超细晶粒Ti（C，N）基金属陶瓷的研究

【摘要】：借助于热分析(DSC)、X-ray 衍射分析(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显 微镜(TEM)、选区电子衍射分析(SED)、O/N 测定仪、重力/离心沉降粒度测定仪等分析 和测试手段,系统地研究了超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的制备及相关问题。 文章论述了 Ti(C,N)基金属陶瓷的研究进展和发展趋势,讨论了晶粒细化对 Ti(C,N) 基金属陶瓷带来的在组织结构和机械性能上的影响。全文以超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的 制备为主线。研究结果如下: 通过高能行星球磨的物理方法制备了满足实验需要的粒径均匀分布的超细 TiC、 TiN 粉末;并对制备粉末的质量进行了比较和评价。 研究了超细硬质相 Ti(C,N)基金属陶瓷的压制特性。研究表明:石蜡润滑剂能改善 粉末与模壁之间的外摩擦力。混料粉末中大的粘结相份额并不能提高压坯的相对压制 密度,但有利于改善压坯密度分布的均匀性。压制力大小对压坯密度和烧结体的变形 和开裂有很大的影响。 研究认为,烧结时的升温速度对烧结体开裂和机械性能也有很大的影响。不大于 3 ℃min-1的升温速率工艺才能适合于超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的制备。 探讨了超细和纳米硬质相粉末在水溶液和无水乙醇中的分散行为以及表面活性剂 对分散的影响。据此研究结果可为不同种类粉末选择合理的分散介质和介质环境以及 表面活性剂。 系统地研究了粗晶、亚微米、超细硬质相三种粒径对 Ti(C,N)基金属陶瓷的烧结特 性、组织特征和机械性能的影响,清晰地展现了以上各方面的演化过程。研究表明: 原料硬质相粒径对收缩率、密度、组织均匀性、晶粒结构特征和机械性能有着重要的 影响。超细 Ti(C,N)基金属陶瓷具有最好的致密性、组织均匀性和机械性能。 探讨了高氧含量超细 Ti(C,N)基金属的脱氧和固相烧结工艺,并基本克服了高氧杂 质对材料的组织和性能的影响,制备出了性能优良的超细晶粒结构的 Ti(C,N)基金属陶 瓷,如硬度能达到 HRA93.9 的水平,控制陶瓷中 N 含量可获得 2330MPa 的 TRS。制 备的超细 Ti(C,N)基金属的平均晶粒尺寸在 0.30μm 左右,显微组织均匀。研究也发现 超细 Ti(C,N)基金属陶瓷在真空烧结环境下存在着严重的脱氮趋向。 类比于超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的制备过程,探讨了纳米硬质相 Ti(C,N)基金属陶瓷 的可烧结性。结果表明,纳米硬质相 Ti(C,N)基金属陶瓷的可烧结性非常低劣,机械性 能也非常低下。 I WP=4 研究了化学成份 C、N、Mo2C 和 TaC 等化学成份对超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的组 织和性能的影响。研究表明: C/N 比对超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的晶粒尺寸有很大的 影响和应用意义。高的C/N比促进晶粒长大;反之,抑制晶粒长大。在C含量小于2.4wt.% 时,组织中有 ξ 相生成;在 C 量为 2.4—5.5wt.%的范围内,黑芯相逐渐向白芯相转变; C 含量大于 5.5wt.%,开始有石墨相的形成。N 的含量对超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的致 密性和性能有着重要的影响。高的 N 量会增加烧结体的孔隙率。 Mo2C 对超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的晶粒长大有显著的抑制作用。TaC 对超细 Ti(C,N) 基金属陶瓷的组织和性能有非常重要的影响。在研究的 Mo2C 和 TaC 共存的体系中, 晶粒的抵制作用主要是由 Mo2C 充当;并且随 TaC 量的增加,晶粒尺寸增加。过量的 TaC 不能完全溶解而有部分残余。TaC 对超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的 TRS 有非常显著的 增强。 尝试将放电等离子体烧结工艺应用于超细 Ti(C,N)基金属陶瓷的制备,并系统地研 究了烧结过程的致密化过程、相变特点和组织特征。研究结果表明, 超细 Ti(C,N)基 金属陶瓷的放电等离子体烧结特性与真空烧结特性存在差异。它降低液相出现温度, 加快相变速率,降低一些相的结束温度;但烧结试样的致密度差。短时间的烧结工艺 不能完全脱除粉末中的氧。在烧结过程中出现了非常严重的脱氮现象。高温烧结还有 石墨相的形成。 用放电等离子体烧结工艺烧结含有 VC 添加剂的超细 Ti(C,N)基金属陶瓷,发现 VC 对金属陶瓷烧结性有恶化作用,增加烧结体的孔隙率;同时发现 VC 对 Ti(C,N)基金属 陶瓷的晶粒长大有非常强的抑制作用。