Ti（C，N）基金属陶瓷增强技术及其组织和性能研究

【摘要】：Ti(C,N)基金属陶瓷材料具有较高的红硬性、耐磨性以及较好的抗氧化能力,是用来制作高速高效切削刀具的理想候选材料。但由于其强韧性不足,制约了Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷材料的推广应用。因此,开展对Ti(C,N)-Ni基金属陶瓷材料的强韧化研究,有着极为重要的意义。本文在课题组前期工作的基础上,采用X射线衍射仪(XRD)、金相显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)和抗弯强度测试仪、洛氏硬度计和显微硬度计等分析测试手段研究了成型剂种类、WC颗粒粒径、Ti(C0.5N0.5)及(Ti,W)C固溶体和SiC晶须添加对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。并在此基础上,进一步采用粉末冶金分层填铺法制备梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷,研究了成分及梯度结构设计对梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。 本文首先对Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概况、性能特点及Ti(C,N)基金属陶瓷强韧化研究的现状进行了综述,并在此基础上提出了本文的研究目的、意义及技术路线。 本文研究了SBP、GBY和PVA三种成型剂对TiC-TiN-20%Ni-Mo-WC-Cr3C2-C系金属陶瓷的力学性能的影响。研究结果表明,添加SBP成型剂的金属陶瓷性能最好,GBY次之,PVA最差。 以TiC-TiN-20%Ni-Mo-WC-Cr3C2-C系金属陶瓷为研究对象,研究了微米级和亚微米级WC对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能和显微组织的影响。研究结果表明,与添加微米级WC的Ti(C,N)基金属陶瓷相比,添加亚微米级WC的金属陶瓷的抗弯强度偏高而硬度偏低,当烧结温度1450℃时,添加亚微米级WC的金属陶瓷的抗弯强度达到1890MPa,硬度91.1HRA。同时,在添加亚微米级WC的试样中出现了较多的“白芯-灰环”结构颗粒,且其硬质相颗粒粒径明显细化。能谱分析表明,白色芯相具有与环形相类似的化学组成,但W、Mo含量较高。断口分析表明断裂模式主要为沿晶断裂和穿晶断裂。 对Ti(C0.5N0.5)-WC(sub-micron)-Ni-Mo系金属陶瓷研究表明,其显微组织结构中存在三种形貌：黑芯-灰环结构、白芯-灰环结构及黑芯-白环结构。随着WC含量的增加,内环形相的厚度增加。当WC含量在0-10%时,随着WC含量的增加,黑色芯相的颗粒尺寸减小；当WC含量继续增加时,黑色芯相的颗粒尺寸趋向变大。EDS分析表明,随着WC含量的增加,环形相和粘结相中W元素含量也逐渐增加,而Ti元素含量却逐渐减小,Mo元素含量变化不明显。断口分析表明,其断裂模式主要是沿晶断裂和穿晶断裂。随着WC添加量的增加,穿晶断裂减少,沿晶断裂开始增多,且气孔也逐渐减少。力学性能测试表明,随着WC含量的增加,抗弯强度增加,且相对密度也逐渐增加,但硬度呈下降趋势。当WC含量为10%时,Ti(C0.5N0.5)-WC-Ni-Mo2C系金属陶瓷具有最优的综合力学性能,抗弯强度为1987MPa,硬度为91.2HRA。 对(Ti,W)C-Ti(Co.5N0.5)-Ni-Mo-C系金属陶瓷的研究表明,1445℃真空烧结后金属陶瓷的物相组成为Ti(C,N)固溶体和Ni。添加了(Ti,W)C固溶体的金属陶瓷的显微组织形貌均呈现出“芯-环”结构,主要有黑芯-灰环、白芯-灰环和灰芯-黑环结构。随着(Ti,W)C固溶体含量的增加,其显微组织形貌中具有“白芯-灰环”结构的颗粒数量增加。能谱分析表明,白色芯相为未溶解的(Ti,W)C固溶体。灰色芯相具有与环形相相同的元素组成,但W含量较低。其断裂模式主要为大颗粒硬质相的穿晶断裂和小颗粒硬质相的沿晶断裂。力学性能测试表明,随着(Ti,W)C固溶体含量的增加,抗弯强度和硬度均呈先增大后下降趋势,当(Ti,W)C固溶体含量为36%时,具有最佳的力学性能,抗弯强度为1927MPa,硬度91.9HRA。 SiC晶须增强Ti(C,N)基金属陶瓷的研究结果表明,当微米级SiC晶须的添加量为1%时,抗弯强度和断裂韧性达到最高,分别为1905MPa和9.5MPa.m1/2,随着晶须添加量的增加,其力学性能呈下降趋势。研究发现,当微米级SiC晶须添加量超过1.6%时出现了MoSi2峰,表明添加的SiC与Mo发生了反应,MoSi2脆性相的出现及Mo的消耗和相对密度的下降导致了其性能的显著降低。在添加两种SiC晶须的Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织中呈现出了较完整的“芯-环”结构,主要有黑色的芯相、白色的内环形相和灰色的外环形相组成,但在添加微米级SiC晶须的Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织形貌中还出现了呈细长条状的黑色相,且在其断口中发现经真空烧结后残留下来的SiC晶须的长度明显低于原始加入微米级SiC晶须。SiC晶须在Ti(C,N)基金属陶瓷中的增强机理主要表现为晶须拔出和裂纹偏转。 采用粉末冶金分层填铺法制备了梯度结构Ti(C,N)基金属陶瓷。力学性能测试表明,具有5层对称梯度结构的试样的力学性能明显优于3层非对称梯度的试样。且具有相同粘结相含量的梯度结构的金属陶瓷的力学性能要优于各层粘结相和硬质相含量均不同的梯度结构的金属陶瓷。制备出的具有相同粘结相含量的5层对称梯度结构的金属陶瓷的抗弯强度为2025MPa,表面硬度91.5HRA。在具有相同粘结相含量的5层对称梯度结构的Ti(C,N)基金属陶瓷中,由外至内,黑色的硬质芯相颗粒粒径及数量呈逐渐减小趋势,环形相厚度呈逐步增大的趋势。且在最外层／次外层及次外层/中间层处,大颗粒的穿晶断裂形成的局部平整断口由外层向内层呈减少趋势。而在中间层中出现了发达的撕裂棱,且断口表面呈现出高低起伏状,出现较多的小颗粒硬质相的沿晶断裂。