（材料学专业论文）高强韧性ticn基金属陶瓷制备技术的研究.pdf

。j_， * 吃； 。# j ， 仃o n a u t i c s t l i l 0 1 0 9 y r e s e a r c h0 nt h em a n u f a c t u r i n g t e c h n i q u eo f t i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e t s w i t hh i g h s t r e n g t h a n d t 0 u g h n e s s a t h e s i si n m a t e 订a ls c i e n c e b y z h a 0y o n 9 1 e a d v i s e db y p r o z h e n gy _ o n g s u b n l i t t e di np a 】r t i a lf u l f i l l m e n t o fm er e q v i r e m e n t s 、 f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e 嘶n g j a n u 姒2 0 1 0 n ， t 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：丝查丞 日 期：! f 2 ：呈：羔旦 苛旁 本文采用真空烧结法制备了t i ( c 期基金属陶瓷，系统地研究了t i ( c 舯基金属陶瓷的成分、 烧结工艺、组织结构和力学性能等之间的关系。 本文首先综述了t i ( c 姗基金属陶瓷的发展概况和研究进展，总结了t i ( c n ) 基金属陶瓷的 制备技术、成分及添加剂对t i ( c 娜基金属陶瓷组织和性能的影响：概述了s i c 晶须和c 1 q t 增 韧技术的研究进展和发展趋势，并在此基础上提出了本文的目的和意义。 首先研究了保温时间对n i 和n i c o 两种粘结相体系的t i ( c n ) 基金属陶瓷显微组织和力学 性能的影响。结果表明：在不同保温时间下，溶解析出程度不同，从而影响环形相的结构和厚 度，进而影响金属陶瓷的力学性能。对于上述两种成分体系，当烧结温度分别为1 4 5 0 和1 4 l o 时，保温时间为6 0 m i i l ，金属陶瓷的显微组织和力学性能较佳。 研究了不同n i 含量及c o 烈i + c 0 ) 比例对t i ( c 舯基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响。 实验结果表明：随着n i 含量的降低，硬质相颗粒变得粗大，抗弯强度和断裂韧性逐渐降低，而 硬度逐渐增大。采用c o 部分替代n i 时，由于固相烧结阶段t i c 在c o 中的溶解度比在n i 中高， 使硬质相颗粒细化。随着c o 烈i 卜c o ) 比例的提高，环形相体积分数增加，但是粘结相对硬质相 的润湿性下降，导致硬质颗粒团聚现象严重。当c o 甜i + c o ) 比为0 2 时，材料的抗弯强度较高， 断裂韧性相对于仅含n i 的金属陶瓷略有下降。 研究了不同晶粒长大抑制剂c r 3 c 2 、t a c 和n b c 对t i ( c l 叼基金属陶瓷显微组织和力学性 能的影响。晶粒抑制剂的加入，使粘结相中固溶的合金元素含量增加，环形相厚度变薄。当c r 3 c 2 、 1 a c 、n b c 添加量分别为o 6 州、5 训= 、3 训：时，晶粒长大抑制效果最佳，且环形相仍然保 持完整。随着晶粒抑制剂添加量的继续增加，粘结相对硬质相颗粒的润湿性下降明显，导致材 料的抗弯强度降低。 研究了不同s i c 晶须和碳纳米管( c ! n 1 ) 添加量对t i ( c n ) 基金属陶瓷显微组织和力学性能的 影响。结果表明：s i c 晶须添加量为1 o 训= 时，可使晶粒细化，显著提高金属陶瓷的强韧性， 强度和断裂韧性达到最大值分别为2 2 7 9 m p a 、1 7 7 m p a m 坦，比金属陶瓷基体分别提高了2 4 、 2 9 ：s i c 晶须增韧金属陶瓷的机理主要是裂纹偏转、晶须的拔出及晶须的桥联增韧。随着q 盯 添加量的增加，粘结相中固溶的w 、m o 、t i 元素含量降低，粘结相的韧性增加。当c n t 添加 量为o 5 训= 时，可获得最佳的强韧性；c n t 对金属陶瓷的增韧主要是通过c n t 的拔出机制。 由于s i c 晶须和c n t 不易分散，且液相对其润湿性较差，加入量过多时会导致材料孔隙度增加， 力学性能急剧降低。 关键词：t i ( c n ) 基金属陶瓷，保温时间，晶粒长大抑制剂，增韧，显微组织，力学性能 i 高强韧性t i ( c 舯基金属陶瓷制备技术的研究 a b s t r a c t h 1 吐l i sm e s i s ，t i ( c ，n ) b 弱e dc 锄怊w e r ep r 印a r e db yv a c u 姗s i n t e i i n g 。t h e 他l a t i 咄脚锄o n g c o m p o s i t i o n ，i i l 暑哪f a c 缸证gp r i ) c e s s ，m i c s 仃u c t u r e 觚dn 脱h a l l i c a lp r o p e n i e so ft ：i ( c n ) - b 弱e d 加t sh 强b e e ns y s t e m a t i c a l l yi n 、，e s t i g a 钯d h l 圮f i 璐tp a r to f 圯a 地s i s ，吐圮d e v e l 叩珊m t 锄dp m s e n tr e 砌ls i h l a t i o no ft i ( c 如- b 笛e d c e 加舱t si 娜eb e e nc t i c a l l yo v e i e w e d ，w t l i c hi n c l u d e st l l ei i l f l u e i l c eo fc o m p o s i t i o i l a d d i 缸v e ， m 锄h c 谢n gp r o c e s so nt l l ei l l i c r o s t r i 蛇t u r e sa i l dm e c h a n i c a lp f o p e n i e so ft i ( c j 叼- b 勰e dc e r m e t s t h cd e v e l o p m e n t a lo f l et o u g h e n i n gt e c h n o l o g ) ，b yl l s i i l gs i cw h i s k e fa n dc a i b o n 瑚舯舢e s ( c n l ) h 鼬a l s ob e e ns u m l i 硷r i z e d ，b 雒e do na b o v ew 耐i ( ，t h ep u r p o s e 锄ds i g n i f i c 锄c eo ft l l ed i s s e r t a t i o n h a v e b e e np o i n t e do u t 硼1 ei i 】- f l u e n c eo ft h es 0 a l 【i n g 劬e 帆t h ei l l i c r o s 咖c t t l r c s 孤dm e c h a i l i c a lp r o p e r t i e s0 f t i ( c 姗- b a s e dc 涨t sw i mn i 眦dn i c o 猫n 圮b i i l d 盯h 嬲b e s t u d i e dr c s p e c t i v e l y 1 1 l e c o n c l u s i o l 塔w e r eo b t a i 鹏d 嬲f o l l o w s ：t h ed c g r e eo ft l l ed i s s o l u t i o n 锄dp r e c i p i 伽o nw 雒d i 珏音r e n t w i md i f 妇n ts o a k i n gt i m e ，w l l i c ha a e c t e d 也es 打u c t u r e 觚d l i c k 鹏s so ft t 伦r i mp h 勰e ，a n d 如m 盯 砌u e n c e d 舭眦c h 砌c a lp r o p e n i e s w h e nm es i 删n gt c 呷e 融麟w 佻1 4 5 0 觚d1 4 1 0 托s p e c t i v e l yf o rt h et 、o s y s t e m sm e n t i o n c da ：b o v e ，t l l es u i t a b l es o a l 【i n gt i m ew 舔6 0 m m ，w h i c h c o u l d i e s u hi nn l ec 涨t sw i m9 0 0 di i l i c r o s 劬c 嘶s 柚dl l i g i lm e c h a i l i c a lp r o p e r t i e s n 圮e 妇f c c t so fo fn ia n dc 刚i + c 0 ) a d d i t i o n so nt 1 1 el i l i c r o s 咖c t u 碥a n dm e c l l a m c a lp r o p e n i e s o fc e 眦t sh a v eb ns t u d i e d 1 k 他跚l t ss h 0 、c dt h a “h eg r a i l ls i z e ：o fm el l a r dp h 嬲e 讥淝a s e d 埘n l d e c 嬲i n gn ia d d i t i o i l ，、) l 缸c h 鳓l t e di nt l 圮r e d u c t i o no f 塔a n d 缸t i 鹏t o u g h n e s s - a n dt | 圮 i n c r e 硒eo fh 砌n e s s 、h 锄ap a r to fn i 、糯r 印l e db yc o ，也e 鲥ns i z eo fm eh 砌p h 撇 d e c r e 舔e d ，w l l i c h 托s u l t e d 丘o mt l l eh i 曲e rs o l u b i l i t yo ft i ci l lc o 吐l a ni i ln id l l r i i 唱s 0 1 i d - p h 鹪e s _ i 1 1 t e 渤gs t a g e 缸m ep r o p 硎弧o fc 州h o ) 妣r e 弱e d ，v o l u 腓丘a c t i o no fm er i mp h 糯 i i l c r e 硒e d h o w e v e r t h cw e 比出i l i t ) ，o fm e t a ll i q u i dp t 啪et 0h a r d 伊a i 璐d c c 聆雏e d ，、7 l ，：i l i c h 聆s u l t e di i l m ea 9 9 1 0 m e r a t i o ft 1 1 e 鲥n s w h e n l ep r 叩o r t i o no fc o 斜i + c o ) w 鹪o 2 ，m et r a n s v e r s en l p t u 把 s 仃t m g 吐lo f 也ec e m i e tw 舔i i l c 骶e da n dm e 触c t l l r et o u g h n e s sw 舔础ds l i g h t l y t h eh m u e n c eo fg r a i l ig r o w mi n m i t 0 璐c r 3 c 2 ，t a c 孤d co n 圮r i l i c r o s t r u 咖托sa n d m e c h a i l i c a lp r o p e r t i e so ft i ( c n ) b 猫e dc e m 圮t sh 弱b e 锄s t i l d i e d 1 kc o n c l 惦i sw e 托0 b t a i l l e d 勰 f o l l o 、s ：w i t l lt h ea d d i t i o fg r a i l l 孕o w 吐li i l l l i b i t o 培，也ec o n t e n to ft h ea 1 1 0 ) ，i i 培e 1 锄e md i s s o l v e di i l m eb i i l d e ri n c 陀a s e d 舭l d 廿l et h i c k n e s so ft h er hp h 雒eb e c a m et 1 1 i n n e r w h e nt h e 锄o m l to fc r 3 c 2 ， i i 南京航空航天大学硕士学位论文吲从肌芏肌兀人子耿工子性瞄义 t 2 l ca 1 1 d n b cw e 0 6 训、5 叭锄d3 州r e s p e c t i v c l y ，t h ec 咖e t sl l a dm es m a l l e s t 鲥ns i z e a s m ea d d i t i o no f 莎a i l l 缪o 、眺i l l l l i b i t o 璐f i l m l 盯i i l c r e 鹪e d ，t h ew e 仕a b i l i 够o f l eb i i l d e rt o 位l m d p h 弱e d e c 心蕊e d 删mw t l i c hr e s u l t e di nm e r e d u c t i o no f t h e 缸孤塔v e ! r s en l p t u 他s t r e n g 吐1 1 ke 脏c t so fs i cw h i 幽【盯粕dc n r i c o n t e n t 叽m em i c r o s 仃u c t 眦s 锄d 腓c h a i l i c a lp r o p 硎鹤o f t i ( c 孵b a s e dc 锄e t sh a v eb e 铋咖d i e ds 蜊加1 a l i c a l l y 1 kc o n c l u s i o 璐w e 他o b t a i n e d 勰f o l l o w s ： w l l e n m e a 删0 n o f s i c 砌s k e r 硼1 o 、碱，m e 舯i i ls i z ed e c r e 鹊e d ，w h i c h r e 驰l t e d 妯m eo b 、，i o 璐 i i l c 他罄eo fn 塔锄d 觚t l 鹏t o u g l l i l e s s c 伽 1 p 锄i i 培、j l r i n ln 圮c e 鹏t sw i t l ln ow 1 ：l i s k e ra d d i t i o n ，也e 缸盈n s r v e r n l p t i l 化s t 陀n g t l la n d l e 触c t i l t o u g t l i l e s so f t l l ec e 棚舱t sw e 砖2 2 7 9 m p a 锄d 1 7 办压p a m 忱，植c hi n c r e 雒e db y2 4 a n d2 9 他s p e c t i v e l y 1 kt o u g h 饥i i l gn l e c h a n i s 麟w e c h a m c t e i i z e db yc r a c kd e n c c t i o l l 讲l i s k e rb r i d 西n ga n dw l l i s k c rp u l l i i l g 一0 u t 1 1 圮c o n t i o n to fn 坞 d i 鼹o l v e dw 、m oa 1 1 dt ie l e m e n ti l l 廿l eb i n d e rd c c 咒弱e d ，a 1 1 dn l et o u g h m s so fm eb i i l d c ri 雠弱e d 埘t l li 仳r e 勰i n gc n ta d d i t i 0 船w h 饥圮撇啪to fc n tw 舔o 5 训，吐圮c e 咖e t sh a dt l 他l l i g h e s t 仃缸围，c 俗en l p t i l r es 仃e n g t l la n d 丘a c t i l r et o u g h n e s s t h et o u 曲e n i i 唱m e c h 枷s m s 、e r ed l a r t e r i 聆db y c n t p u l l i i l g - 0 u t 缸m cs i cw h i s k e ra n dc n t w 讹d i 伍c u l tt 0b ed i s p e r s e dh o m o g 饥e 0 隅l y ，锄dt h c w e n a b i m yb e 觚i 肌m eb i n d e ra n ds i cw t l i s k 栅w 勰p o o r ，m cp o r o s 时o fm ec 钮n e t si n c r e 舔e d w i me x c e s s i v ea d d i d o n s ，w h i c hr e s u l t e di i lm es h a 叩r e d i l c t i o no fm e c h a 血c a lp r o l e n i k e y w o r d s ：t i ( c 舯- b 雏e dc e 衄e t s ，s o a l c i n gt i m e ，鲥ng r 0 他i f l i l i b i t o r t 伽g h e r l i n g ， n l i c r o s t r i l c 咖，m e c 枷c a lp r o p e n ) ， i i i 高强韧性t i ( c j 叼基金属陶瓷制备技术的研究 i v 目录 第一章绪论1 1 1 弓l 言1 1 2t i ( c 舯基金属陶瓷的发展概况。l 1 3t i ( c 舯基金属陶瓷制备技术的发展概况。3 1 3 1 混料方法。3 1 3 2 成型方法3 1 3 3 烧结。4 1 4t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的合金化5 1 4 1c 、n 的作用及其对金属陶瓷性能的影响5 1 4 2n i 、c o 的作用5 1 4 3 金属陶瓷中的m o 或m 0 2 c 6 1 4 4 其它添加物的作用6 1 5s i c 晶须增韧技术的研究进展7 1 5 1s i c 晶须的特性及其发展7 1 5 2s i c 晶须的增韧机理研究9 1 5 3 影响晶须增韧复合材料力学性能的主要因素1 1 1 6 碳纳米管的研究进展1 2 1 6 1 碳纳米管的特性1 2 1 6 2 碳纳米管的应用1 3 1 7 本课题的研究意义、内容和技术路线1 3 1 7 1 本课题的研究意义、内容1 3 1 7 2 技术路线。1 5 第二章试验方法1 6 2 1 引言1 6 2 2 试验用粉末的原始条件1 6 2 3t i ( c n ) 基金属陶瓷的成分设计1 7 2 4t i ( c 娜基金属陶瓷的制备工艺过程1 8 2 5 分析与检测1 8 第三章保温时间对金属陶瓷组织和性能的影响2 l v 高强韧性t i ( c 姗基金属陶瓷制备技术的研究 3 1 引言2 1 3 2 试验方法2 l 3 3 保温时间对t i | ，c 娜- n i 基金属陶瓷组织和性能的影响2 l 3 3 1 保温时间对t i ( c ，n ) 0 岍基金属陶瓷显微组织的影响2 l 3 3 2 保温时间对t i ( c 姗- n i 基金属陶瓷力学性能的影响2 2 3 4 保温时间对t i ( c 朋矗岍c o 基金属陶瓷组织和性能的影响2 3 3 4 1 保温时间对t i ( c 舯n i c o 基金属陶瓷显微组织的影响2 3 3 4 2 保温时间对t i ( c 舯- n i c o 基金属陶瓷力学性能的影响2 4 3 5 本章小结“ 第四章n i 、c o 含量对金属陶瓷组织和性能的影响2 5 4 1 引言2 5 4 2 试验方法2 5 4 3n i 含量对金属陶瓷组织和性能的影响2 5 4 3 1n i 含量对显微组织的影响2 5 4 3 2n i 含量对力学性能的影响2 7 4 3 3 断口形貌分析2 8 4 4 不同c 0 | i + c 0 ) 比例对t i ( c ，l d 基金属陶瓷组织和性能的影响3 0 4 4 1c o 甜i 屺o ) 比例对显微组织的影响。3 l 4 4 2c o 州i + c o ) 比例对力学性能的影响3 2 4 5 本章小结3 3 第五章晶粒长大抑制剂在金属陶瓷中的作用3 5 5 1 引言3 5 5 2 试验方法3 5 5 3c r 3 c 2 添加量对金属陶瓷组织和性能的影响3 5 5 3 1c r 3 c 2 添加量对显微组织的影响3 5 5 3 2c r 3 c 2 添加量对力学性能的影响3 6 5 4t a c 添加量对金属陶瓷组织和性能的影响3 7 5 4 11 a c 添加量对显微组织的影响3 7 5 4 21 a c 添加量对力学性能的影响4 0 5 5m ) c 添加量对金属陶瓷组织和性能的影响4 l 5 5 1n b c 添加量对显微组织的影响4 1 5 5 2n b c 添加量对力学性能的影响4 4 v i 南京航空航天大学硕士学位论文 5 6 本章小结4 4 第六章s i c 晶须碳纳米管对t i ( c 舯基金属陶瓷组织和性能的影响4 6 6 1 引言4 6 6 2 试验方法4 6 6 3s i c 晶须添加量对金属陶瓷组织和性能的影响4 6 6 3 1s i c 晶须添加量对显微组织的影响4 6 6 3 2s i c 晶须添加量对力学性能的影响4 8 6 3 3 断口形貌分析。5 0 6 4c n t 添加量对金属陶瓷组织和性能的影响5 1 6 4 1c n t 添加量对显微组织的影响。5 2 6 4 2q 盯添加量对力学性能的影响5 4 6 4 3 断口形貌分析5 5 6 5 本章小结5 6 第七章全文总结5 7 参考文献5 9 致谢。6 5 在学期间的研究成果及发表的学术论文6 6 v l l 高强韧性t i ( c 娜基金属陶瓷制备技术的研究 图表清单 图清单 图1 1 碳、氮含量对金属陶瓷相区的影响。5 图1 2 晶须桥联机理示意图9 图1 3 晶须拔出机理示意图。1 0 图1 4 裂纹偏转机理示意图1 1 图2 1 压痕裂纹长度测量方法示意图1 9 图3 1 不同保温时间下t i ( c n ) - n i 体系金属陶瓷的显微组织。2 2 图3 2 不同保温时间下t i ( c 舯n i o 体系金属陶瓷的显微组织2 3 图4 1 不同n i 含量的t i ( c j 叼基金属陶瓷的显微组织2 6 图4 2n i 含量对t i ( c ，基金属陶瓷抗弯强度和硬度的影响。2 7 图4 3n i 含量对t i ( c 舯基金属陶瓷断裂韧性的影响。2 8 图4 4 不同n i 含量的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷断口形貌2 9 图4 4 ( 续) 不同n i 含量的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷断口形貌3 0 图4 5n i 含量为2 3 州、1 9 州的t i ( c 舯基金属陶瓷高倍断口形貌3 0 图4 6 不同c o 州i + c o ) 比例对t i ( c ，n ) 基金属陶瓷显微组织的影响3 l 图4 7 不同c o 悄i _ 屹o ) 比例对t i ( c ，n ) 基金属陶瓷抗弯强度和硬度的影响3 3 图4 8 不同c 刚i + c o ) 比例对t i ( c l 叼基金属陶瓷断裂韧性的影响3 3 图5 1 不同c r 3 c 2 添加量的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷的显微组织。3 6 图5 2 不同1 a c 添加量对t i ( c n ) 基金属陶瓷显微组织的影响3 8 图5 3 不同l c 添加量的t i ( c n ) 基金属陶瓷的x 射线衍射图谱3 9 图5 4 不同m l c 添加量对t i ( c ，n ) 基金属陶瓷抗弯强度和硬度的影响4 0 图5 5 不同n b c 添加量对t i ( c j d 基金属陶瓷显微组织的影响4 2 图5 6 不同n b c 添加量的t i ( c 舯基金属陶瓷的x 射线衍射图谱4 3 图5 7 不同n b c 添加量对t i ( c 舯基金属陶瓷抗弯强度和硬度的影响4 4 图6 1 不同s i c 晶须添加量的t i ( c 舯基金属陶瓷的显微组织4 7 图6 2 不同s i c 晶须添加量对金属陶瓷抗弯强度和硬度的影响。4 8 图6 3 不同s i c 晶须添加量对金属陶瓷断裂韧性的影响4 9 图6 4 不同s i c 晶须添加量的t i ( c n ) 基金属陶瓷裂纹扩展路径的s e m 图5 0 图6 5 不同s i c 晶须添加量的t i ( c j d 基金属陶瓷的断口形貌5 1 v i i i 墨 图6 9 不同c n t 添加量对t i ( c 胜金属陶瓷断裂韧性的影响5 5 图6 1 0c n t 添加量为0 5 训的t i ( c n ) 基金属陶瓷的断口形貌5 5 表清单 表1 1t i ( c 娜与t i c 基金属陶瓷高温性能对比。2 表1 2t i ( c 舯基金属陶瓷成分的演变过程2 表1 3 几种典型晶须的基本性能8 表1 4 部分国内外晶须增韧陶瓷刀具的特性8 表2 1 原始粉末的化学成分及粒度。1 6 表2 2s i c 晶须及c n t 的主要技术指标。1 6 表2 3 试验材料成分设计( 州) 1 7 表3 1 试验材料的设计成分m ) 2 1 表3 2 不同保温时间下t i ( c 娜n i 体系金属陶瓷的力学性能。2 3 表3 3 不同保温时间下t i ( c 舯- n i c o 体系金属陶瓷的力学性能2 4 表4 1 不同n i 含量的试验材料成分设计似) 。2 5 表4 2 不同n i 含量对金属陶瓷孔隙率的影响2 7 表4 3 不同c 刚附i + c o ) 比例的试验材料成分设计( 叭) 。3 0 表4 4 不同c o 州i + c o ) 比例对金属陶瓷孔隙率的影响3 2 表5 1 不同c r 3 c 2 添加量试验材料成分设计( 州) 3 5 表5 2 不同c r 3 c 2 添加量的金属陶瓷粘结相中主要合金元素含量3 6 表5 3 不同c r 3 c 2 添加量对t i ( c 娜基金属陶瓷力学性能的影响。3 7 表5 4 不同1 a c 添加量的试验材料设计成分似) 3 7 表5 5t 2 c 添加量与t i c 相和n i 相点阵常数之间的关系。3 9 表5 6 不同1 a c 添加量的金属陶瓷粘结相中主要合金元素含量。4 0 表5 7 不同t a c 添加量对金属陶瓷孔隙率的影响4 0 表5 8 不同c 添加量的试验材料的设计成分( 、矶) 4 1 表5 9 n b c 添加量与1 i c 相和n i 相点阵常数之间的关系4 3 表5 1 0 不同c 添加量的金属陶瓷粘结相中主要合金元素含量4 3 研究 1 4 4 6 4 8 ! i l ! ；：； ! ；q l r t 1 1 引言 随着加工工业的科技进步和机械制造业水平进一步提高，以及精密铸造、模锻和新的粉末 冶金成形技术的发展，高速精加工、半精加工、以车代磨切削加工工艺日益受到重视，这就对 切削刀具的性能也提出了更高的要求。在切削加工中，高速切削是实现高效率制造的核心技术， 一般高速切削的切削速度为普通切削的5 1 0 倍，达1 5 0 啦5 0 0 0 玎池i n ，为了适应高精度化、自 动化、多功能化、高生产率化、缩短交货期等需求，这便要求切削刀具具有耐高温、耐磨损、 耐腐蚀，能适应高速、超高速等特点，特别为适应当前对环境保护的要求，提出了条件苛刻的 干式加工f 1 1 。因此，刀具材料的革新不仅直接影响加工过程的效率，并且在节约成本和能源消 耗方面也有突出作用。先进工业国家的统计表明，虽然刀具费用仅占切削加工总成本4 5 ， 但是采用先进切削刀具，由于提高加工效率，而大幅度减少机床费用( 约占切削加工总成本 5 0 ) ，由于可实现以车削、铣削来代替磨削，减少或不用切削液的费用( 约占切削加工总成本 的2 5 呦，从而大大降低切削加工费用【2 】。显然，现代的机械加工是要尽量减少切削深度而提高 切削速度，传统硬质合金刀具越来越满足不了这一要求。并且作为硬质合金所用的w 和c o 都 是重要的战略资源，其价格和供应极不稳定。因此，用“无c o 或少c o 、无w 或少w ”的材 料代替部分传统硬质合金是未来发展的趋势，t i ( c j d 基金属陶瓷正是在这一背景下得到迅速的 发展。 1 2t i ( c ，基金属陶瓷的发展概况 金属陶瓷是指采用粉末冶金方法制取的一种由金属相与陶瓷相构成的多相复合材料p 】。美 国a s l m 研究委员会作了如下定义【4 】：一种由金属或合金与同一种或多种陶瓷相组成的非均质 的复合材料，其中后者约占材料体积的1 5 8 5 ，同时在制备温度下，金属相与陶瓷相间的溶解 度相当小。按照这一定义，通过粉未冶金方法获得的w c o 系复合材料及t i c m 0 2 c 1 岍系复 合材料等都属于金属陶瓷。但是，习惯上仍将n i 、c o 为粘结相的w c 基复合材料称为硬质合 金，而将n i 、c o 为粘结相的t i c 和t 烈基复合材料称为金属陶瓷【5 l 。 1 i c _ n i 基金属陶瓷问世于1 9 2 9 年，最初作为w c c 0 系合金的代用材料，主要用于切削加 工，但由于脆性很大，使其应用受到限制。2 0 世纪5 0 年代为了研制喷气发动机的叶片用高温 材料，发现t i c - n i 系金属陶瓷具有优良的高温力学性能和比重低的特点。但是，在烧结时由于 n i 不能完全润湿t i c ，导致材料的韧性很差，结果未达到其作为耐热材料应用的地步。1 9 5 6 年， h u m 锄i k 等人阎发现在t i c n i 基金属陶瓷中添加m o 之后，可改善n i 对t i c 的润湿性，使1 i c l 高强韧性t i ( c 舯基金属陶瓷制备技术的研究 晶粒变细，合金强度大大提高。这一发现成为制造t i ( c ，n ) 基金属陶瓷技术上的重大突破。到了 2 0 世纪7 0 年代后，t i c 基金属陶瓷从原来的基本组成t i c - n i - m o 系发展成t i c 1 婀1 订o w c 系 等多种系列。1 9 7 1 年，l ( i e 虢r 掣7 】研究发现，在t i c m o - n i 系金属陶瓷中添加1 i n ，可以明显 细化硬质相颗粒，从而大大提高t i c 基金属陶瓷的性能，填补w c c o 硬质合金和陶瓷工具材 料之间的空白嘲。与传统、c c o 硬质合金相比，t i ( c n ) 基金属陶瓷具有红硬性高、摩擦系数 低、耐磨性好、耐腐蚀性高等优势。由表1 1 可以看出【9 1 ，与t i c 基金属陶瓷相比，t i ( c 舯基 金属陶瓷红硬性高、横向断裂强度高、抗氧化性强、热导率高。并且由于t i | r c 如基金属陶瓷晶 粒更细，其高温抗蠕变性能也有明显的改善。近年来，通过改进配方，采用纳米技术，先进的 热压烧结技术，热等静压技术，以及放电等离子烧结等进一步提高了t i ( c ，如基金属陶瓷性能。 8 0 年代以后，采用细粉、超细粉制备材料，以及通过各种方式强化材料以进一步提高强韧性是 金属陶瓷的发展趋势。t i ( c 娜基金属陶瓷的发展历程如表1 2 所剩m 1 3 1 。 表1 1t i ( c ，n ) 与t i c 基金属陶瓷高温性能对比 表1 2t i ( c 舯基金属陶瓷成分的演变过程 经过3 0 多年来的发展，t i ( c n ) 基金属陶瓷的研究己经取得了长足的进展，尤其在资源匮 乏的日本，t i ( c n ) 基金属陶瓷应用较为成功。椐日本超硬工具协会统计【1 4 】，所有的硬质工具材 料中，t i ( c n ) 基金属陶瓷增长得最快，由1 9 7 8 年占刀具市场总量的1 1 增长为1 9 8 8 年的2 7 3 。 到9 0 年代初，t i ( c j d 基金属陶瓷刀具材料占所有刀具材料市场份额的3 0 ，显示了其作为传 统的w c c o 合金的替代材料的巨大潜力。与通常的硬质合金和涂层硬质合金相比，它在以下 几个方面有明显的优势：可以有较高的切削速度，有较大的进刀量，被加工件有较好的表面性 能，耐磨性能更高。当用其做刀具时，其使用寿命也比硬质合金耐1 5 】。 2 一 矿 广二二二二 基金属陶瓷制备技术方面的专利不断出现，t i ( c 娜基金属陶瓷产品的市场占有额也逐年增加。 美国和欧盟刀具的1 0 以上也是采用t i ( c 娜基金属陶瓷制造。美国肯纳金属公司( k e 肌am e t a l 埘、瑞典山特维克公司( s 锄撕kc o r p ) 、日本东芝金属公司s l l i b am 砌sl t d ) 、日本住友电工 公司( s u l i l i t o 啪c 唧) 、德国克虏伯维迪阿( 1 1 晰) ，倾向于在n b c 颗粒表面析出环形相。添加1 a c 还可以提高高温硬度和抗热震性， 从而改善其抗高温形变能力【5 9 】。由于n i 对1 a c 、n b c 、o a ，n b ) c 的润湿性较差，随着1 a c ：、 ) c 、娜) c 添加量的增加，材料的孔隙度增加，使金属陶瓷致密度和抗弯强度都下降。 1 4 4 3c r 3 c 2 、v c 及的作用 加入c b c 2 、v c 的主要作用是抑制晶粒长大，因而提高金属陶瓷的耐磨性。晶粒长大抑制 剂的添加量一般以抑制剂在液态粘结相中达到饱和浓度为限，此时可以获得最细小的组织。由 于抑制剂的加入都使液相对t i c 的润湿性降低，使材料的性能下降，因此一般控制在0 2 5 3 训。 在烧结体中，这些晶粒长大抑制剂分布在硬质颗粒的晶界和亚晶界上，才能很好地起到抑制晶 粒的作用删。如添加量适当，能在保持材料强韧性基本不降低的情况下，提高材料高温下的抗 塑性