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物理冶金因素对Ti(C,N)基金属陶瓷组织、磁学和力学性能的影响

张曼  
【摘要】:随着工业和科技的迅速发展,对高性能无磁材料的需求日益增加。Ti(C,N)基金属陶瓷具有好的耐磨性和耐蚀性,且稀缺战略资源含量少,生产成本低,如果能具有室温无磁性,则是制作无磁工模具、无磁耐磨零部件的理想材料。为此,本文采用粉末冶金法制备了系列Ti(C,N)基金属陶瓷,系统研究了Mo、Mo2C、WC、Cr3C2、纳米TiC、VC、Cr、石墨(C)添加对TiC–10TiN–15/30Ni(mol%)金属陶瓷显微组织、磁学和力学性能的影响。主要结论如下:Mo添加对TiC–10TiN–30Ni、TiC–10TiN–4C–30Ni和TiC–10TiN–4C–15Ni金属陶瓷铁磁性具有好的抑制效果,金属陶瓷的室温饱和磁化强度Ms、剩磁Mr和起始磁化率χini随着Mo含量的增加而下降,当Mo含量为8mol%时,这些金属陶瓷室温均呈无磁性,其中前两种金属陶瓷的居里温度Tc分别为115K和194K。Mo2C添加对TiC–10TiN–30Ni金属陶瓷室温Ms、Mr和χini的影响规律与Mo添加相似,6mol%Mo2C添加可使其室温呈无磁性。WC添加对TiC–10TiN–30Ni、TiC–10TiN–4C–15/30Ni金属陶瓷铁磁性的抑制效果较弱,不能使其室温转变为无磁性。对于TiC–10TiN–6WC–4C–15/30Ni金属陶瓷,进一步添加Cr3C2,室温Ms、Mr和χini均随着Cr3C2含量的增加而下降,1.5mol%Cr3C2添加可使其室温转变为无磁性。对于TiC–10TiN–6WC–4C–30Ni金属陶瓷,将TiC粉末进行微米/纳米复合,可降低其室温Ms、Mr和χini,当纳米TiC粉末含量超过一定值时,其室温转变为无磁性,含7.5和10.0mol%纳米TiC的金属陶瓷的Tc分别降至210K和78K。C添加使TiC–10TiN–6Mo–15/30Ni金属陶瓷的磁性变强,当C含量超过2mol%时,其室温呈铁磁性。添加WC、Cr或VC使室温无磁性TiC–10TiN–6Mo–30Ni金属陶瓷磁性减弱,当WC、Cr或VC含量为0mol%时,Tc为250K;WC或Cr含量为6mol%时,Tc低于10K;VC含量为1mol%时,Tc为117K。除Cr组元含量高时外,实验金属陶瓷的Ti(C,N)陶瓷颗粒中基本不含铁磁性元素Ni,因此,金属陶瓷的磁性,尤其是内禀Ms、Tc,主要由其Ni基粘结相的成分和晶体结构决定。通过热力学计算和实验研究了Ni基粘结相中各溶质元素的溶解行为。实验金属陶瓷的磁性随Ni基粘结相中非磁性溶质元素Ti、Mo、W、Cr、V含量的增加而减弱,当粘结相中固溶的非磁性溶质元素总含量超过了粘结相室温转变为无磁性所需的临界值时,金属陶瓷室温转变为无磁性,此现象与二元Ni基固溶体合金随溶质元素含量的变化规律一致。根据能带理论,当Ti、Mo、W等原子固溶到Ni中时,它们的价电子部分转移到Ni原子自旋向下能带中,使Ni原子间的磁交换相互作用减弱,降低了磁矩,从而抑制了Ni基体的铁磁性。采用纳米TiC粉末替代部分微米TiC粉末,能提高Ti元素在粘结相中的固溶量,减弱金属陶瓷的磁性。C添加会减少Ti、Mo元素在粘结相中的固溶量,反而使金属陶瓷的磁性增强。添加适量Mo、Mo2C、WC可提高金属陶瓷的抗弯强度,这应与Ti(C,N)陶瓷颗粒变细实现细化增强、粘结相中溶质元素含量增加使其固溶强化效果增强有关。少量Cr3C2的添加可以细化陶瓷颗粒,并有利于提高金属陶瓷的抗弯强度和硬度。采用纳米TiC粉末替代少部分微米TiC粉末,可提高金属陶瓷的抗弯强度,这主要归因于陶瓷颗粒细化和粘结相中溶质元素含量增加。C含量低时,陶瓷颗粒分布均匀、环形相厚度适中,金属陶瓷具有较高的抗弯强度。多元合金化可以制备出力学性能优异的室温无磁金属陶瓷,例如,TiC–10TiN–6Mo–30Ni–1VC金属陶瓷的Tc为117K,抗弯强度达2673MPa,硬度达88.9HRA。


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