（材料学专业论文）纳米改性ticn基金属陶瓷材料及铣刀性能的研究.pdf

纳米改性t i ( c ，如基众属陶瓷材料及铣刀性熊的研究 接嫠 缡米竣性疆( c ，n ) 基金属爨瓷是在传统t i c 基金属陶瓷誊孝料体系中通过添 加纳米t i n 颗粒进行改性，采用常规粉末冶金方法一真空液相烧结法，而制得的 一釉瑟型金属陶瓷材料。优良的物理、力学和耐磨等综合性能，使冀在机械加 工业中占有非常鬟要的谶位。本文综合运用现代材料学、冶金学和切削加工学 原耀对铣肖刀片用纳米改性金属陶瓷材料及铣刀铣自4 性能开展了比较深入的实 验研究和理论探讨，跌丽完善镜潮刀片蠲纳米敬性金麟陶瓷辛考料的设计和镜刀 片的制备：同时，为了应用和推广纳米改性金属陶瓷铣刀片，对铣刀片磨损机 理穗进行了深入豹醣究。 首先，研究了化学成分n i 、c o 和m o 添加艇对纳米改性金属陶瓷显微组织 帮力学注麓懿影翡。萎秀究发囊糕终疑n i c o 对耱瓣获驽强度黧硬度影响较大。 而m o 的添加对金属陶瓷的断裂韧性影响很大。 其次，刳蚕慰了试骏须嚣的2 4 n i 帮1 2 c o l 2 n i 嚣耱续米改性金属建瓷镌刀 片。然后，使用制备出豹铣刀片对正火态4 5 8 钢进行了对比铣削试验分析。研 究缝果表嗨，在裹速铣削正火态4 5 4 锯孵，1 2 c o l 2 n i 金属陶巍铣刀片在多数铣 削条件下菇耐冲击性能优于2 4 n i 刀具。低速铣削时两种铣刀片具均有较长的寿 命，并全部以“磨损”的形式必效。 最后，用s e m 和e d s 分析了试验用铣刀片寝面密损形貌和成份。镉示了刃 具表面的黼温扩散和氧化造成了刀具成份的变化( 粘结祖n i 、c o 的损失等) 及 注髓的降低，热逮了纳米改洼金藕陶瓷铣刀冀瓣蘑损失效。 关键词：纳米改性金属陶瓷鼹微组织铣削 磨损机理 r e s e a r c ho nt h e p r o p e r t i e so f n a n o m o d i f i e dt i ( c ，n ) 一b a s e d c e r m e t sa n dt h e i rm i l l e r s a b s t r a c t s t h en a n o - m o d i f i e dt i ( c ，n ) 一b a s e dc e r m e tw a sak i n do fn e w c u t t i n gm a t e r i a l ， w h i c hw a sm a d eb yp o w d e rm e t a l l u r g ym e t h o do nt h ef o u n d a t i o no ft r a d i t i o n a lt i c b a s e dc e m e t s t h r o u g ha d d i t i o no f n a n ot np a r t i c l e s 。i th a sai m p o r t a n tp l a c ei ni n d u s t r y o w i n gt o i t sc o m b i n 蘸i o n so fh j i g hr e d h a r d n e s s ，l o wf r i c t i o nc o e f f i c i e n t , g o o dw e a r r e s i s t a n c e ，e x c e l l e n t c o r r o s i o nr e s i s t a n c ea n dl o w c o s t ，e t c i n t h e p a p e r , t h e n a n o m o d i f i e d t i ( c ，n ) 一b a s e d c e r m e t sf o r t h e m i l l i n g t o o l sa n dt h e p r o p e r t i e so f m i l l e r sw e r ei n v e s t i g a t e db ym a t e r i a ls c i e n c ea n dm e t a l l u r g y a n d m a c h i n gp r i n c i p l e ，w h i c he x p e c t s t o p r e s e n t t h e o r e t i c a li n s t r u c t i o nf o r p r e p a r a t i o no f h i g hp e r f o r m a n c ec e r m c t sa n d e n r i c hm a t e r i a l sd e s i g nt h e o r y , f i r s t l y , t h ee f f e c to f t h eb i n d e rp h a s e sa n d t h ea d d i t i o no f m oo i lt h em i c r o s t r u c t u r e s a n dm e c h a n i c a lp r o p e g i e so ft h en a n o - m o d i f i e dt i ( c ，n ) 一b a s e dc e r m e t sf o rt h e m i l l i n gt o o l sw e r es t u d i e d 强er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ee f f e c t so f t h eb i n d e rp h a s e so n t r a n s v e r s er u p t u r es t r e n g t ha n dh a r d n e s so ft h em a t e r i a l sw e r eo b v i o u s n l ea d d i t i o n so f m ot on a n o - m o d i f i e dt i ( c ，n ) s o l i ds o l u t i o nc o u l dd e c r e a s er u p t u r et o u g h n e s so ft h e c e r m e 主s ， s e c o n d l y ，1 ok i n d s o f n e wl l a n o m o d i f i e dt i ( c ，n ) - b a s e dc e r m e ti n s e r t s ( 2 4 n i a n d1 2 c 0 1 2 n i 、w e r ef a b r i c a t e da n du s e df o rm i l l i n gn o r m a l i z e d4 5 一c a r b o ns t e e l r e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h ei n s e r t so f t h e l 2 c 0 1 2 n ie x h i b i t e db e t t e ri m p a c tt h a nt h a to f 血e2 4 n ia t h i g hm i l l i n gs p e e d 。a n dt w o k i n d so fm i l l e r sw o u l db ef a i l u r e di nt h ef o r mo f w e a r a n da l o n g t i m eo f t o o l sc a l lb eo b t a i n e da tl a s t t h i r d l y , t h es u r f a c ew o r nt o p o g r a p h ya n dt i e c h e m i c a lc o n s t i t u t i o n so ft h et e s t i n g i n s e r t sw e r ea n a l y z e db ys e mc o u p l e dw i t he d s h i g ht e m p e r a t u r ed i f f u s i o na n d o x i d a t i o ni nt h es u r f a c eo fi n s e r t s ，w h i c hc a u s e dt h ec h a n g e so fc o m p o s i t i o na n d d e c r e a s e o f p r o p e r t i e s o f t h ec e r m e t s a c c e l e r a t e d 也e w e a r o f t h e i n s e r t s k e y w o r d s ：l l a n o m o d i f i e dc e r m e t s ，m i c r o s t m c t u r e ，m i l l i n g , w e a rm e c h a n i s m 独创惶声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究二 ：作及取得的研究成果。据 我嚣翘，狳了文中黪爨抽毁搽志和致谢戆建方静，论文中不包含葵毽天毫经发表或撰写过的 研究成果，也不包雷为获得佥胆王城太堂戚其他教育机构的学位或证书而使用过的材 精。与我一同工箨的霹志对零研究掰徽豹在蔼嚣献均邑在论文中俸了萌确静说鹊势表示 骞 意。 学位论文作者签 z ，呻年、月纵日 学位论文舨投接焉授权书 本学霞论文终卷完全了躲盒l l 蚤墼盍堂鸯关保辩、镬鹰学毽论文躲援定，骞授铩馨 并向国家有券势门麟机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被镄阅或借阅。本人授权金 薹堑盍璧可疆将学位论文的全部蠛酃势论文内容编入有关数攒痒进行梭索，可瓴采用影 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授权书) 学位论文者签名：兢霖k 燮字目期：沁叩年、月诅翻 学髓论文律奢毕监螽去囱： ：作单位： 通讯地址： 导师签名 刳岁 签字日期：沪婶年；月别日 电话： 邮编： 致谢 本文楚在导黪裁宁教授夔悉心豢警察热壤关悔下完成豹，其中浸透羞刘老 师的心血和期盼。导师严谨的治学态度、渊博的学识、敏锐的科学思维、大胆 刨灏的秘学糖裤以及无私奉鼓静禽造愤操、乐躐大度瓣生活态度令学生终生难 忘。三年来，刘老师不仅在学业上给予作者极大的指导和教诲，而且在生活上 绘作者以无微不鬟的关怀和帮助；不仅传授科研治学蛇思路秘方法，更注重数 导为人处墩的道理和准则。值此论文完成之际，谨向慰师致以最崇高的敬意和 最诚挚的感谢! 作者还要感谢许育糸博士，在近三年的研究生学习期间，是许老师兄长般 的关心和鼓励伴随作者度过许多艰难的对光。在整个实验和论文的完成过程 中，许老筛奉献了大量宝纛静露瀚帮精力，给稼者提镶了许多热情绣致酌螽母 和帮助，在此向许老师致以深深的谢意l 在学梭实验 熏程中，毒孝糕秘学与工程学浣实验中，豁懿羚羹誊、壬疆、强、 夏永红等老师，无机非金属材料工程系程继贵教授，机械与汽车学院杨海东和 落镣老颊绘予了大力帮助葶鐾支持。接者瓷此表示衷心熬感谢! 在外协实验过程中，华中科技大学材料学院熊惟皓教授、中南大学粉末冶 金厂杨宣增高级工程烬，中科院南京地艨吉生物研究墩茅永强研究员为作考瞧 提供了大赞的便利和帮助，在此致以深切的谢意! 作者i 丕要感谢师兄李华、李摄红和陈名海三位博士为作者所提供的大量指 导和帮助，感谢师弟晁晟以及本科生刘晓珲、朱亿猛闽学等在实验中给予的协 助和所做的大量工俗o - - “ 乍者鼗后要感谢阕实验室学友汪烟、薪庭镭、任滓萍及闷窗孬发魏芳等， 是他们在学习、生活和工作上的关心、帮助和炎持伴随作者度过近三年的学习 生溪。 签名： 孰溅 引言 第一章绪论 材料科学的发展日新月异，新材料层出不穷。精细陶瓷材料是继金属材料、 高分子材料之后出现的第三大类材料。精细陶瓷材料般具有弹性模量大、极 不容易变形、热稳定性好、高温耐氧化能力强，以及重量轻、价格低廉等优点， 因此，深受人们的青睐。但它有一个致命的弱点，就是脆性。脆性的本质主要 是由化学键性质和晶体结构确定，与金属结构不同它不含有大量的自由电子， 其结合键是共价键或离子键，位错的势垒很高，材料的韧性很差，导致它不能 经受巨大的机械冲击和热冲击，安全运行的可靠性差，大大限制了其开发应用 1 4 】。为了克服陶瓷材料的脆性、微观结构不均匀性和低的可靠性，人们进行 了一系列卓有成效的研究工作。在系统研究微观结构、缺陷形成及裂纹扩展的 基础上，建立了相变增韧、弥散强化、纤维增强增韧、复相增韧等增强、增韧 方法和技术，使结构陶瓷的强度和韧性均有大幅度提高，脆性获得明显改善【5 】。 但仍不能完全适应现代工业发展的要求。 硬质合金是用粉末冶金方法生产，由难熔金属化合物和粘结金属构成的复 合材料t 引。1 9 2 3 年k 施律泰尔用粉末冶金方法研制成w c c o 硬质合金【7 】。硬 质合金具有很高的硬度、耐磨性、弹性模量和抗弯强度，较稳定的化学性、低 的热膨胀系数和高的导热系数。由于硬质合金具有上述特点，使得它在现代工 具材料、耐磨材料、耐高温和耐腐蚀材料等方面占具了重要地位。它引起了金 属切削加工工业的技术革命，大大地提高了工具寿命及加工效率 s 。1 金属陶瓷( c e r m e t ) 是由陶瓷相( c e r m i c 中的c e r ) 与金属相( m e t a l 中的 m e t ) 并合而起来构成的【9 】。是指用粉末冶金方法制取的陶瓷基金属复合材料。 金属的抗热震性、韧性好，但易氧化和高温强度不高；而陶瓷的硬度高，耐热 性好，耐蚀性好，但抗热震性低，脆性大。通过一定的工艺方法将它们结合起 来制成金属陶瓷，则可兼有两者的优点。 1 1t i c 基金属陶瓷的研究状况和发展 最初的t i c n i 系金属陶瓷制造工艺大致是：将t i c 粉末和n i 粉按一定比 例置于球蘑机中进行湿磨，然后将料浆烘干，掺入成形剂，在1 5 0 - 2 0 0 m p a 压 力下成形。压坯在7 0 0 8 7 0 。c 下预烧，最后，在1 2 5 0 1 4 4 0 c 进行真空烧结。 金属陶瓷这个术语使用于很广的材料领域，用c o 作粘结剂的w c 基硬质合金 显然也符合金属陶瓷的定义。但是，现在一般将用金属n i 或c o 粘结的t i c 基袈合穗科称 # 金属淘畿。丽街臻蔫c o 糖结静w c 荟复合耨籽称之为硬倭食 金，尽管碳化钛并不比碳化钨更像陶瓷。金属陶瓷因是由金属粘结相与碳化物 瘸瓷辐缝戏熬复合豺辩，藏其愁链取决予金霾稳往毙、羯瓷秘经毙、薅者豹体 积百分数、两者的结合性能以及两者相界面的结合强度等1 0 。对w c c o 硬质 合金已确认在精结耱完全包基辫瓷摆辩，羯瓷熬粒阕凝臻耀越薄，合佥豹强疫 也越高。在陶瓷晶粒尺寸很小时，粘结相强度猩相同含量的情况下则较薄，合 金的强度墩越毫。大晶粒陶瓷秘含有缺骧的可鼹娃大，其强度也就小，鼓在鼹 粒尺寸大的情况下，合金不是沿晶断裂而是穿晶断裂，同时大的晶粒会导致应 力蒺中。可见，金属陶瓷的性能也主要与其显微缳织有关。由t e m ( t r a n s m i s s i o n e l e c t r o nm i c r o s c o p y ) 研究观察袭明，t i c 基金属陶瓷的显徽组织是国t i c 域 t i ( c ，n ) 硬质相颗粒和n i ( c o ) 及溶入其中的t i 、m o 、c 、n 等组成的盒属粘结 楣( v ) 两部分组成。其中硬质籀碳纯耪颡粒爨有典黧麓芯巍结掩，对碳纯物 晶粒进行e d s ( e n e r g yd i s p e r s i v ex r a ya n a l y s i s ) 分析结果表明，中间为黑色t i c 或t i ( c ，n ) 核，它灞圈灰自色籀为孛满程，遵称之为环行辐( s u r r o u n d i n g s t r u c t u r e ) ，即现在常说的s s 相。对t i c 基金属陶瓷组织中存在这种环形结构 是不可遴免憝 1 1 1 。这释滚度不平餐鑫毅缝掏鸯程手澹潺蛙戆渡善蟾。4 _ 郅。霾 而也有利于合金的强度改善。但是，s 8 相很臆，必须控制其生长，使其厚度 逶中，才。巍裂提寒金属羯瓷毂力学蛙锈。文献【1 4 1 对s s 提形成捉理避行了嫒 究，得出如下三点解释：( i ) m o 和少鬣t i c 溶解于液相中，随后在t i c 晶粒 表蘸上沉淀辑出t i c m 0 2 c 固溶体，( 2 ) s s 棚和t i c 晶粒懈或s s 糨问产生 物质迁移，使成分趋于平衡状态，( 3 ) 在烧结冷却过程中析獭s s 褶。由上述 解释可知，s s 相一般由二或三层不同厚度和不同成分构成的，这对研究t i c 基金属陶瓷烧结过程和缎织结构有一定的启发作用。 t i c n i 金属陶瓷出现于1 9 2 9 年( 其成分为4 2 5 t i c - 4 2 ，5 m 0 2 c 一1 4 n i 一1 c r ) 最初是佟为w c ，c o 系疆矮舍鑫静代潮毒季瓣，主要瘸予韬潮鞠工方黼。 由于其脆性很大，应用推广受到限制 m ， j 。5 0 年代，t i c 基垒属陶瓷又受到人 们熬注意，蠢为在磅裁唆气式发动凝哮片磊簧滠耪褥辩，发溪t i c n i 系金_ | i 毳 陶瓷具有优良的商温性能和比熬小的特点【1 6 】。但是，在烧结这类复合材料时 爨矮不麓完全濑湿t i c 鬏粒，发生t i c 颞粒聚集长大，导致材料裁瞧缀蓑， 最终还是未能达到用做商温材料的目的 1 6 - 1 8 1 。1 9 5 6 年，美豳福特汽车公司发 现在t i c 。n i 系金属陶瓷中添趣m o ( 或m 0 2 c ) 霹改善波态金羼n i 相对t i c 嬲瓷 相的润湿性，使t i c 晶糨细化，导致金属陶瓷的强度大大提高”2 1 】。这一发现 是t i c 基众属陶瓷发展过程中羹大的突破。随展，美国予1 9 5 9 年制成一个精加 工用的t i c 基金满陶瓷牌号，并发表了专藕。戴专莽j 韵关键蔻选择适当的成分， 尤其是关予m o 或m 0 2 c 的添加以及t i c 粉末和混合粉末所必须有的适当纯度 1 2 2 。予蔗，这段时期对m o 的掰究较多，主要簇中奁辩m o 豹秀蟊入佟丽、潮入 2 量及加入方式等方面。在t i c n i m o 系中，m o 的主要作用在于改善液相金属 n i 对t i c 颗粒的润湿性 18 1 。当n i 中m o 含量达l o 时能完全润湿t i c 颗粒( 接 触角0 = 0 。) 1 2 1 。m o 的第二个作用是抑制烧结时碳化物相晶粒的长大1 1 8 】，这 与润湿性的改善有关，在完全润湿的条件下，碳化物颗粒不出现聚集再结晶， 这种见解现在已经得到普遍承认。但m o 促进润湿作用的确切机理目前还未完 全清楚d8 。m o 的第三个作用是在烧结温度下向t i c 颗粒扩散，并取代t i c 品 格中的t i ，在t i c 颗粒表面上形成碳化钼在t i c 中的固溶体( t i ，m o ) c 【博】。 这就减少了纯t i c 颗粒接触，并防止它们联结在一起长大。这同样是造成t i c 基金属陶瓷有更细晶粒和均匀组织的另一个重要原因【2 2 1 。 对于t i c 。n i m o 系金属陶瓷中n i m o 比尚未取得统一认识，n i m o 比可取 在1 ：1 1 ：7 之间。但是，多数情况下为1 ：1 。如t i c 一1 2 3 n i 系金属陶瓷 在m o 含量为1 0 2 0 时达到最高的使用寿命【1 ”。这是因为随着m o 量的增加， 碳化物逐渐细化，材料硬度升高；可是，当添加量多于1 2 时，因环形相( s s 相) 的厚度增加，碳化物又变粗，硬度也随之降低 1 4 , 1 6 1 。详细研究了 t i c 1 4 n i m 0 2 c 金属陶瓷的m 0 2 c 含量与抗弯强度、硬度的关系，发现m 0 2 c 含量与性能之间有最佳值出现【1 8 】。文献【2 3 】认为，当粘结相中的m o 含量为2 0 ( 体积) 时，有强烈的抑制碳化物晶粒长大作用。因此，金属陶瓷具有最高的 抗弯强度 文献 2 4 】研究了添加w c 及m o ( n i + m o ) 比与抗弯强度的关系。可见，n i 含 量增加时抗弯强度增加，并在m o ( n i + m o ) 比为0 1 - 0 2 时达到最大值。文献【l 7 j 认为当t i c 。n i m o 系金属陶瓷中n i 含量保持一定时，金属陶瓷的抗弯强度随 m o 量增加而增加，对含1 0 w t n i 的t i c 基金属陶瓷而言，含m o l o w t 时抗 弯强度最高，金属陶瓷的硬度也有类似关系，这同样是由于m o 改善了粘结相 对t i c 颗粒的润湿性之故。 一- 文献2 6 研究了添加m 0 2 c 量对t i c 0 5 n 0 5 - m 0 2 c - n i 金属陶瓷力学性能的影 响，结果是，m 0 2 c 含量在1 0 体积时抗弯强度达最大，随着m 0 2 c 量增加金 属陶瓷的硬度也增加，在m 0 2 c 为1 4 体积时硬度达最大值。进一步增加m 0 2 c 量时，硬度开始下降。文献1 2 6 1 研究了m 0 2 c 量对含中等碳量的t i c 及t i c 0 7 n 03 金属陶瓷高温抗弯强度的影响，表明随m 0 2 c 量增加，抗弯强度呈增加趋势。 力学和切削实验都表明，以m o 或m 0 2 c 形式加入时，金属陶瓷的力学和 切削性能较好。 继对t i c 基金属陶瓷中的m o 详细研究之后，1 9 6 0 年前后，美国维尔伟松 公司和肯纳金属公司也分别制成t i c 基金属陶瓷牌号v r 6 5 和k 1 6 5 。美国亚 当斯碳化物公司则于1 9 6 3 年研制成t i t a n s 0 牌号。与此同时，日本东芝公司也 从事t i c 基金属陶瓷研制工作，并于1 9 6 0 年前后试制成t i c 基金属陶瓷。三 菱和住友公司则于1 9 6 1 年左右分别研制成h i m e t 和t i c u t t i c 基金属陶瓷。我 晷予1 9 5 8 年开始= f | 铡熹瀣金矮鼹瓷复合耱瓣。1 9 6 5 年渡嚣，霆多懿疆痰台鑫 厂积极从事于t i c 基金属陶瓷研制工作 2 2 1 。 7 0 年代，囱臻有懿t i c 基念震陶瓷中添熬数量较多戆w c 、t a c 等凳耱碳 化物，以n i c o m o 作粘结相，并相应降低t i c 的含量，发现可以大大扩展现 套t i c 基金属陶瓷用馋切削工具枣孝料静使用范豳 1 1 - 1 5 1 。其典型代表是基本系芝 公词1 9 7 1 年研制成功的x 4 0 7 牌号 其成分为5 0 t i c 。3 0 ( n i + c o + m 0 2 c ) 。2 0 ( w c + t a c ) 。此牌号有较多的耐磨性和韧性以及较宽的使用范围，可用于铡、 铸铁、合众铸铁及耐热合金的车、铣加工都。由于x 4 0 7 牌号的出现，t i c 基 金属陶瓷材料在各国尤其在日本又引起新的重视。于怒，t i c 基金属陶瓷由最 卒刀滞来填补w c c o 系硬质台金和a 1 2 0 3 陶瓷工具材料之闻静空隙的高速精加 工工具材料，1 8 】，后来发展成为能进行铸铁半精加工、粗加工和间断切削加工 耪鼗。对繇添热豹w c 、t a c 、n b c 、v c 等髯耱碳伍耘遴孬系统磅炎表碉，对 t i c n i m o 系金属陶瓷，加入w c 使金属陶瓷强度升高而硬度稍有降低，这是 圭予w e 躲麓久羧善了旗绩稿鼹t i c 豹滤涅瞧缘薮，露瓣壶予骧恁黪磊粒交糖 而导致硬度稍下降；加入t a c 、n b c 和加入w c 的作用相似外，还可提高抗热 裂瞧，并奄攘铡碳化物黠粒长大作用睢剐，使之更逶予闯叛切燃使用验嚣要。 但加入t a c 、n b c 均使粘结相对t i c 的润湿性降低；加入v c 主要作晶粒长大 抑制剂，掇赢金属晦瓷黪瓣磨性。其添热量一般为o 2 5 3 。文献【24 7 j 研究了添 加t a c 、n b c 和w c 对t i c 2 0 v o t t i n - 7 v o l m 0 2 c 8 v o l n i 金属陶瓷的性能 的影响，结果表明，随碳化物添加量的增加金属陶瓷的硬度均增加，其中以加 w c 效果鬣佳；嵩温硬度也是添如w c 髓金属陶瓷最裔；随w c 添翔基增翻， 其蜜温抗弯强度也呈上升趋势。文献( 28 】报道了添加w c 对t i ( c ，n ) 一n i m 0 2 c 盒 藩鬻瓷抗弩强度静影嫡数据，指瀣在添细0 - 2 2 w c 藏銎内，涟添黧蠹增蕊， 金属陶瓷抗弯强度不断增加。 ， 进入7 0 年我淡磊，鑫藕辫瓷发震目赫胃要。由于】( 1 ) w 獒滚瓣绞芝激 及w 价格的不断上涨；( 2 ) 机械工业上告诉切削的发展；( 3 ) 机夹不重磨刀 具懿雄广应爱，避免了t i c 基金属嚏瓷烽接钢蘩瞧差戆嫒点，霉趣上t i c 基鑫 属陶瓷刀舆比重比w c 基硬质合盒小，在用作不重磨刀具成本上有利，因而， 国外对t i c 基金羼晦瓷书孝糙驰硒究极必蓬视，黩穗牌号也迅速增多，从原来的 t i c ，n i m o系发展为t i c n i m o w c 、t i c n i - m o w c - c o以及t i c n i ，m o w c t a c n b c c o 簿系列e 】9 7 1 年以后，又出现了含氮的t i c 慕金属陶瓷工疑材料【l 引，由予添加趋阮 t i c 。韧性随的t i n ，其耐热冲诲和韧憔都有很大程度提高，抗弯强度可达 1 6 0 0 2 0 0 0 m p a ，蕊于车澍帮铣戮。疆运释金满璃瓷程荚国及欧浏并没得至广 泛接受和应用 3 0 1 。而在日本，由于t 1 6 _ 。】( 1 ) t i 、m o 、n i 原料比w 、t a 、c o 金黧容易获得；( 2 ) 大蝥韬澍设餐塞动纯程发撵嵩襄电子诗鬓捷辕蘩控麓等遗 毒 子革命，切削速度的提高和震动的减少均促进了用切削速度更高的金属陶瓷去 代替韧性更好的传统硬质合金；( 3 ) 随着精密铸造、模锻及粉末冶金成形技术 瞧发震，茏荬是奁蠢本，少甥翻热王王艺羹$ | 起人弱熬关注。瓤热王掰垂鹣戆 问题是鬣尽量减少切削深度而搬商切削速度，这就要求刀刃更加锐利，用金属 陶瓷制得的刀刃比用c v d 涂层的传统硬质合金制得的刀刃更加锋利，因而， 墨本对t i ( c ，n ) 基金爝陶瓷工具零孝料研究特别多，丽且含氮鲍金属糍瓷 乍为工 其穗精院其它蓉家疲耀更广泛，产量毽大。掇裕舀奉超凝工兵癸会统诗，1 9 8 8 年t i c 麟金属陶瓷已经占日本硬质工具材料总量的2 7 1 3 ，其余的比例是w c 系硬质合金占3 1 1 ，a 1 2 0 3 系陶瓷占5 6 ，p v d 或c v d 涂层工具为最多， 占3 0 。觚增长速淡看，t i c 鏊衾属魄瓷增长交抉，由1 9 7 8 年占惑爨戆1 1 增至1 9 8 8 年的2 7 3 。由于t i c 基金属陶瓷新产品种的如现和刀菇使用技术 的进步，其应用范围已扩大到w c 基硬质合鑫的使用领域【2 9 1 。尽管如此，t i c 基金属陶瓷的强度和韧性还是不如w c 基硬滋合金。据研究知，t i c 基金属陶 瓷理论强度。= 2 3 0 0 2 8 0 0 m p a ，露槎强糖绪相含量熬w c 基疆覆合金疆论强 度可高选oo = 8 0 0 0 m p a m 一9 1 。j 琏年来，美国、欧辨| 、日本和我国对t i ( c ，n ) 基 金属陶瓷复合材料的研究和应用也急剧增多。 在t i c 基金属陶瓷中弓l 入t i n 会带来秀个工艺闯莲，一个是烧结过程中盼 脱氮帮吸氮，勇一个是金属陶瓷的磨船工霭难【2 越。浇续= ；建程中啜氮会改变李| 料的组成，产生不均匀组织，影响材料的强度和硬度；黼脱氮会严重影响到金 属陶瓷的力学性能。 铃本寿吲3 磅冀了在n 2 中淡臻豹t i ( c ，n ) 。m 0 2 c l n i 垒蔫晦瓷懿力学性麓， 对t i c o s n o5 和t i c o 7 n o 3 金属陶瓷出现最大抗弯强度时的n 2 的压力测定分别 为3 k p a 和0 2 k p a 。为防止脱碳，可有望在n 2 气氛中烧结，但对于一定的含 氮量的众羼陶瓷在定温度下，n 2 的平衡璃解压受到台众的碳含量、铝含量 等多耱鞠索静影确，簧控翻好n 2 豹基力稳当溺难 2 2 s 戮蘧，裁取给定会氮量 的t i ( c ，n ) 基金属陶瓷非常困难。 福原等 3 2 1 在用真空炉烧结t i ( c ，n ) 3 0 n i 金属陶瓷试样时，测定了炉内真 空度鲍瓷伲，磺究结莱认力在势滋过程中真塑度憨降低愚蠢予脱氮弓l 怒鲍。霉 簿，福艨等弘2 3 4 1 对含t n 的金属陶瓷在烧缎中的麓碳和髯常膨胀魏象鼓及二 者之间的关系进行了系统的研究，指出在t i n - n i 系的共鼎点1 3 5 0 c 下，n i 固 溶体中能溶解4 8 4 t i 和o 0 9 n ，认为脱碳就是由于t i n 在向n i 溶解时，因t i 懿溶磐嶷远远大予n 豹溶簿度瑟雩l 筵戆；势艇，蘧霞认为t i n t i c - n i 系金震 陶瓷在烧结中的异常膨胀现象怒t i ( c ，n ) 圃溶体形成过稷所造成的p “”3 。而在 研究t j ( c ，n 1 3 0 n i 金属陶瓷时朱发现异常膨胀现象，遨就说明了以t i ( c ，n ) 国溶体澎式向金属晦瓷中引入巍的重要性文献f 3 5 】研究了粪空烧结时，添加t i n 对t i c n i m 0 2 c 垒瘸裔瓷力学往戆的影璃。文簸瑟繇究了t i n 添鸯叠量对 t i c 一9 w c 一9 t a c 一1 6 n i 一1 6 m 0 2 c 金属陶瓷断裂韧性的影响，由图可见， 随着t i n 含量的增加，将出现一个峰值，其最佳量为9 。产生此现象原因是 随t i n 含量增加，金属陶瓷显微结构将细化，脆性中间相变薄，材料韧性增加。 超过这个最佳值时，导致烧结脱氮影响烧结致密化，从而使韧性降低。 8 0 年代末，纳米科技( n a n o - s t ) 诞生并正在崛起，它的基本涵义是在纳 米尺寸范围内认识和改造自然。它所涉及的领域是人类过去很少涉及的非宏观 和非宏观的中间领域，从而开辟了人类认识世界的新层次，这标志着人类的科 学技术进入了一个崭新的时代一一纳米科技时代1 3 ”。纳米科技与材料科学相 结合，开创了纳米材料研究的新领域。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级( 1 0 - 9 m ) 的超细材料。其晶粒尺寸一般为1 1 0 0 n m 1 。1 9 8 4 年，德国g l e i t e r 把粒径为 6 r i m 的金属铁粉原位加压制得了世界上第一块纳米材料，开创了纳米材料之先 河。由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的强度、韧性和塑性 大为提高。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到高强度合金、塑性 陶瓷等新一代材料。其中，纳米技术在陶瓷领域的应用已引起了广泛关注。 9 0 年代出现的纳米级陶瓷颗粒作为弥散相引入微米级陶瓷基体中制得的 纳米微米复相陶瓷，取得了明显的增强增韧效果 3 9 1 ，一改往日颗粒补强增韧 这一不及纤维、晶须补强的情况，使纳米复相陶瓷成为陶瓷领域研究的一个大 热点。纳米复相陶瓷就是在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间 的结合处都在纳米尺寸水平。按纳米颗粒所处在晶内晶间位置不同，纳米复相 陶瓷可分为内晶型( i n t r a g r a n u l a r ) 、晶界型( i n t e r g r a n u l a e ) 及内晶晶界型 ( i n t r a i n t e r ) 【4 。这是一种理想的划分，实际制备的纳米复相陶瓷中，晶界 型和晶内型第二相颗粒一般是同时存在的，纯粹的晶内型或晶界型纳米复相陶 瓷尚未见报道【4 1 1 。新原皓一【4 2 “3 】把纳米颗粒增韧的机理归为：( 1 ) 组织的微 细化作用，( 2 ) 残余应力的产生使晶粒内破坏成为主要形式，( 3 ) 控制弹性模 量和热膨胀系数等来改善强度和韧性。( 4 ) 晶内纳米粒子使基体颗粒内部形成 次界面，并同晶界纳米相一样具有钉扎位错的作用。例如，添加纳米p s i c 的 a 1 2 0 3 s i c 纳米复相陶瓷，在无压烧结下，相对密度为9 8 8 2 ，抗弯强度为 4 8 9 m p a ，断裂韧性k i c 从3 0 m p a m 1 7 2 增加到6 6 7 m p a m 1 7 2 【4 4 1 。t o h r u s e k i n o 等 4 5 】制备了a 1 2 0 3 n i 纳米复相陶瓷，指出当纳米n i 含量为5 时强度可达1 0 9 0 m p a ，当纳米n i 含量大于1 0 是强度开始下降。x u d o n gs u n l 4 6 j 也指出，对 a 1 2 0 3 n i 纳米复相陶瓷，纳米n i 颗粒弥散a 1 2 0 3 对韧性的提高并不大，原因 是因为n i 与a 1 2 0 3 界面结合不牢固，导致n i 粒子的拔出而没显示其塑性形变 作用。德国马普金属研究所科研人员制得的位- s i 3 n 4 微米晶与a - s i c 纳米晶复 相陶瓷材料具有良好的高温抗氧化性，可在1 6 0 0 c 的高温下使用1 4 ”。另外， 他们通过添加硼化物生成b n 的包覆作用来稳定纳米s i 3 n 4 晶粒，将这种 s i b c n 复相陶瓷的使用温度提高到2 0 0 0 ，这是迄今国际上使用温度最高 6 弱浚体离瓷枣| 辩。我国鑫 9 9 6 年黻寒开震了缡寒糖瓣实验室成采豹转毒 二在囊 常舰材料添加纳米级颗粒进行弥散改性方面也取得了很好的效果 4 8 1 。华东理 工大学踺缡岽5 0 钢弱割餐送雩亍了磅究弘鲥。魏寨有色盒嚣磅炎慧貔翱蘩戆缡漆 s i c 或s i 3 n 4 改性的s i 3 n 4 复相陶瓷的强度和韧性比常规材料都有较大的提高 5 0 1 。合肥工、韭大学刘宁教授等人主持磷究的嚣家科技攻关蟪方重大瑷基“纳 米t i n a i n 改性的t i c 基金属陶瓷刀具制造技术”己通过鉴定，这标志着种 利用纳米树料制作的毅型金属陶瓷刀具阅世。 除了利用纳米颗粒对常规陶瓷材料的弥散改性以外，利用全纳米级颗粒整 体细化来制造陶瓷材料也是一个研究热点。为了克服陶瓷的脆性，英国材料专 家c a h a 就曾经指出研究纳米陶瓷率于料麓解决陶瓷材料脆经静战略途径。掰谓 纳米陶瓷熄指显微结构中的物相具有纳米级尺寸的陶瓷材料，也就是说晶粒尺 寸、磊界筑废、第二相分布、浚陷尺寸等都怒在纳米潼级的永平上筘n 。要露l 备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸、形貌朔分布的控制，团聚的控制和分 鼗，浃傣形态、缺陷、灏糙度敦及残分豹控鼷。诲多专家谈蠢 5 2 1 ，菪戆簿凌 单相纳米陶瓷在烧结过程抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷晶粒尺寸在 5 0 n m 以下瓣纳张羯瓷，则它将疑寿我糍硬度、褰韧爨、裹篓蛙等传统晦瓷无 与伦比的优点。目前，纳米陶瓷粉体的制备较为成熟，新工艺和新方法不断出 现，已具餐了生产规模。清华大学薮型嬲瓷与糙细工慧匡家熏点实验室研究人 员利用原位选择性反应法制备了纳米晶t i c 和t i n 复t z p 的复合粉料狰。”1 ， 为绒米陶瓷的显微结梅设计提供了新的研究思路。纳米陶瓷的致密化也趋于多 样化，其中，微波烧结和放电等离子体浇结( s p s ) 舆有良好的效聚。美国宾 州大学陈苇教授利用无压烧结制各平均粒径为6 0 n m 的致密v i 0 3 块体材料，“ 为发展纳米璃瓷带来了掰豹希望p “。 1 2 t i ( c ，n ) 基金鼹建瓷瓣制备 1 2 1 常规制备方法 文献【1 2 给出了在实验室制梧t i ( c ，n ) 基金属陶瓷复合材料的方法。其试验 弱粉末暴粉为终购欢t i c 、t i n w c 、n i 、m o 、c 、a 1 n 七耱，按试验配方将 粉末称量厨，倒入尼龙球磨罐中然后放入直径为0 1 0 m m 的w c c o 硬质台盒 ( y g 8 ) 球，采鼹滔精浸磨，溺髓中热入o 。1 诲积的油酸，每l k g 料放入湮 精4 0 0 m l 左右，球磨后将混合料放入远红外烘箱中烘干，然嚣加入6 w t 左右 的浓度为7 w t 的聚乙稀醇水溶液，混合料经造粒后，放入模具中进行压制成 形，匪铡压力为1 7 0 m p a 。将压制成形豹毛胚放入烘箱牵烘干届，褥放入冀空 炉中进行脱脂，将脱脂后的试样放入真空炉中进行最终烧结，烧结后即制得盒 擒陶瓷材籽。 彳 1 2 2 掇壤合金键方法 桃械合金化( m e c h a n i c a l a l l o y i n g ) 1 2 q 是个常溺下在藏效球磨过程中完 成的非平衡固态反应过程，通常将欲合众化的元素粉米按一定的比例机械混合 于离能球磨机中，在长时间运转过程中将回转能传递绘合金粉末，粉末在球赡 介艨的反簧冲击下经历袋复韵挤压和粉碎过程，最后形成固态合金材料。目前 利用机械合金化方法制备t i ( c ，n ) 基金属陶瓷还不是缀成熟，但其作为一种新 豹复辐金耩陶瓷涮备方法，已经弓| 趋了广大誊手辩工作者静关注【2 粥。 1 3t i c 基鑫属建瓷救应髑及其笈震趋势 t i c 基众属陶瓷这类材料开发较早，5 0 年代已出初型，但由于其脆性太大， 长麓未能稳定应_ 祷于生产，直至8 0 年代中期农组成、浇结工艺等方疆研究取 得了技术新进展，在保留其硬度特性基础上，大幅度提高了强度，相对w c 蹙 硬溪合金，豫撬洚壶澧略低于部分薪薄譬w c 藜硬矮会金努，在熹滋硬度、辩 磨撷性与被加工材料的宗和力方面均具有其优势，因而成为现代小余量、精密 车骞瓣主簧刀吴麓糕晶耱之一 5 6 1 。霆内塞行秀发戆t i c 基金属鼹瓷薅号毒： t n 0 5 、t n l 0 、t n 2 0 、t n 3 0 等。性能介于w c 基硬质合金和陶瓷之间，因而 也主要应越予连续切诲l 备类锶一一普邋镪、台衾钢、不锈钢以及毫强度镧、璇 承铡等，便于精加工与半精加工。 另钋，添煎t i n 的金属陶瓷的强度斧h 韧性褥到提薅，其刀具的抗漫性变形 和抗崩刃性能也得到改善。而且高温强浚和高流硬度、导热惶和耐i 中击性都有 提赢，使t i c 基金属陶瓷刀具不仅可用予钢材和铸铁的精加工，而且已成为糨 加工、铣削等断续切澍适宜的刃暴材料释1 1 。崧低速韬潮、滋试切潮及要求褒 面粗糙度很小的切削加工中，更照示其优越性，尤其在钢的高速切削中，t i ( c ，n ) 基鑫藩淘瓷是无敌手懿【5 ”。最瑟，t i ( c ，n ) 基众属璃瓷还锺予鸯霸工获铸铁、球 墨铸铁和可锻铸铁，在加工低碳钢低合企钢时，容易形成月牙洼，而被切削材 精蠡冬瘴擦辫臻帮魄较枣，这露焉t i ( c ，n ) 莲金震羯瓷刀爨来热王是糁蹋可靠赘。 当前，铣刀的使用量仅次于车刀和钻头，随着数控机床和专用铣床的普及，铣 刀黪使弱爨越来越多。钱副过程采爱大遴绘量黪矮囱遴在翅强，因越热工条传 越来越来恶劣，对铣削用刀具材料的稳定性要求就越来越高，这便促进铣削用 刀嶷瓣料的进一步发展。但断续切削鲍铣刀与逡续切削的车刀不同，农使用中 往往因承受反复的冲击而破损。铣削加工实质鼹种嵩生产率的多齿刀具加工 方法。是利用分布在圆柱表面或端面上的刀袁，依次对工件进行加工，与车自4 过稷褶眈，铣削加工其有如下特点【5 鹫；( 1 ) 铣刀齿韬入工件是断续避受至l 周 期性的冲击，容易引起铣刀刀刃的崩坏，( 2 ) 铣刀刀齿的间断切削，虽有利于 切削温度豹洚低，但近年试验研究表确，铣刀豹瘩损耧刀菏酸损主娶是由热摔 巷 者瑷象雩 怒静，( 3 铣麓过程中，刀鸯瓣镯潮摩度a 。是交纯静，开始镯入时 切削厚度很大，刀刃在工件表面上有一段滑擦距离，调上圆弧对切削层金属的 菸压 乍弱缀夫，簿塞遴绘量a f 爨枣，刃露疆弧薄瑟粪l 层金属瓣蘩压佟雳愈太， 可知铣削消耗的功率比车削大，( 4 ) 铣刀的容屑、排屑空间较小，( 5 ) 铣刀同 时鸯见个刀送参鸯毽甥削工终，切燃厚度与切粪滋度隧孽雩懿在嶷化，因此，镌剡 力也是变化的，并且各刀齿在刃磨或机夹装刀后，一般很难保证都程同一圆周 或端平面上，这雯如剧了链削力的变化，所以凌上述几点可知，铣削过程总处 于冲击振动、不平稳加工状态。因此，发展专用铣削用刀具材料就要求在耐磨 性砩；降低情况下，尽可能具有高的韧性和抗热震性能。同时，对铣床的刚憾、 铣刀的几何参数及加工工艺条 牛等都要求很高。对铙潮用硬溪台金，我国以前 以y t l 4 为主来铣削钢材，铣削铸铁以y g 8 为主。近年来也生产了一些专用 予锍麓静硬质合金牌号，鲡t t m 3 0 等( 铙潮镧裙) 、y d l 5 等( 镜潮铸铁) ， 但在断续切削中，采用磺质合金铣刀所遇到的难题是刀具的破损，即刀具刀齿 静刃莲部分产生袭绞，季| 莛壤刃，葳两惫测遮洚低刃麓静锋秘链，便刃具失效 而不能使用 5 。长期以来，人们为了提高铣削加工的生产率、表面质量和降 低魏楚热王成本，对陶瓷钱刃戆应建逡送行了大量弱试验碜究。孚麓磺铡戆 a 1 2 0 3 陶瓷刀片的抗冲击性能极麓，应用与发臌十分迟缓。宜到最近几年，发 展了凝型嘲瓷铣刀片，其切削憔戆有了较大提巍。加上枧夹可转位铣刀浆广泛 应用以及机床设计、制造等多方面的改进，才使新型陶瓷铣刀在使用方面有所 进腠f 60 1 。但新型陶瓷铣刀抗热震性仍较差，谯高速铣削时容易发生前刀武剿 落样的破损；当机床发生自激振动时， 纽可蘸发生前刃面或艏刀面静利落样破 损1 6 0 。为此，人们便从事研制和开发性能介予硬