；θ為布拉格衍射角。

表2 碳化釩覆層平均晶粒尺寸

Tab.2 Average grain size of vanadium carbide coating

2.2 覆層的成層厚度

通過(guò)對(duì)覆層的X射線粉末進(jìn)行衍射實(shí)驗(yàn)可知，在孔內(nèi)壁已經(jīng)形成了一層碳化釩覆層。圖4—7為4組實(shí)驗(yàn)樣品的光學(xué)顯微鏡照片，放大倍數(shù)為1 000。同時(shí)，在覆層與基體之間存在一條明顯的黑色分界線。這是由于基體內(nèi)部的碳原子在高溫化學(xué)反應(yīng)作用下與熔鹽發(fā)生作用，向基體的外部邊界移動(dòng)，并以碳化物的方式析出，形成了碳化釩覆層。

分別測(cè)量試樣在0、10、20、30、40 mm等5個(gè)孔長(zhǎng)處的覆層厚度，測(cè)試點(diǎn)以希臘字母排序，編號(hào)分別為、、、、。為了提高統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，分別對(duì)每組試樣的4塊樣品進(jìn)行測(cè)量，并取平均值，結(jié)果如圖8所示。在孔徑相同的情況下，覆層厚度與孔長(zhǎng)大致成如下關(guān)系：在進(jìn)口處覆層較厚，隨后逐漸下降，到達(dá)材料中部時(shí)最小，然后又開(kāi)始增加，在接近材料尾部時(shí)覆層與進(jìn)口處厚度的差距大幅減小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以從TD覆層處理技術(shù)的原理進(jìn)行分析：TD覆層處理技術(shù)是將工件樣品放置在熔融狀態(tài)的硼砂鹽浴中進(jìn)行處理，目的是讓硼砂中的覆層金屬原子與基體材料中的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而在其表面形成一層金屬碳化物覆層。目前，大部分針對(duì)模具工件進(jìn)行TD覆層處理的目的是在其外表面形成碳化物覆層，因此工件能夠與硼砂進(jìn)行充分、有效的接觸，以促進(jìn)覆層良好生長(zhǎng)。同時(shí)，硼砂在鹽浴過(guò)程中也能夠進(jìn)行充分流動(dòng)，這也是覆層良好生長(zhǎng)的重要保證。此次實(shí)驗(yàn)中處理的對(duì)象為孔徑較小的深孔，在與硼砂鹽浴過(guò)程中的接觸必然不如外表面那樣充分。同時(shí)，熔融狀態(tài)的硼砂的流動(dòng)性較差，在孔內(nèi)極易堵塞，導(dǎo)致孔內(nèi)部整體無(wú)法進(jìn)行有效流動(dòng)，這樣會(huì)使堵塞處用來(lái)進(jìn)行反應(yīng)的金屬離子全部被消耗，且孔內(nèi)堵塞的硼砂無(wú)法與外部未反應(yīng)的硼砂進(jìn)行交換，從而使覆層無(wú)法進(jìn)行有效生長(zhǎng)。在長(zhǎng)度相同的情況下，可以得出以下關(guān)系：隨著孔徑不斷擴(kuò)大的同時(shí)，覆層的成層厚度也不斷增大。由于孔徑的擴(kuò)大，孔的內(nèi)部空間得到了擴(kuò)展，硼砂堵塞的情況也得到改善，流動(dòng)性大大增強(qiáng)，因此覆層得到了較好的生長(zhǎng)。

圖4 3 mm孔試樣的內(nèi)壁覆層顯微照片

圖5 4 mm孔試樣內(nèi)壁覆層顯微照片

圖6 5 mm孔試樣內(nèi)壁覆層顯微照片

圖7 6 mm孔試樣內(nèi)壁覆層顯微照片

圖8 不同孔長(zhǎng)處的平均覆層厚度

2.3 覆層的形貌分析

在光學(xué)顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，孔的內(nèi)壁表面形成了3～5 μm的碳化釩覆層。此次實(shí)驗(yàn)采用掃描電子顯微鏡觀察鍍層的微觀形貌。在觀察前的0.5 h內(nèi)，采用酒精與硝酸的體積比為1∶19的分析液對(duì)覆層截面進(jìn)行腐蝕，防止其他異物對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生不必要的影響。為了更清晰地觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對(duì)樣品進(jìn)行了3次噴金處理，以提高其導(dǎo)電性。實(shí)驗(yàn)采用的放大倍率為10 000，覆層橫截面效果如圖9所示。

3 mm孔內(nèi)壁覆層的照片如圖9a所示，可以看出，覆層與基體之間存在一條清晰可見(jiàn)的分界線，覆層的形貌也完全可見(jiàn)。3 mm的孔樣品為此次實(shí)驗(yàn)中孔徑最小的樣品，在實(shí)驗(yàn)前對(duì)其的預(yù)想為有可能形成覆層，但效果較差。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一猜想，其孔內(nèi)壁表面形成了覆層，但內(nèi)部十分雜亂無(wú)章。在處產(chǎn)生了一個(gè)巨大的凹陷，同時(shí)處的覆層較其他處出現(xiàn)了單獨(dú)且明顯的不規(guī)則覆層，而在基體層附近則出現(xiàn)了許多大小不一的小空洞。這些缺陷形成的原因與TD覆層生長(zhǎng)的成因有關(guān)。覆層生長(zhǎng)所需的外界條件：需要覆層處理的表面能夠與硼砂充分接觸；熔融狀態(tài)的硼砂具有良好的流動(dòng)性，給覆層生長(zhǎng)的化學(xué)反應(yīng)帶去充足的金屬離子反應(yīng)物[21-23]。圖9a中處的堵塞也使得處于下方的處無(wú)法獲得生長(zhǎng)所需的反應(yīng)物，導(dǎo)致此處覆層的生長(zhǎng)不完全，從而產(chǎn)生了許多大小不一的孔洞。

圖9 不同孔徑下的碳化釩覆層微觀圖片

孔徑為4 mm的樣品的內(nèi)壁覆層照片如圖9b所示，可以發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)了較多與圖9a中相似的缺陷。在圖9b中的、、等3處產(chǎn)生了較多的孔洞?？锥闯霈F(xiàn)的原因與前面所述類似，熔鹽的阻塞嚴(yán)重影響了覆層的生長(zhǎng)。由圖9b還可發(fā)現(xiàn)，4 mm孔樣品的覆層厚度只有3～4 μm，且產(chǎn)生的缺陷雖為微小的孔洞，但數(shù)量較為龐大，說(shuō)明該組樣品的內(nèi)部依然存在嚴(yán)重的硼砂堵塞問(wèn)題，導(dǎo)致內(nèi)壁各處的反應(yīng)不均衡，從而產(chǎn)生了這些缺陷。

孔徑為5 mm的樣品的內(nèi)壁覆層照片如圖9c所示，可以發(fā)現(xiàn)，在接近基體處有大量的缺陷出現(xiàn)，如、處。隨著截面面積的擴(kuò)大，堵塞很快被后續(xù)流動(dòng)的硼砂沖開(kāi)，這會(huì)促進(jìn)覆層的生長(zhǎng)，與此同時(shí)覆層內(nèi)部出現(xiàn)的孔洞缺陷大幅降低，且出現(xiàn)的位置逐漸向基體層靠近。

此次實(shí)驗(yàn)最后一組樣品，同時(shí)也是孔徑最大的一組（即6 mm孔），其樣品的內(nèi)壁覆層照片如圖9d所示?？讬M截面積的增加意味著單次流動(dòng)所帶來(lái)的反應(yīng)物增加，同時(shí)孔內(nèi)壁的側(cè)面積隨著孔橫截面積的增大而增大，從而使孔的內(nèi)壁能夠與流動(dòng)的硼砂進(jìn)行更加充分的接觸，因此該組實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)條件最為理想。首先通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)（如圖7所示），覆層成層的厚度已經(jīng)達(dá)到正常外表面覆層（5 μm）的程度，并且經(jīng)過(guò)掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，該組樣品的形貌組織十分均勻，無(wú)重大缺陷出現(xiàn)，在與基體的交界處未出現(xiàn)如圖9c中處那樣因反應(yīng)不均勻所產(chǎn)生的不充分的覆層。綜上所述，6 mm孔樣品的內(nèi)壁覆層不僅在厚度上達(dá)到了外表面的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)生長(zhǎng)出的覆層的形貌也十分均勻，未出現(xiàn)明顯缺陷。

2.4 覆層結(jié)合強(qiáng)度分析

采用劃痕法測(cè)試碳化物覆層界面的強(qiáng)度，加載載荷為60 N，加載速率為60 N/min，劃痕長(zhǎng)度為5 mm，其結(jié)果如圖10所示。同時(shí)采用EDS測(cè)試元素的含量，并進(jìn)行輔助判斷，其元素分布含量如表3所示。

由圖10可知，3 mm孔試樣在載荷加至54.25 N時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)噪聲信號(hào)，表明此時(shí)覆層與基體出現(xiàn)相分離，發(fā)生了相對(duì)滑動(dòng)，該組試樣的界面結(jié)合強(qiáng)度為54.25 N。同理，4 mm孔試樣在55.90 N時(shí)出現(xiàn)噪聲信號(hào)，該組的結(jié)合強(qiáng)度為55.90 N。5 mm和6 mm孔試樣則在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后也未出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)的噪聲信號(hào)，表明其結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)設(shè)定的60 N。由圖10的摩擦力曲線可知，孔徑的擴(kuò)大導(dǎo)致探針在測(cè)試時(shí)遇到的摩擦阻力減小，覆層表面硬度的增加會(huì)導(dǎo)致探針無(wú)法在其表面留下較深的劃痕，材料的脫落也會(huì)減少表面粗糙度的下降幅度，從而減小遇到的摩擦力，可見(jiàn)覆層的質(zhì)量與孔徑呈正相關(guān)。通過(guò)對(duì)覆層截面的EDS元素進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)，孔徑的增加會(huì)使覆層的碳元素和釩元素的含量增加，4 mm與5 mm孔試樣測(cè)試結(jié)果的差距最大（21.65%）。元素含量的差距說(shuō)明各組材料的成層質(zhì)量存在較大差距，與基體的結(jié)合強(qiáng)度也會(huì)受到影響。這一結(jié)果與劃痕實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)應(yīng)，因此孔徑的擴(kuò)大不僅可以改善覆層的形貌，同時(shí)覆層內(nèi)的其他雜質(zhì)元素也會(huì)進(jìn)一步減少，從而提高覆層質(zhì)量，與基體的結(jié)合強(qiáng)度也得到提高。

圖10 碳化物覆層界面結(jié)合強(qiáng)度

表3 碳化釩覆層內(nèi)各物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)

Tab.3 Mass fraction of each substance in vanadium carbide coating %

2.5 覆層硬度實(shí)驗(yàn)分析

對(duì)碳化釩覆層進(jìn)行了表面硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，施加載荷為15 N，加載時(shí)間為15 s。為了提高統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，分別在每組試樣的4塊樣品的0、10、20、30、40 mm等處進(jìn)行3次硬度測(cè)試，取平均值。

同一深度、不同孔徑的4組樣品在同一孔長(zhǎng)下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，所得到的平均表面硬度折線如圖11所示。經(jīng)過(guò)測(cè)試可知，未經(jīng)TD覆層處理的原始實(shí)驗(yàn)樣品的平均硬度為661HV2/15。由圖11可知，所測(cè)得的最小平均表面硬度為1 017.25HV2/15，最大值為1 768.7HV2/15，可見(jiàn)所有經(jīng)過(guò)TD覆層處理的樣品表面均得到了不同程度的強(qiáng)化，晶粒隨著孔徑的增加逐漸細(xì)化，孔徑越大表明其表面硬度越高。從上文中對(duì)覆層的厚度和形貌進(jìn)行分析后可知，3 mm和4 mm孔樣品的內(nèi)壁覆層存在大量的缺陷，覆層生長(zhǎng)不均勻，而5 mm和6 mm孔樣品的內(nèi)壁覆層均勻生長(zhǎng)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。3 mm和4 mm孔樣品的內(nèi)壁硬度雖較基體有一定程度的提高，但提高程度相對(duì)較小。5 mm和6 mm孔樣品的內(nèi)壁硬度均得到較大的提升，尤其是6 mm孔徑實(shí)驗(yàn)組。擴(kuò)大的孔徑提供了更大的流動(dòng)空間，緩解了處理過(guò)程中孔內(nèi)部硼砂堵塞的現(xiàn)象，也為覆層的良好生長(zhǎng)帶來(lái)了充分的反應(yīng)物?？梢?jiàn)5 mm和6 mm孔試樣的覆層不僅覆層厚度達(dá)到了5 μm，同時(shí)覆層的形貌也得到了大幅度改善。如圖11d所示，隨著孔長(zhǎng)的增加，樣品內(nèi)壁的表面硬度也在不斷變化，呈現(xiàn)先下降再上升的趨勢(shì)，證明處理過(guò)程中真實(shí)存在的堵塞現(xiàn)象導(dǎo)致覆層出現(xiàn)了無(wú)法預(yù)測(cè)的不充分的生長(zhǎng)現(xiàn)象，這使得覆層的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值大大降低；5 mm和6 mm孔樣品的內(nèi)壁覆層硬度的波動(dòng)幅度相對(duì)較小，有效證明了孔徑的擴(kuò)大有利于覆層的生長(zhǎng)，并且能夠改善覆層的形貌。

圖11 覆層表面硬度測(cè)試及基體材料的表面硬度

3 結(jié)論

從此次實(shí)驗(yàn)中可以得出，TD覆層處理技術(shù)在細(xì)長(zhǎng)孔中具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，主要結(jié)論如下。

1）經(jīng)過(guò)XRD圖譜分析，處理后能夠有效地使基體內(nèi)的碳原子析出，并與熔鹽內(nèi)的釩原子結(jié)合，從而形成碳化釩覆層。通過(guò)對(duì)晶粒尺寸的計(jì)算發(fā)現(xiàn)，其尺寸較小，6 mm組的晶粒尺寸相對(duì)最小（18.4 nm）。

2）在4組試樣中，孔內(nèi)壁形成的覆層最小處為3 mm樣品的3.06 μm，該處表面硬度達(dá)到了1 017.25HV2/15，是處理前的2倍。最大處為6 mm樣品的5.29 μm，其表面硬度最大達(dá)到了1 767.8HV2/15，為處理前的3倍。由此可見(jiàn)，TD覆層處理能夠有效改善孔內(nèi)壁的表面硬度。

3）孔徑的增加能夠改善熔鹽的流動(dòng)性，促進(jìn)覆層的生長(zhǎng)，經(jīng)TD處理后得到的內(nèi)表面覆層厚度、覆層表面硬度及覆層與基體的結(jié)合強(qiáng)度會(huì)隨著孔徑的增加而增加。在劃痕測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，3 mm和4 mm組的結(jié)合強(qiáng)度均在55 N左右，而5 mm和6 mm組在測(cè)試中均未出現(xiàn)覆層與基體的脫離。當(dāng)孔徑相同時(shí)，孔長(zhǎng)的增加會(huì)使熔鹽在孔的內(nèi)部造成一定程度的堵塞，從而影響覆層的正常生長(zhǎng)，因此覆層的厚度與其表面硬度會(huì)隨著孔長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，在位于孔長(zhǎng)一半處時(shí)兩者數(shù)據(jù)均達(dá)到最小值，隨后出現(xiàn)上升的趨勢(shì)。

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Performance for Inner Surface Coating of Slender Hole Based on TD Coating Treatment Technology

1,1,1,2,3,4,1

(1. School of Machinery and Rail Transit, Changzhou University, Jiangsu Changzhou 213164, China; 2. Changzhou High Technology Research Key Laboratory of Mould Advanced Manufacturing, Jiangsu Changzhou 213164, China; 3. Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute, Nanjing 210009, China; 4. Jiangsu Qianjiahui Intelligent Equipment Technology Co., Ltd., Jiangsu Suqian 223900, China)

The work aims to study the effects of TD treatment technology on the forming thickness, morphology and surface hardness of the inner wall of the slender hole, and the micro-morphology and formation reasons of the coating formed on the inner surface of the hole by thermal diffusion carbide coating treatment technology under the conditions of different hole diameters and hole lengths.The most widely used vanadium carbide coating formula was applied to coat the sample, and the corresponding vanadium carbide coatings were obtained on the inner wall surface of the sample. The phase composition of the inner surface after treatment was analyzed by X-ray powder diffraction experiment (XRPD). The thickness of the formed coating was measured with an optical microscope. The microstructure of the surface coating was analyzed with a scanning electron microscope (SEM). The bond strength between the coating and the substrate was measured with a scratch tester. The surface hardness was measured with a microhardness tester. A layer of vanadium carbide coating was successfully found on the inner wall surface of holes with different hole diameters. The thinnest part was 3.06 μm of 3 mm hole sample. The thickest part was 5.29 μm of 6 mm hole sample. In the hardness test experiment, compared with the raw materials without coating treatment, the hardness of the inner wall of the hole after coating was strengthened. The strengthening effect of 6 mm hole was the best. The maximum surface hardness reached 1 767.8HV2/15. The thickness of inner surface coating after TD treatment increases with the increase of hole diameter. At the same time, the thickness and surface hardness of the coating are positively correlated with the hole diameter. With the change of hole length, it will decrease first and then increase. The vanadium carbide coating formed can effectively improve the surface hardness of the material.

TD treatment; vanadium carbide coating; surface hardness; hole inner surface

2021-09-27；

2022-02-28

CHEN Chen (1997-), Male, Master, Research focus: mechanical manufacturing and automation, Surface modification of materials.

宋瑞宏（1969—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化、材料表面改性。

SONG Rui-hong (1969-), Male, Master, Senior engineer, Research focus: mechanical manufacturing and automation, surface modification of materials.

陳晨, 史文杰, 宋瑞宏, 等. 基于TD覆層處理技術(shù)的細(xì)長(zhǎng)孔內(nèi)表面覆層性能[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 342-350.

TG156.99

A

1001-3660(2022)09-0342-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–09–27；

2022–02–28

常州市模具先進(jìn)制造高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金（2019–03）；泗洪縣重點(diǎn)科技研發(fā)計(jì)劃（H201805）

Fund：Open Fund of Changzhou High Technology Research Key Laboratory of Mould Advanced Manufacturing (2019-03); Key Technology Research and Development Program of Sihong County-Industry Outlook and Common Key Technology (H201805)

陳晨（1997—），男，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化、材料表面改性。

CHEN Chen, SHI Wen-jie, SONG Rui-hong, et al. Performance for Inner Surface Coating of Slender Hole Based on TD Coating Treatment Technology[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 342-350.

責(zé)任編輯：彭颋