Ti(C,N)基金屬陶瓷增強技術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，是用來制作高速高效切削刀具的理想候選材料。但由于其強韌性不足，制約了Ti(C,N)-Ni基金屬陶瓷材料的推廣應用。因此，開展對Ti(C,N)-Ni基金屬陶瓷材料的強韌化研究，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)和抗彎強度測試儀、洛氏硬度計和顯微硬度計等分析測試手

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Ti(C,N)基金屬陶瓷顯微組織和力學性能的影響。并在此基礎上，進一步采用粉末冶金分層填鋪法制備梯度結構Ti(C,N)基金屬陶瓷，研究了成分及梯度結構設計對梯度結構Ti(C,N)基金屬陶瓷顯微組織和力學性能的影響。
　　 本文首先對Ti(C,N)基金屬陶瓷的發(fā)展概況、性能特點及Ti(C,N)基金屬陶瓷強韌化研究的現(xiàn)狀進行了綜述，并在

3、此基礎上提出了本文的研究目的、意義及技術路線。
　　 本文研究了SBP、GBY和PVA三種成型劑對TiC-TiN-20％Ni-Mo-WC-Cr3C2-C系金屬陶瓷的力學性能的影響。研究結果表明，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象，研究了微米級和亞微米級WC對Ti(C,N)基金屬陶瓷力學性能和顯微組織的影響。研究結

4、果表明，與添加微米級WC的Ti(C,N)基金屬陶瓷相比，添加亞微米級WC的金屬陶瓷的抗彎強度偏高而硬度偏低，當燒結溫度1450℃時，添加亞微米級WC的金屬陶瓷的抗彎強度達到1890MPa，硬度91.1HRA。同時，在添加亞微米級WC的試樣中出現(xiàn)了較多的“白芯-灰環(huán)”結構顆粒，且其硬質相顆粒粒徑明顯細化。能譜分析表明，白色芯相具有與環(huán)形相類似的化學組成，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，其顯微組織結構中存在三種形貌：黑芯-灰環(huán)結構、白芯-灰環(huán)結構及黑芯-白環(huán)結構。隨著WC含量的增加，內環(huán)形相的厚度增加。當WC含量在0～10％時，隨著WC含量的增加，黑色芯相的顆粒尺寸減?。划擶C含量繼續(xù)增加時，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。力學性能測試表明，隨著WC含量的增加，抗彎強度增加，且相對密度也逐漸增加，但硬度呈下降趨勢。當WC含量為10％時，Ti(C0.5N0.5)-WC-Ni-Mo2C系金屬陶瓷具有最優(yōu)的綜合力學性能，抗彎強度為1987MPa，硬度為91.2HRA。
　　 對(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)”結構，主要有黑芯-灰環(huán)、白芯-灰環(huán)和灰芯-黑環(huán)結構。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)”結構的顆粒數(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相的穿

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

9、下降趨勢。研究發(fā)現(xiàn)，當微米級SiC晶須添加量超過1.6％時出現(xiàn)了MoSi2峰，表明添加的SiC與Mo發(fā)生了反應，MoSi2脆性相的出現(xiàn)及Mo的消耗和相對密度的下降導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)”結構，主要有黑色的芯相、白色的內環(huán)形相和灰色的外環(huán)形相組成，但在添加微米級SiC晶須的Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織形貌中還出現(xiàn)了呈細長條狀的黑色相，且在其斷口中發(fā)現(xiàn)

10、經真空燒結后殘留下來的SiC晶須的長度明顯低于原始加入微米級SiC晶須。SiC晶須在Ti(C,N)基金屬陶瓷中的增強機理主要表現(xiàn)為晶須拔出和裂紋偏轉。
　　 采用粉末冶金分層填鋪法制備了梯度結構Ti(C,N)基金屬陶瓷。力學性能測試表明，具有5層對稱梯度結構的試樣的力學性能明顯優(yōu)于3層非對稱梯度的試樣。且具有相同粘結相含量的梯度結構的金屬陶瓷的力學性能要優(yōu)于各層粘結相和硬質相含量均不同的梯度結構的金屬陶瓷。制備出的具有相同粘結相