Ti(C,N)基金屬陶瓷增強(qiáng)技術(shù)及其組織和性能研究.pdf

1、Ti(C,N)基金屬陶瓷材料具有較高的紅硬性、耐磨性以及較好的抗氧化能力，是用來(lái)制作高速高效切削刀具的理想候選材料。但由于其強(qiáng)韌性不足，制約了Ti(C,N)-Ni基金屬陶瓷材料的推廣應(yīng)用。因此，開展對(duì)Ti(C,N)-Ni基金屬陶瓷材料的強(qiáng)韌化研究，有著極為重要的意義。本文在課題組前期工作的基礎(chǔ)上，采用X射線衍射儀(XRD)、金相顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)、X射線能譜儀(EDS)和抗彎強(qiáng)度測(cè)試儀、洛氏硬度計(jì)和顯微硬度計(jì)等分析測(cè)試手

2、段研究了成型劑種類、WC顆粒粒徑、Ti(C0.5N0.5)及(Ti,W)C固溶體和SiC晶須添加對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷顯微組織和力學(xué)性能的影響。并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步采用粉末冶金分層填鋪法制備梯度結(jié)構(gòu)Ti(C,N)基金屬陶瓷，研究了成分及梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)梯度結(jié)構(gòu)Ti(C,N)基金屬陶瓷顯微組織和力學(xué)性能的影響。
　　 本文首先對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷的發(fā)展概況、性能特點(diǎn)及Ti(C,N)基金屬陶瓷強(qiáng)韌化研究的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，并在

3、此基礎(chǔ)上提出了本文的研究目的、意義及技術(shù)路線。
　　 本文研究了SBP、GBY和PVA三種成型劑對(duì)TiC-TiN-20％Ni-Mo-WC-Cr3C2-C系金屬陶瓷的力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明，添加SBP成型劑的金屬陶瓷性能最好，GBY次之，PVA最差。
　　 以TiC-TiN-20％Ni-Mo-WC-Cr3C2-C系金屬陶瓷為研究對(duì)象，研究了微米級(jí)和亞微米級(jí)WC對(duì)Ti(C,N)基金屬陶瓷力學(xué)性能和顯微組織的影響。研究結(jié)

4、果表明，與添加微米級(jí)WC的Ti(C,N)基金屬陶瓷相比，添加亞微米級(jí)WC的金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度偏高而硬度偏低，當(dāng)燒結(jié)溫度1450℃時(shí)，添加亞微米級(jí)WC的金屬陶瓷的抗彎強(qiáng)度達(dá)到1890MPa，硬度91.1HRA。同時(shí)，在添加亞微米級(jí)WC的試樣中出現(xiàn)了較多的“白芯-灰環(huán)”結(jié)構(gòu)顆粒，且其硬質(zhì)相顆粒粒徑明顯細(xì)化。能譜分析表明，白色芯相具有與環(huán)形相類似的化學(xué)組成，但W、Mo含量較高。斷口分析表明斷裂模式主要為沿晶斷裂和穿晶斷裂。
　　 對(duì)T

5、i(C0.5N0.5)-WC(sub-micron)-Ni-Mo系金屬陶瓷研究表明，其顯微組織結(jié)構(gòu)中存在三種形貌：黑芯-灰環(huán)結(jié)構(gòu)、白芯-灰環(huán)結(jié)構(gòu)及黑芯-白環(huán)結(jié)構(gòu)。隨著WC含量的增加，內(nèi)環(huán)形相的厚度增加。當(dāng)WC含量在0～10％時(shí)，隨著WC含量的增加，黑色芯相的顆粒尺寸減小；當(dāng)WC含量繼續(xù)增加時(shí)，黑色芯相的顆粒尺寸趨向變大。EDS分析表明，隨著WC含量的增加，環(huán)形相和粘結(jié)相中W元素含量也逐漸增加，而Ti元素含量卻逐漸減小，Mo元素含量變化不

6、明顯。斷口分析表明，其斷裂模式主要是沿晶斷裂和穿晶斷裂。隨著WC添加量的增加，穿晶斷裂減少，沿晶斷裂開始增多，且氣孔也逐漸減少。力學(xué)性能測(cè)試表明，隨著WC含量的增加，抗彎強(qiáng)度增加，且相對(duì)密度也逐漸增加，但硬度呈下降趨勢(shì)。當(dāng)WC含量為10％時(shí)，Ti(C0.5N0.5)-WC-Ni-Mo2C系金屬陶瓷具有最優(yōu)的綜合力學(xué)性能，抗彎強(qiáng)度為1987MPa，硬度為91.2HRA。
　　 對(duì)(Ti,W)C-Ti(C0.5N0.5)-Ni-Mo

7、-C系金屬陶瓷的研究表明，1445℃真空燒結(jié)后金屬陶瓷的物相組成為Ti(C,N)固溶體和Ni。添加了(Ti,W)C固溶體的金屬陶瓷的顯微組織形貌均呈現(xiàn)出“芯-環(huán)”結(jié)構(gòu)，主要有黑芯-灰環(huán)、白芯-灰環(huán)和灰芯-黑環(huán)結(jié)構(gòu)。隨著(Ti,W)C固溶體含量的增加，其顯微組織形貌中具有“白芯-灰環(huán)”結(jié)構(gòu)的顆粒數(shù)量增加。能譜分析表明，白色芯相為未溶解的(Ti,W)C固溶體?；疑鞠嗑哂信c環(huán)形相相同的元素組成，但W含量較低。其斷裂模式主要為大顆粒硬質(zhì)相的穿

8、晶斷裂和小顆粒硬質(zhì)相的沿晶斷裂。力學(xué)性能測(cè)試表明，隨著(Ti,W)C固溶體含量的增加，抗彎強(qiáng)度和硬度均呈先增大后下降趨勢(shì)，當(dāng)(Ti,W)C固溶體含量為36％時(shí)，具有最佳的力學(xué)性能，抗彎強(qiáng)度為1927MPa，硬度91.9HRA。
　　 SiC晶須增強(qiáng)Ti(C,N)基金屬陶瓷的研究結(jié)果表明，當(dāng)微米級(jí)SiC晶須的添加量為1％時(shí)，抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性達(dá)到最高，分別為1905MPa和9.5MPa.m1/2，隨著晶須添加量的增加，其力學(xué)性能呈

9、下降趨勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微米級(jí)SiC晶須添加量超過(guò)1.6％時(shí)出現(xiàn)了MoSi2峰，表明添加的SiC與Mo發(fā)生了反應(yīng)，MoSi2脆性相的出現(xiàn)及Mo的消耗和相對(duì)密度的下降導(dǎo)致了其性能的顯著降低。在添加兩種SiC晶須的Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織中呈現(xiàn)出了較完整的“芯-環(huán)”結(jié)構(gòu)，主要有黑色的芯相、白色的內(nèi)環(huán)形相和灰色的外環(huán)形相組成，但在添加微米級(jí)SiC晶須的Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織形貌中還出現(xiàn)了呈細(xì)長(zhǎng)條狀的黑色相，且在其斷口中發(fā)現(xiàn)

10、經(jīng)真空燒結(jié)后殘留下來(lái)的SiC晶須的長(zhǎng)度明顯低于原始加入微米級(jí)SiC晶須。SiC晶須在Ti(C,N)基金屬陶瓷中的增強(qiáng)機(jī)理主要表現(xiàn)為晶須拔出和裂紋偏轉(zhuǎn)。
　　 采用粉末冶金分層填鋪法制備了梯度結(jié)構(gòu)Ti(C,N)基金屬陶瓷。力學(xué)性能測(cè)試表明，具有5層對(duì)稱梯度結(jié)構(gòu)的試樣的力學(xué)性能明顯優(yōu)于3層非對(duì)稱梯度的試樣。且具有相同粘結(jié)相含量的梯度結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷的力學(xué)性能要優(yōu)于各層粘結(jié)相和硬質(zhì)相含量均不同的梯度結(jié)構(gòu)的金屬陶瓷。制備出的具有相同粘結(jié)相