当前位置：首页> 正在进行安全检测...

正在进行安全检测...

时间：2023-11-14 23:25:52 下载该word文档

第３０卷第４期　２００９年ｌ２月　《陶瓷学报》　ＪＯＩ乐ＮＡＩ，ＯＦ　ＣＥＲＡＭＩＣＳ　ＶＯ１．３０．ＮＯ．４　ＤｅＣ．２００９　文章编号：１０００－２２７８（２００９）Ｏ４．ｏ４９５．ｏ４　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷的显微结构和力学性能研究　李少峰　刘维良　彭牛生　（景德镇陶瓷学院，景德镇：３３３００１）　摘要　采用真空热压烧结工艺制备三种不同掺杂的Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷。借助于ＳＥＭ分析了其显微结构，并测试了其力学性能和相　对密度。实验结果表明：配方４１．２ｗｔ％ＴｉＣ一１０ｗｔ％ＴｉＮ一１４ｗｔ％（Ｎｉ＋Ｃｏ）一１２ｗｔ％Ｍｏ￣Ｃ一１５ｗｔ％ＷＣ－－６ｗｔ％ＴａＣ－０．８ｗｔ％Ｃｒ２Ｃｓ—１ｗｔ％Ｃ的　金属陶瓷综合性能最好，晶粒较细、均匀，具有明显的黑芯一灰壳结构；气孔较少，致密度较高。断裂机理主要是沿晶断裂，部分为　混合型断裂（穿晶断裂和沿晶断裂）。金属相存在着明显的撕裂棱。其维氏硬度为１２．５　ＧＰａ，断裂韧性为８．９　ＭＰａ・ｍ１／２＇抗弯强度为　１２８６　ＭＰａ，相对密度达到了９９．２％。　关键词Ｔｉ（Ｃ，Ｎ），金属陶瓷，显微结构，力学性能，复合材料　中图分类号：ＴＱ１７４．７５文献标识码：Ａ　塑性变形能力，刀具寿命较长　。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷　１　引言　金属陶瓷是一种由金属或合金与一种或几种陶　瓷相所组成的非均质复合材料，其中后者约占１５％　一作为刀具材料，其性能介于硬质合金和陶瓷刀具之　间，填补了两者之间的空白。　通过真空热压烧结制备了三种组分含量不同的　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷，测试了其力学性能和显微结构，　并对其进行研究分析。　８５％（体积）【ｌ】。Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷诞生于上世纪７０　年代，是在ＷＣ硬质合金和ＴｉＣ基金属陶瓷的基础　上发展起来的一种新型的颗粒型陶瓷复合材料，广泛　２实验过程　２．１原料　地应用于切削刀具行业［２１。Ｔｉ（Ｃ，　基金属陶瓷由硬质　相、粘结剂和添加剂构成，其中硬质相可以以Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）　固溶体形式直接加入，也可以用ＴｉＣ、ＴｊＮ单组元的　以ＴｉＣ、ＴｉＮ为基体，Ｎｉ、Ｃｏ为粘结金属，Ｍｏ２Ｃ、　Ｃ、Ｍｏ２Ｃ、ＴａＣ、　形式］９Ⅱ入　。Ｔ　Ｎｉｓｋｉｍｕｒａ嘲研究表明：以Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）形式　ＷＣ、ＴａＣ、ｃ　３、Ｃ粉为添加相。Ｔｉ２Ｃ。产于株洲托普硬质合金有限公司，ＴｉＮ产于北　引入，性能要高一些，但是对烧结工艺和材料成分敏　ＣｒＮｉ、Ｃｏ、ＷＣ产于山东临朐　感。但也有资料显示［６１，以ＴｉＣ和ＴｉＮ的形式加入更　京安泰科技股份有限公司，纯度见表１。　有利于细化晶粒，提高含氮金属陶瓷的硬度和耐磨　同力工具厂。原料的粒度、２试样的制备　性，且ＴｉＣ和ＴｉＮ比Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）容易购得，价格相对便　２．按照表２中配方’进，＝　斗，采用湿混方法混料，每　宜。因此，本文硬质相采用ＴｉＣ和ＴｉＮ单组元的形式　加入。由于Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷具有较低的密度、较高　的红硬ｌ生和抗弯强度、高温抗氧化性和抗热振陛好、　耐磨性好、对钢的摩擦系数小等优良的性能，因此，在　加工中表现出较高的韧性、优良的耐磨性和良好的抗　收稿日期：２００９－－０９—２１　通讯联系人：刘维良，Ｅ－ｍａｉｈｊｄｚｗｅｉｌｉａｎｇ＠１６３．ｃｏｍ　公斤｝昆　斗力Ⅱ入４００　ｍｌ无水乙醇，球料比为５：ｌ（质量　比），采用行星式球磨机以４Ｏ０　ｒ／ｍｉｎ的转速混料２４　ｈ，　在８０℃的烘箱中干燥浆料，干燥后的粉料经过研磨　过２００目筛，按照需要压制的尺寸称量混合粉料，装　
４９６　∽　２暑　０Ａｇｕ　《陶瓷学报｝２００９年第４期　表１原料的粒度和纯度　６　４　２　Ｏ　８　６　４　２　∞∞∞∞∞∞∞∞０　Ｔａｂ．１　Ｔｈｅ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｐｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｒａｗ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ＴｉＣ　ＴｉＮ　Ｎｉ　ＣＯ　Ｍｏ２Ｃ　ＷＣ　ＴａＣ　Ｃｒ２Ｃ３　Ｃ　粒度　纯度　≤３　ｍ　≥９９．３％　２．７　ｍ　≥９９％　３００目　≥９９．５％　３００目　≥９９％　３００目　≥９９％　≤３　ｕｍ　９９．５％　≤２　ｍ　≥９９．５％　≤３ｕｍ　９９．５％　３　ｍ　≥９９％　表２　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷材料原料配比（ｗｔ％）　Ｔａｂ．２　Ｍａｔｅｒｉａｌ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）一ｂａｓｅｄ　ｃｅｒｍｅｔｓ（ｗｔ％）　Ｓａｍｐｌｅｓ　Ａ　ＴｉＣ　４７．２　ＴｉＮ　１０　Ｎｉ＋Ｃｏ（Ｎｉ／Ｃｏ＝ｌ：１）　１４　ＭＯ２Ｃ　８　ＷＣ　９　ＴａＣ　１０　Ｃｒ２Ｃ３　０．８　Ｃ　ｌ　Ｂ　Ｃ　４５．２　４１．２　１０　１０　１４　ｌ４　９　１２　１２　１５　８　６　０．８　０．８　ｌ　ｌ　０　１００　２００　３００　４００　５００　６００　Ｔｉｍｅ／ｍｉｎ　■■■　（ａ）Ａ试样　（ｂ）Ｂ试样　（Ｃ）Ｃ试样　图１真空热压烧结工艺曲线　Ｆｉｇ．１　Ｖａｃｕｕｍ　ｈｏｔ　ｐｒｅｓｓｅｄ　ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ　ｃｕｒｖｅｓ　ｏｆ　ｃｅｒｍｅｔ　图２　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷的ＳＥＭ（背散射）照片　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ＳＥＭ（ＢＳＥ）ｐｈｏｔｏｓ　ｏｆ　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｃｅｒｍｅｔ　入石墨模具中，放入ＺＴ－６０—２２Ｙ型热压炉内进行套　奎　热曰　巴结（热压烧结工艺参数为温度１５００℃，压力２５　ＭＰａ，保温３０　ｍｉｎ）。真空热压烧结工艺曲线见图ｌ。　２．３试样ｊｊ￣ｎ－测试　金属陶瓷组织均由陶瓷相和粘结相组成，其中粘结相　呈断续状分布在陶瓷相晶界处。陶瓷相具有明显的芯　一壳（ｃｏｒｅ—ｒｉｍ）结构特征，且都是黑芯一灰壳结构。照　片中芯一壳颜色的变化是由于两者所含元素不同。　测试＃　经金刚石砂轮切割、粗磨、细磨和抛光　制成４×３Ｘ３７ｍｍ的标准试样，测试其硬度、抗弯强　在背散射照片中，原子序数越大的元素，颜色就会越　亮。这种芯一壳结构是由溶解一析出机制形成的：随　度、断裂韧性和相对密度，并用ＳＥＭ观察其显微结构。　着温度的升高，碳化物颗粒逐渐在金属粘结相中溶　解，伴随浓度的增加而逐渐达到饱和，随后在未融的　ＴｉＣ颗粒表面析出，形成一层复杂的（Ｔｉ，Ｗ，Ｍｏ……）　（ｃ，Ｎ）碳氮化物固溶体，形成独特的芯一壳　３结果分析与讨论　３．１样品的显微组织结构分析　（ｃｏｒｅ－ｒｉｍ）结构。Ｋｉｎｄｅｒｍａｎｎ　ｐｔ８１认为此机制形成的壳　层是一种过渡相，形成一定厚度的壳层有利于改善　材料的力学性能，但是壳层也属于脆性相，如果壳层　采用真空热压烧结工艺制备的三种不同组分的　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷显微结构如图２所示。　从图２中看出，热压工艺制备的三种Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基　太厚会使材料变脆，一般不能超过０．５　ｍ　。因此，　
《陶瓷学报｝２００９年第４期　（ａ）Ａ试样　（ｂ）Ｂ试样　（ｃ）ｃ试样　图３　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷断口扫描照片　Ｆｉｇ．３　Ｔｈｅ　ＳＥＭ　ｐｈｏｔｏｓ　ｏｆ　Ｔｉ（Ｃ．Ｎ）－ｂａｓｅｄ　ｃｅｒｍｅｔｓ　ｆｒａｃｔｕｒｅ　表３三种不同组分的Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷的物理性能　Ｔａｂ．３　Ｔｈｅ　ｐｈｙｓｉｃａｌ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ　ｏｆ　Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）ｃｅｒｍｅｔｓ　试样号　维氏硬度（ＧＰａ）　抗弯强度（ＭＰａ）　断裂韧性（ＭＰａ・ｍ　）　相对密度（％）　Ａ　１２．２　］２２４　７．８　９７．４　Ｂ　１１．９　１２５５　８．３　９８．７　Ｃ　１２．５　１２８６　８．９　９９．２　要想获得性能优良的Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷，必须控制　样最低。从显微结构方面分析其原因：Ａ试样气孔较　壳层的生长。　多，相对密度低，所以其断裂韧性也比较低。但是其晶　３．２样品的断口分析　粒比较小，所以硬度和Ｃ试样相差不大。Ｂ试样结构　金属陶瓷的断裂源是气孑Ｌ、粗大的陶瓷相颗粒（容　较致密，相对密度比较高，所以抗弯强度、断裂韧性也　易穿晶断裂）和Ｎｉ池等，其中，气孑Ｌ是主要的断裂源，　比较高。Ｃ试样组织结构最致密，晶粒细小、均匀，断　孔隙形成的原因有很多：压制时产生的缺陷、杂质的　