外文翻譯(中文)氮?dú)夥罩衪i(c_n)基金屬陶瓷熱處理的顯微結(jié)構(gòu)和切削性能研究

1、<p><b>　　中文3585字</b></p><p>　　氮?dú)夥罩蠺i（C，N）基金屬陶瓷熱處理的顯微結(jié)構(gòu)和切削性能研究</p><p>　　摘要：采用熱等靜壓（HIP）在1423K的氮?dú)夥罩袑?duì)Ti ( C，N)基金屬陶瓷進(jìn)行熱處理。將燒結(jié)的金屬陶瓷用X衍射、掃描電鏡、透射電鏡、X射線能譜分析、電子探針分析其微結(jié)構(gòu)并比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，表面高氮活性區(qū)將造成

2、梯度結(jié)構(gòu)的形成。在約20μm深度區(qū)，熱處理會(huì)導(dǎo)致富氮和富鈦區(qū)的形成。高氮活性推動(dòng)原子穿過粘結(jié)劑，鈦原子向表面、鎢，鉬向內(nèi)擴(kuò)散。表面區(qū)域，粒子變得更細(xì)，內(nèi)部界面消失，外緣體積分?jǐn)?shù)和粘結(jié)相大大減少。熱處理過程中 N，W C，Mo2C以及富氮碳化物區(qū)的細(xì)晶化的形成，提高了熱處理金屬陶瓷的摩擦性能。</p><p>　　關(guān)鍵字：Ti（C，N）基金屬陶瓷 ；氮?dú)夥諢崽幚?；顯微結(jié)構(gòu)；；力學(xué)性能 </p>&l

3、t;p><b>　　1：前言</b></p><p>　　Ti（C，N）基金屬陶瓷具有優(yōu)異的耐磨性、高耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性以及對(duì)金屬的低摩擦系數(shù)，作為刀具材料吸引了許多外國研究者的關(guān)注。但金屬陶瓷的強(qiáng)度比常用的WC-Co硬質(zhì)合金要低。針對(duì)改變金屬陶瓷的成分以提高其硬度，人們也做了一些研究，其硬度和耐磨性也略有提高。</p><p>　　為了提高在金屬加工過程中刀具

4、的壽命，一般會(huì)在其表面涂一層薄的TiN、TiC材料，或者是涂多層硬質(zhì)材料。這些薄層一般用CVD或PVD法制備。由于涂層和鍍層熱摩擦系數(shù)的不同，在用CVD或PVD法制備后的冷卻過程中，涂層中易形成裂紋，在負(fù)載下裂紋會(huì)從涂層向鍍層擴(kuò)展，從而造成制備涂層實(shí)驗(yàn)的失敗。最近，梯度結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金受到相當(dāng)大的關(guān)注，這種硬質(zhì)合金的表層涂有具有高耐磨性的富立方碳化硅，硬核包含WC，立方碳化硅/碳氮化和物和Co/Ni以及具有分級(jí)成份的中間區(qū)域?？梢酝ㄟ^梯度

5、燒結(jié)或者表面熱處理來進(jìn)行操作。因此，在目前的研究中一般采用真空燒結(jié)和在氮氛中熱等靜壓燒結(jié)制備Ti（C，N）基金屬陶瓷。研究中考察陶瓷的微結(jié)構(gòu)、成份梯度以及摩擦性能。</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)方案</b></p><p><b>　　2.1材料準(zhǔn)備</b></p><p>　　材料成分為9.9wt％納米TiC、3wt

6、％納米TiN-23.1wt％TiC-7wt％TiN-32 wt％Ni-16 wt％Mo-69 wt％W C-1.5wt％C-0.6 wt％Cr3C2。用沉降法測定平均粒徑尺寸，用TC一136 氮氧分析儀測定氧含量如表一。</p><p>　　粉末在硬質(zhì)合金行星球磨機(jī)加乙醇進(jìn)行均勻混合，球磨36h，轉(zhuǎn)速140r/m，再用紅外爐在353K溫度下進(jìn)行干燥，然后篩分和沉淀，在300MP下壓制成型，持續(xù)30秒中。坯體在16

7、93K溫度下進(jìn)行真空燒結(jié)1h，再在100MP壓力、1423K溫度的氮氛中進(jìn)行等靜壓燒結(jié)4h。</p><p><b>　　2.2顯微結(jié)構(gòu)分析</b></p><p>　　用銅Ka輻射XRD分析金屬陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)，用日本電子JXA一8800R結(jié)合WD/ ED微觀分析進(jìn)行金屬陶瓷的成分縱深分析。線掃描寬度為54um。用JSM一5600掃描電鏡在被散射電子模式下觀察微結(jié)構(gòu)。

8、JEM-2010透射電鏡用來研究詳細(xì)的微結(jié)構(gòu)，尤其是微量成因。</p><p><b>　　2.3性能測試</b></p><p>　　在普通車床上進(jìn)行切削性能測試。工件材料統(tǒng)一用中等碳鋼(AISI1045）。切削條件為：道具轉(zhuǎn)速323rn／min，喂料速度0．5mm／r，刀切深度為0．5mm。切削性能測試后，用光學(xué)顯微鏡測量最大刀后面磨損。</p>&

9、lt;p><b>　　結(jié)論</b></p><p><b>　　3.1XRD分析</b></p><p>　　圖一為在氮氛等靜壓熱處理前樣品的XRD圖片樣品。在燒結(jié)構(gòu)成中鎢和鉬溶解與Ti（C，N），Ti（C，N）是立方B1結(jié)構(gòu)，這和TiN一致。在2θ=36.7。．42.7。和67.84。時(shí)，可以清楚觀察到TiN的峰，顯示多晶結(jié)構(gòu)按(111)

10、／(200)／(220）擇優(yōu)生長。從XRD衍射峰，利用Schere方程，可大致估計(jì)出，晶體尺寸越400nm，基本上和3.2部分中SEM所觀察的結(jié)果一致。從XRD中可計(jì)算出晶格常數(shù)為0．4231nm，這與TiN0.67晶體的晶格常數(shù)接近。有趣的是通過XRD可以觀察到WC和M o2C相，這本應(yīng)由(Ti，Mo，W)(C，N）相邊緣在氮?dú)庵蟹磻?yīng)所得到的。</p><p>　　3.2顯微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)</p>&

11、lt;p>　　如圖2所示，燒結(jié)并熱處理的金屬陶瓷在被散射電子模式下觀察其表面區(qū)域的顯微圖片。接近燒結(jié)金屬陶瓷的表面部分，其微結(jié)構(gòu)與內(nèi)部一致，而熱處理后的表面區(qū)域的形貌卻大不相同。圖2是金屬陶瓷在100MPa、1432K的氮氛中等靜壓熱處理四小時(shí)后的SEM顯微照片。圖片顯示，在熱處理后表面的晶粒尺寸減小到20um左右，這比內(nèi)部和燒結(jié)處理的晶粒更細(xì)，同時(shí)硬質(zhì)相的體積分?jǐn)?shù)增加。W C，Mo2C相存在與熱處理金屬陶瓷的表面。在巨表面2~6

12、um處W C，Mo2C的體積分?jǐn)?shù)增大尤為明顯。但在熱處理和燒結(jié)處理的金屬陶瓷內(nèi)部都沒有觀察到這種現(xiàn)象。</p><p>　　為了闡述顯微結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，圖3顯示了熱處理和燒結(jié)處理金屬陶瓷的TEM圖片。結(jié)果總結(jié)為如表2。燒結(jié)處理的金屬陶瓷具有帶有碳氮晶粒的典型的微結(jié)構(gòu)，這種碳氮晶粒具有嵌入粘結(jié)相的芯-殼結(jié)構(gòu)。芯是一種不能溶解的原始粉末顆粒。富含鎢和鉬的內(nèi)殼形成于固體燒結(jié)階段，外殼形成于液體燒結(jié)階段。然而，在熱處理金屬陶

13、瓷的表面內(nèi)殼消失，外殼也大大減少。其周圍被一種不規(guī)則形狀的富氮的碳氮化合物包覆，而不是Ti（C，N）晶粒。表面區(qū)域也存在類似于粘劑形狀的小的W C，Mo2C晶粒。</p><p>　　3.3電子探針微量分析</p><p>　　電子探針分析（電子探針）為執(zhí)行和行掃描范圍為54微米（見圖4）。應(yīng)當(dāng)指出，沒有任何明顯成分梯度向表面作為燒結(jié)金屬陶瓷。碳和氮含量表面比較低是因?yàn)殁仯ㄌ?，氮）的真空?/p>

14、結(jié)過程中分解的階段表面相的大部分。在熱處理金屬陶瓷，電子探針分析的深度剖面驗(yàn)證碳含量增加和在對(duì)大量氮減少時(shí)，有20微米梯度區(qū)的存在。該熱處理金屬陶瓷表面富含鈦和氮的廣告鎢，鉬和碳消耗。鈦含量在表面高，隨深度逐漸降低，然后又提高了，幾乎達(dá)到表面的水平。鎢和鉬隨深度的增加。從20微米到大型，鈦鎢，常量和鉬的批量為常數(shù)。含氮量達(dá)到5微米，8微米的最大值，并最終降低到一個(gè)恒定的水平。</p><p>　　圖3。 TEM照

15、片中的表面區(qū)域?yàn)闊Y(jié)（a）和熱處理金屬陶瓷（二）。在圖3（a）:1-核心;2內(nèi)環(huán)3-外緣;4粘結(jié)相。在圖3（b）:1-核心;2外緣3- N的富相;4粘結(jié)相，5鉬，鎢豐富的階段。</p><p>　　為了確認(rèn)在表面合金元素區(qū)的梯度分布，表面的電子探針掃描進(jìn)行了為從表面向下帶至54微米的熱處理金屬陶瓷深度，如在圖5顯示。顯然，合金元素的分布（碳，氮，鈦，鎢，鉬）自線掃描的結(jié)果一致。此外，鎳分布進(jìn)行了分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，

16、在金屬陶瓷表面差鎳及鎳富集區(qū)低于堅(jiān)硬的表面形成的。</p><p>　　圖4。電子探針結(jié)果顯示在AS -燒結(jié)元素宏觀梯度（a）和熱處理金屬陶瓷（二）。  圖5 表面元素分布在氮化處理的金屬陶瓷（對(duì)應(yīng)于圖2（b））。</p><p><b>　　性能</b></p><p>　　圖6顯示了前后氮治療髖部的切削工具的磨損曲線。

17、當(dāng)熱處理金屬陶瓷切削工具應(yīng)用在工業(yè)條件下，中碳鋼（AISI1045）與V=323m/min，a=0.5mm，和f=0.5mm/ r時(shí)，后刀面磨損（VB）中的工具仍然只有約0.16毫米即使切削時(shí)間已接近45分鐘。圖6還顯示，該熱處理金屬陶瓷刀具切削加工性能比，作為燒結(jié)金屬陶瓷更好。</p><p><b>　　討論</b></p><p><b>　　4.1微

18、結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　由于合金元素的擴(kuò)散速率快碳氮比在鎳粘結(jié)相，作為主要的傳輸介質(zhì)粘結(jié)相行為在熱處理[8]。氮，高氮在表面區(qū)域活動(dòng)是驅(qū)動(dòng)部隊(duì)的鎢，鉬豐富富分階段溶入粘結(jié)相。在在熱處理初期，外層邊緣溶解首先對(duì)粘結(jié)相，隨著熱處理演變外層邊緣變成薄，和部分內(nèi)緣正在逐漸暴露出來。由于內(nèi)邊緣比外層邊緣有更多的鎢鉬。解散在內(nèi)邊緣速度比外邊緣的大，所以優(yōu)先的溶解為內(nèi)邊緣。因此，幾乎沒有內(nèi)邊緣發(fā)現(xiàn)在表面區(qū)

19、域下降至20微米的深度（見圖3（b））。都是因?yàn)榛钚誀顩r的高氮氮原子擴(kuò)散向內(nèi)，碳形成了從鈦的反應(yīng)Ti(C，N)+N2→TiN +C．(Mo，W， Ti)(C，N)階段富集鎢和鉬，制備的Mo2C和WC是從他們所形成的其它反應(yīng)（Mo，W，Ti)(C，N)+N2→Ti(C，N)+Mo2C+WC。本研究中，鈦（碳，氮）與高N核/（C+ N）比喻勝華表面區(qū)域也形成了，因?yàn)椴糠衷阝仯ㄌ迹┨荚铀〈樱ㄒ姳?）。</p>&l

20、t;p>　　邊緣階段富集鎢和鉬不斷進(jìn)入，因?yàn)樗母呋钚缘澈蟿┫嗳芙?。?dāng)鎢和鉬的溶解度達(dá)到最大，這些鎢鉬豐富和豐富的階段碳化物從過飽和固溶體，有一個(gè)形狀相似，對(duì)粘結(jié)相。與此同時(shí)，由于鎢和鉬的活性系數(shù)表面區(qū)域是高于大批金屬陶瓷，鎢和鉬的驅(qū)動(dòng)向內(nèi)，而鈦?zhàn)∷藁蛳蛲鈹U(kuò)散，形成氮 鈦豐富的階段。鈦富相的碳氮化物粒。氮的溶解度低鎳粘結(jié)相的，就是鈦豐富的階段是集中區(qū)的表面原因。除了鈦，氮，碳，氮和鈦豐富的階段也含有少量的鎢，鉬（見表2

21、）。.</p><p>　　該電子探針結(jié)果如圖5所示。它的結(jié)果表明，粘結(jié)劑（鎳）含量在低面帶下方至20微米的深度，而鈦和氮含量是最高的。這種現(xiàn)象意味著，鈦擴(kuò)散從進(jìn)入金屬陶瓷表面的絕大部分，那么，粘結(jié)相（鎳）反擴(kuò)散和形成了一個(gè)梯度區(qū)從20微米到25微米（見圖5）。這是有理由相信，這項(xiàng)活動(dòng)在梯度帶氮低于在表面，而鈦擴(kuò)散通量從梯度帶的表面比，從區(qū)到梯度金屬陶瓷的大部分，所以在梯度帶鎳體積分?jǐn)?shù)增加和形式之間的梯度帶面帶

22、和散裝。</p><p><b>　　4.2演變</b></p><p>　　在熱處理氮?dú)?，體積擴(kuò)大和殘余壓應(yīng)力可以產(chǎn)生，它可以治愈的表面缺陷（如表面連接的孔隙度），提高在金屬陶瓷（11）的力學(xué)性能。此外，在堅(jiān)硬的表面區(qū)域，其中含有TiN， WC，Mo2C和富氮碳氮化階段，也是形成。比較這些階段的不同，不僅在組成階段提出的碳氮化在燒結(jié)金屬陶瓷，而且形態(tài)的多樣，這從一個(gè)

23、相對(duì)變化圓形到不規(guī)則形，這樣到相當(dāng)?shù)奈⒂^表面硬度，得到了改善。因此，對(duì)熱處理后的摩擦學(xué)性能金屬陶瓷比作為燒結(jié)金屬陶瓷高。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　在熱處理的氮引入約20微米的表面富集區(qū)的氮和鈦，鎢，鉬不足， 碳。在表面硬化區(qū)，粒徑轉(zhuǎn)晴，內(nèi)緣消失，體積外層邊緣相和粘結(jié)相分?jǐn)?shù)大大減少。氮活動(dòng)是動(dòng)力，造成了解散的邊緣相;原子被