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细晶粒Ti(C,N)基金属陶瓷组织与性能研究

章晓波  
【摘要】: 本文采用粉末冶金方法制备了不同成分及粒度的Ti(C,N)基金属陶瓷。研究了化学成分、粉末粒度及渗硼处理对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。并研究了纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷的抗热震性能和切削性能。 首先,介绍了Ti(C,N)基金属陶瓷的发展过程、制备方法、显微组织、力学性能、抗热震性能及切削性能。重点概述了金属陶瓷的制备方法,包括陶瓷相粉末的制备方法、成形方法、烧结方法等,并对比了各种方法的优缺点。总结了Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织和力学性能的表征方法以及影响因素,同时指出了化学成分、制备工艺、粉末粒度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的具体影响。分析了Ti(C,N)基金属陶瓷的应用前景及本文的研究目的和意义。 其次,对不同Mo含量的超细Ti(C,N)基金属陶瓷组织和力学性能进行了研究。研究发现Mo以固溶体(Ti,Mo,W)(C,N)的形式存在于Ti(C,N)基金属陶瓷中,该固溶体与Ti(C,N)的晶体结构相同、点阵常数相近;Mo的加入可细化晶粒、提高材料的相对密度、抗弯强度和硬度,固溶强化和细晶强化为主要强化机制。研究了ZrC含量对TiC基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。由于金属相对陶瓷相ZrC的润湿性不理想,导致材料相对密度下降;随着ZrC含量的不断增加,在TiC基金属陶瓷中逐渐形成富Zr的碳化物固溶体,并且显微组织细化,材料的强度与硬度有不同程度的降低,但是对完全致密材料的理论抗弯强度的计算结果表明,ZrC的加入量在一定范围内可大大提高材料的强度。随着Mo、WC的相继加入,发现材料成分为10%TiC-40%ZrC-14%Mo-15%WC-20%Ni-1%C的金属陶瓷显微组织由白色和灰色球状晶粒组成,同时存在相当数量的微孔洞和微裂纹。由于无芯晶粒增韧、微裂纹增韧和微孔洞增韧的作用,该试样的断裂韧性高达16.6 MPa·m~(1/2),比未加ZrC的金属陶瓷断裂韧性高出51%。此外,还研究了Zr对Ti(C,N)基金属陶瓷组织和断裂韧性的影响。结果表明Zr的加入使组织中无芯晶粒增多,晶粒细化,由于无芯晶粒增韧、裂纹偏转和分叉增韧等机制改善了Ti(C,N)基金属陶瓷的断裂韧性。 再次,研究了不同金属相(20%Ni、10%Co-10%Ni、20%Co)对纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织、力学性能和抗热震性能的影响。发现纳米TiN的加入可明显改善金属陶瓷的力学性能,纳米改性的金属陶瓷中出现新的组织结构——灰芯结构,金属相Co有利于提高Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度,而金属相Ni能提供更高的抗弯强度和断裂韧性。采用急冷-强度法、压痕-急冷法以及对试样端部预制缺口法分别测试了纳米TiN改性Ti(C,N)基金属陶瓷的抗热震性能。三种不同测试方法均表明,在三组不同金属相的试样中,相对于金属相为20%Co的金属陶瓷而言,金属相为10%Co-10%Ni的抗热震性能较好,20%Ni的抗热震性能最好。金属陶瓷的抗热震性能与材料的强度及断裂韧性密切相关,强度及韧性越高,抗热震性能越好。并且试验结果和理论计算吻合得很好。此外,纳米TiN改性的Ti(C,N)基金属陶瓷经过热震后,即便抗弯强度急剧降低,其硬度衰减率仍不到1%,表明材料的硬度受热震影响很小。 最后,对纳米改性Ti(C,N)基金属陶瓷进行了表面渗硼处理。结果表明,渗硼处理后金属陶瓷表面组织中生成了一系列硼化物,其表面显微硬度明显升高。并且对比了渗硼前后Ti(C,N)基金属陶瓷刀具在不同速度下的切削性能,结果表明在相对较低的切削速度下,渗硼处理后的Ti(C,N)基金属陶瓷刀具的使用寿命要比未经渗硼处理的刀具寿命长。


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