（材料学专业论文）高性能mo2feb2基金属陶瓷的制备工作及合金化研究.pdf

， 争 n 觚j i i 培u i l i v e r s i t ) ，o f a e r o m m t i c s 髓d a s t r o n a u t i c s - n 坨g r a d l l a t es c h o o l c o l l e g eo fm a 矧a l ss c i e n c ea n dt e c h n o l o g ) r r e s e a r c ho nt h em a n u f a c t u r i n g 1 1 e c h n i q u e a n d a l l o y i n go fm 0 2 f e b 2 - b a s e d c e r m e t sw i t h h i g hm e c h a n i c a lp r o p e r i t i e s a t h e s i sm m a t e 渤l ss c i e n c ea n d e n g i i l e e r i n g b y z h e n g j i a l l 吐i a d v i s e d b y p r o z h e n gy c m g s u b m i t t e di np a i t i a lf u l f i l l m e n t o ft 1 1 er e q u h m e n t s f o r t h ed e 肿eo f m a s t e ro fe n g h l e e 血g m a r c h ，2 0 1 0 蕊 含 ， 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：j 车j 忸 日 期：2 竺丝：芝：2 1 气多 x 射线能谱( e d s ) 、 备工艺、显微组织和 首先综述了m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的发展概况和研究进展，总结了m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的烧 结机理以及制备工艺和成分对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响；简述了晶粒长大抑制剂 在制备细晶粒金属陶瓷中的作用；简述了s i c 晶须增韧复合材料的研究进展；并在此基础上指 出了本文的研究目的和意义。 首先研究了烧结温度、烧结时间、液相烧结阶段加热速率对金属陶瓷组织和性能的影响。 得出如下实验结论：l 1 阶段采用l m i n ，l 2 阶段采用5 m i i l 的加热速率并在1 2 5 0 烧结 4 0 m i n 的金属陶瓷组织均匀、致密度高、晶粒细小，具有较好的力学性能。 研究了冷等静压成型对金属陶瓷组织和性能的影响。实验结果表明：经冷等静压成型的试 样烧结后组织均匀，平均晶粒度小且晶粒尺寸分布较窄，比室温模压成型的试样具有更高的抗 弯强度。 研究了化学成分对金属陶瓷组织和性能的影响，得出如下结论：加入0 5 叭的c ，不仅 可较完全消除烧结体中的氧，而且不会残留石墨和生成其它脆性相，因此金属陶瓷具有较好的 综合力学性能；m n 的加入改善了界面润湿性。随着m n 添加量的增加，晶粒持续细化，抗弯强 度随之增加，而硬度则在加入量为5 叭时最高，达9 0 7 认。e 的添加降低了粘接相对硬 质相的润湿性，但同时减少了硬质相在粘接相中的溶解度，抑制了溶解析出过程，导致了晶粒 细化。v f e 添加量为4 8 6 吼时，晶粒细小，具有最好的力学性能，抗弯强度为2 3 5 0 m p a ，硬 度为9 0 6 h r a 。 研究了三种晶粒长大抑制剂和s i c 晶须对金属陶瓷组织和性能的影响，得出如下结论：加 入c r 3 c 2 、v c 对金属陶瓷晶粒的细化作用不明显，而加入雨c 后，硬质相聚集，气孔率增加， 力学性能较差；加入o 5 吼s i c 晶须后，金属陶瓷晶粒细小，组织均匀，抗弯强度、硬度和 断裂韧性都较高。而随着晶须加入量的增加，界面的润湿性降低，孔隙率增加，力学性能急剧 降低。 研究了用f e m o 合金部分代替m o 和f e 后对金属陶瓷组织和性能的影响，得出如下结论： 新合金体系组织均匀，平均晶粒度较低，性能与原合金体系相当。因此f e m o 合金部分代替m o 和f e 制备m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷是可行的。 关键词：m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷，烧结工艺，合金化，晶粒长大抑制剂，增韧 高性能m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备工艺及合金化研究 a b s t r a c t h lt i l i st l l e s i s ，t h er e l a t i o n s h i p 锄0 n gc o m p o s i t i o n ，m 锄u f i a c t u r i n gp f o c e s s ，m i c r o s 仃u c t i l 他觚d m e c h 锄i c a lp r o p e r t i e so fm 0 2 f c b 2 - b 勰c dc e 咖e t sh a db e e ns y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e db yd i 妇f c r e n t s c a l l i l i n gc a l o r i m e 仃y ( d s c ) ，x 豫) 7d i 丘t i o n ( x r d ) ，s c 锄i n ge l e 咖nm i c r o s c o p y ( s e h d ，e 啦r d i s p e r s i v es p e c 仃c d m e t e r ( e d s ) a n d 仃a 哪m i s s i o ne l e c 仃d ni n i c r o s c o p e ( t e m ) h lt h ef i r s tp a r to ft l l et h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n ta n dp m s e n t 他s e a r c hs i t 哪l t i o no fm 0 2 f e b 2 - b 雏e c i c e 册e t sh a v eb e e no v e n ，i e w e d ，w h i c hi n c l u d e s 廿1 em c h 锄i s 瞄0 fl i q u i dp h 雏es i n t e r i n go f m 0 2 f e b 2 一b a s e dc e 咖e t s ， t h ei n f l u e n o fm 锄u 缸t u 南g 畔e s s ， 锄dc o m p o s i t i o n舭 i i l i c r o s 仃1 l c t u 】汜sa n dp r o p e r t i e so fm 0 2 f e b 2 - b 弱e dc e n n e t s ，t kp r o g 犯s s0 nt l l eb e h a v i o u r so f 黟a i ng r 0 、) l ，t l l i l l l l i b i t o 墙i nf i n e ? g r a i nc e n n e t sa n dt t l ee 彘c to fs i cw i s k e r t l 地p r o p e r t 斌o f c o m p o s i t em a 矧a lw 嬲a l s os 啪m 撕z e d b 笛e do nt h e 矗b 0 v ew o f k t l l ep u r p o 锄ds i g n i f i c 锄c eo f 廿1 en l e s i si 地v eb e e np o i i l t e d0 u t t h ei i l n u e n c eo f 廿l es i n 矧n gt e m p e n l 鹏，s o a k i n gt 蚰e ，h e a l i n gr a t eo fl i q u i dp h 嬲es i n t e r i i l g 帆 t i l em i c r o s 臼1 j c t u 他a n dp r o p e n i e so f 伧m 0 2 f e b 2 - b 舔e dc e 珊e t sh 觞b e 饥s t u d i e d t h ec o n c l 璐i o m w e 托0 b 劬e d 嬲f o l l o w s ：t l l ec e 肌e t ss i n t e r e da t1 2 5 0 f i ”4 0m i n u t e sw i mah e a t i n gr a l eo f l ，m i i la tl ls t a g e 锄d5 ，m i na tl 2s t 2 喀ed 嘶n gl i q u i dp h 鹤es i n t e r i n gh a df i g r a i 璐a i l d l o m o g e n e o u sm i c r o s t r i j c t u 坨，、 ，：h i c he ) l l i b i t e dt l l eh i 曲e s tm e c l l a i l i c a ip r o p e r t i e si nt h ep r e s e ms t u d 弘 t h ei n n m n c eo fc o l di s o s t 砒i cp 陀s s ( c i p ) p r o c e s so nt i 坞m i c r o s 饥屺血鹋a n dp r o p e n i e so ft h e m 0 2 f e b 2 - b 嬲c dc e 肌e t sh 裙b e e ns t i j d i e d i tw 嬲f o u n dt h a tt t l ec e m 圮馏p r e s s e db yc i pw e 佗 c h 锄c t e r i 跫dw i t t lm o 他h o m o g e n e o u sm i c r o s t 九l c t u 他，锄a i i e ra v e 豫g e 鲥ns i z e 觚dn 甜r o w 盯 d i s t r i b u t i o no f g r a i ns i 嚣c o m p a r e dw i lt h a tb yo r d i l l a 巧d i ec 伽p 蒯o n 1 1 1 e砌u e n c eo ft 1 1 ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nt h em i c r o s t r u m 鹏锄d俐i e so ft 1 1 e m 0 2 f e b 2 - b 鹊e dc e m e t sh a db e e ns t u d i e d 1 kc o n c l 憾i o i l sw e r eo b t a i l l e d 勰f o l l o w s ：o 5 叭c a d d i t i o nc o u l de i i m i n 咖t l a d s o r b e do 巧g e nc o m p l e t e l y ，锄dn 0 舭ec a r b 觚db r i t t l e p h 雒e o c c u r r e d ，w h i c h 坨s u l t e di i lt t l eb e s tm e c h 狮i c a lp m p e r t i e s t h ew e 位l b i l i 锣o fh a r dp h a b yb i n d e r p h a s ew 雒i m p r o v e d b y a d d i t i o n ，w h i c hd e c r e 船e dt h e 酬ns i z eo fm 0 2 f e b 2p h 罄e 1 1 1 eh i 曲e s t n 峪o fa b o u t2 2 5 0m p aw 笛o b t a i n e da ta1 0w t m na d d i t i o 鱼w h e r e 勰5 、t m na d d i t i o n r e s u i t e di n 龇m a ) 【i m 啪h 捌n e s s v f ea d d i t i o nd e c 舢e dm ew e 呦i l n yo fh a r dp h 药eb yb i n d e r p h 雏e ，锄da c c o r d i n 舀yi n c r e 笛e dt h ep o r o s 时o f 恤c e m e t s h 删r t 量l es o l u b i l n yo f c e 舢i cp h 嬲e i i lt h eb i n d e rd r e a s e d 、) l ，i t hi n c 咒签i n g ea d d i t i o 玑w h i c hi e dt oad e c 陀a o fm 0 2 f e b 2 鲥ns i z c 气 n o 删n 础【a b l ed 他笛e0 fg r a i ms i 盟o c c u 饿dw i mc r 3 c 20 rv ca d d i t i o n 啊ca d d i t i o nr e s u l t e di i l t 1 1 ea g g r e g 撕o no fc 懿i i l i cg r a i m 柚d 锄i 眦捌瞰o fp o m s i 劬m en 圯c h 粕i c a lp r o p e r t i e sd e c r e 勰e d 缈a l l y 1 1 1 e 锄e t sw 弛0 5 叭s i c 砌s k e ra d d i t i w e 佗c h 嘲c t e r i z e dw i n lh o m o g e n e o 懈 m i c r o s 仃u 咖陀觚df m eg 豫i i l s ，w i l i c h 他s u l t e di i lm g h e rm e c h 锄i c a lp r o p e r t i e s a th i 曲e rs i cw h i s k 盯 a d d i t i o 鹏，t 量l ew i 眦a b i l n yo fh a r dp h 雒eb yb i n d e rp l l a 船d 他豳e d 雒d 吐l ep o r o s 时o f t h ec e 咖e t s i 1 1 c r e 弱e d ，w l l i c h s u i t e di i lm ed e c 豫髂e0 f m e c l l a i l i c a lp r o p e r t i e s f e m oa l l o yw 嬲懈e dt or c p l a c es 鲫em o 锄df ei i ln l ep 陀p a 础o no fm 0 2 f e b 2 - b 丛e dc 锄e t s t h em i c r o s 臼1 l 曲i 他锄dp r o p e n i e so ft h e n n e t sh a v eb e e ns t u d i e d t h ec o n c l 吣i o mw e 陀o b t a i n e d 部 f o l l o w s ：舭c e 珊e t sf a b r i c 删b yf e m oa j l o ye ) l l i b i t e dah o m o g e l l e o 惦m i c r o s 劬咖舱锄dn l e a v e r a g eg r a i ns i 硷w 觞a l s 0s m a l l a sa 代s u 地m em e c 掀a lp r o p e r t i e s o fm ec e n i l e t sw e 他 洲p 黝b l e t 0t l l a tw i m ) u tf e m oa l l o y t h e r e b y ，i t 、幡f e 勰i b l et i l a tc c 册e t sw e r ef a b r i c a t e db yf e i o a l l o y k e y w o r d s ：m 锄f e b 2 b 鹤e dc e m e t s ，s i n t e r i l 酶a l l o y i n 岛g r a i ng r o w mi i l l l i b - t o r ，t o u 曲e i l i n g 、 i 高性能m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备工艺及合金化研究 目录 第一章绪论l 1 1 弓l 言1 1 2 三元硼化物基金属陶瓷研究进展。2 1 2 1m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的液相烧结机理4 1 2 2m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷制备工艺研充4 1 2 3m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的合金化6 1 2 4m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷与金属的覆层7 1 3 晶粒长大抑制剂在金属陶瓷中的作用8 1 4 晶须增韧复合材料的研究概况。9 1 4 1s i c 晶须的增韧机理9 1 4 2s i c 晶须增韧陶瓷的应用1 2 1 4 3s i c 晶须增韧硬质合金和n ( c ，n ) 基金属陶瓷的应用1 2 1 5 本文的研究目的和意义1 3 1 6 本文的技术路线1 4 第二章试验材料的成分设计及制备工艺l5 2 1 弓i 言1 5 2 2m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷成分设计的总体原则1 5 2 2 1 主要组分相对比例的确定l 5 2 2 2 添加剂加入的原则1 5 2 3 实验成分设计1 6 2 4 粉末原始条件l7 2 5m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备工艺。l8 2 5 1 混料l8 2 5 2 干燥18 2 5 - 3 室温模压成型1 8 2 5 4 冷等静压成型l8 2 5 5 烧结1 9 2 6 分析与测试：1 9 2 6 2 相组成相对比例及平均晶粒尺寸测定1 9 2 6 3 差示扫描量热分析1 9 2 6 4 力学性能测试1 9 2 6 5 物相分析2 0 2 6 6 显微组织观察及成分分析2 0 第三章真空烧结工艺研究2 l 3 1 引言2 l 3 2 试验方法2 l 3 3 烧结温度对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响2 l 3 4 烧结时间对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响2 3 3 5 液相烧结过程加热速率对金属陶瓷组织和性能的影响2 4 3 6 本章小结2 6 第四章冷等静压成型对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响2 7 4 1 引言2 7 4 2 试验方法2 7 4 3 冷等静压成型对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响2 7 4 4 本章小结。2 9 第五章合金元素对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响。3 0 5 1 引言3 0 5 2 试验方法3 0 5 3 碳添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响3 0 5 3 1 碳添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织的影响3 l 5 3 2 碳添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷力学性能的影响3 4 5 4 其它合金元素对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响3 5 5 4 1 其它合金元素对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷力学性能的影响3 5 5 4 2 其它合金元素对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织的影响3 6 5 5m n 的添加量对金属陶瓷组织和性能的影响。3 7 5 5 1m n 添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷性能的影响3 7 5 5 2m n 添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织的影响3 8 v 高性能m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备工艺及合金化研究 5 5 3 断口分析4 2 5 6 e 添加量对金属陶瓷组织和性能的影响4 2 5 6 1 e 添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织的影响4 3 5 6 2 e 添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷性能的影响4 5 5 6 3 断口分析4 6 5 7 本章小结4 7 第六章晶粒长大抑制剂和s i c 晶须对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的影响4 8 6 1 引言4 8 6 2 试验方法4 8 6 3 晶粒长大抑制剂对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响4 8 6 3 1 晶粒长大抑制剂对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷力学性能的影响4 9 6 3 2 晶粒长大抑制剂对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷显微组织的影响4 9 6 4s i c 晶须对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织和性能的影响。5 0 6 4 1s i c 晶须添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷力学性能的影响。5 0 6 4 2s i c 晶须添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷显微组织的影响。5 l 6 5 本章小结。5 5 第七章m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的低成本化研究5 7 7 1 引言5 7 7 2 试验方法5 7 7 3f e m o 合金替代m o 、f e 的可行性分析5 7 7 4f e m o 替代m o 、f e 对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的组织和性能的影响。5 9 7 4 1f e m o 合金替代m o 、f e 对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷组织的影响6 0 7 4 2 蹦幻合金替代m o 、f e 对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷性能的影响6 0 7 4 3 断口分析6 2 7 5 本章小结6 2 第八章全文总结6 3 参考文献。6 5 j l 谢7 0 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 l v i 南京航空航天大学硕士学位论文 图清单 图表清单 图1 1 常见m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷制备工艺5 图1 2 裂纹桥接示意图1 0 图1 3 裂纹沿晶须轴向偏转机理示意图1 0 图1 4 裂纹沿晶须径向偏转机理示意图。1 0 图1 5 晶须拔出机理示意图ll 图2 1 压痕长度测量示意图2 0 图3 1 不同烧结温度下m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织。2 2 图3 2 不同烧结时间的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织2 3 图3 3 两种加热速率工艺烧结的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织。2 5 图3 4m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷烧结工艺2 6 图4 1 室温模压成型和冷等静压成型的金属陶瓷的显微组织。2 7 图4 2 室温模压成型和冷等静压成型的金属陶瓷的断口形貌。2 8 图5 1 不同碳添加量的金属陶瓷的孔隙形貌。3 l 图5 2 加入1 5 帆c 的金属陶瓷中孔洞形貌及其e d s 图谱3 2 图5 3 不同c 添加量的金属陶瓷的x r d 衍射图谱3 2 图5 。4 不同c 添加量的金属陶瓷的显微组织。3 3 图5 5 不同c 添加量的金属陶瓷的抗弯强度和硬度3 4 图5 6 加入不同合金元素的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织。3 6 图5 7 不同h 缸添加量的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的抗弯强度和硬度3 8 图5 8 不同m n 添加量的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的x r d 衍射图谱3 8 图5 9m n 添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织的影响4 0 图5 1 0 加入1 0 叭m n 的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷1 e m 明场相4 0 图5 1 1m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的硬质相和粘接相的衍射花样及其标定4 1 图5 1 2m n 添加量为o 嘶、1 0 嘶的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的断口形貌4 2 图5 1 3 不同v f e 添加量的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的x r d 衍射图谱4 3 图5 1 4 不同v f e 添加量的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织。4 4 图5 1 5 不同7 e 添加量的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的抗弯强度和硬度4 5 图5 1 6 7 e 添加量分别为0 叭、4 8 6 叭的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的断口形貌4 6 图6 1 添加不同晶粒长大抑制剂对金属陶瓷的显微组织的影响5 0 图6 2 不同s i c 晶须添加量的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的抗弯强度和硬度。5l 图6 3 不同s i c 晶须添加量的m m f e b 2 基金属陶瓷的断裂韧性。5 l 图6 4s i c 晶须添加量对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织的影响5 2 图6 5s i c 晶须添加量分别为o 叭和o 5 叭的金属陶瓷的裂纹形貌5 4 图6 6 加入o 5 埘s i c 晶须后金属陶瓷裂纹中晶粒的拔出和“搭桥”5 4 图6 7s i c 晶须添加量分别为0 帆、0 5 叭的金属陶瓷的断口形貌5 5 v 高性能m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备工艺及合金化研究 图7 1h 1 成分混合料升温过程的热分析曲线5 8 图7 2a l 成份混合料升温过程的热分析曲线。5 8 图7 3a l 成分和h 1 成分的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的显微组织6 0 图7 4 a l 成分和h 1 成分金属陶瓷的断口形貌6 2 表清单 表1 1m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的物理性能2 表1 2 部分国内外晶须增韧陶瓷刀具的特性1 2 表2 1 试验材料成分设计m 呦1 7 表2 2 原始粉末的化学成分及粒度1 8 表3 1 不同烧结温度试样的抗弯强度和硬度2 2 表3 2 不同烧结时间的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的抗弯强度和硬度2 4 表3 3 液相烧结过程加热速率设计。2 5 表3 4 不同液相加热速率的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的线收缩率、抗弯强度和硬度。2 5 表4 1 室温模压成型和冷等静压成型的试样烧结后的抗弯强度和硬度2 8 表5 1 碳添加量成分设计( 讥) 3 0 表5 2c 添加量对粘接相中合金元素含量的影响3 4 表5 3 合金元素成分设计( w t ) 3 5 表5 4 加入不同合金元素后m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的抗弯强度和硬度3 5 表5 5m n 添加量成分设计( 帆) 。3 7 表5 6m n 添加量对金属陶瓷气孔率的影响3 9 表5 7 不同m n 添加量的试样中硬质相和粘接相中m n 含量4 l 表5 8 ? e 添加量成分设计( 叭) 4 3 表5 9 不同v f e 添加量的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的气孔率和粘接相体积分数4 3 表5 1 0 不同v f e 添加量试样的硬质相中元素分布( 叭) 4 5 表5 1 l 不同v f e 添加量试样的粘接相中元素分布( 叭) 4 5 表6 1 晶粒长大抑制剂成分设计m ) 4 8 表6 2 添加不同晶粒长大抑制剂的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的抗弯强度和硬度。4 9 表6 3s i c 晶须成分设计( v v t ) 5 0 表6 4s i c 晶须加入量为o 叭和0 5 卅的试样的硬质相中元素分布( v v t ) 5 3 表6 5s i c 晶须加入量为o 叭和0 5 叭的试样的粘接相中元素分布( 卅) 5 3 表7 1f e m o 合金加入成分设计( 叭呦5 9 表7 2 a l 成分和h 1 成分的金属陶瓷粘接相所占比例和晶粒平均尺寸6 0 表7 3a 1 成分和h 1 成分m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的线收缩率、抗弯强度和硬度6 l v i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 在工业生产领域，金属加工用切削工具是一种非常重要的产品。进入2 l 世纪以来，随着制 造技术的全球化趋势，制造业所面临的竞争更加激烈，为了缩短生产周期提高生产效率，高速、 超高速机床的出现使得传统切削刀具已经不再适用于现代化的切削要求。为了适应高精度化、 自动化、多功能化、高生产率化等需求，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。在这样的需求背景之下，各种超硬工具材料应运而生。 在超硬工具材料领域，w c - c o 系硬质合金是研究最早，而且使用范围最广的硬质材料，具 有极其优异的综合性能，其抗弯强度达到4 0 0 0 m p a 以上，硬度则高达9 3 h r a 【l l o 但是，由于 w 和c o 均为战略金属，生产成本很高，且其在耐腐蚀性及耐高温性能方面存在着弱点，因此 研究人员为寻找其替代产品投入了大量的研究。 n c - n i 基金属陶瓷问世于1 9 2 9 年，最初作为w c c o 系合金的代用材料，主要用于切削加 工，由于脆性很大，其应用受到限制。1 9 7 1 年，飚e 疵r 发现在瓢c 基金属陶瓷中引入n 时， 只要在粘结相中加入适当的m o 或m 0 2 c 就可获得比t i c 基金属陶瓷更好的性能【2 】。随着对其 合金化作用认识的加深，烧结技术和设备的不断改进，瓢( c 加基金属陶瓷不但具有较高的硬度、 耐磨性、红硬性、优良的化学稳定性、与金属间极低的摩擦系数，而且还有一定的韧性和强度 【3 】。但是n ( c j d 基金属陶瓷在切削有色金属时，容易与其发生反应而会产生粘刀的现象，因此 不适合有色金属的切削。 硼化物熔点及硬度高，具有导电性，导热性良好，化学稳定性能好。但是，硼化物与其它 硬质材料相比起来应用的较迟。其原因就是难烧结，找不到合适的金属粘结剂，或者在烧结过 程中与粘结金属起反应，生成脆性第三相，与传统硬质合金相比，强度与韧性均较差，无法作 为刀具材料使用。2 0 世纪8 0 年代末，日本等少数几个国家的学者开始对三元硼化物基金属陶 瓷的烧结性能、烧结机理和应用进行研究开发出一种“反应硼化烧结法”成功解决了硼化物难 以利用的问题【4 1 ，并对此进行了深入的研究，开发出具有高强度、高硬度和高温耐蚀性的新型 金属陶瓷，一般是以m 2 m ，b 2 ( m ：金属) 三元复合硼化为硬质相，以n i 基、f e 基和c o 基等 合金为粘结相的两相组成的硬质材料。与m 0 2 n i b 2 和w c o b 基金属陶瓷相比，m 0 2 f e b 2 基金属 陶瓷的制备成本较低，并具有优异的综合性能和广泛的应用前景，而且和传统的硬质合金相比， 具有以下优点【4 5 6 l ：( 1 ) 更优异的耐磨性能，有利于提高工件的寿命；( 2 ) 避免了w 、c o 这些 战略金属的使用，降低了生产成本；( 3 ) 与钢的结合性能较好，适合用于制备钢的覆层材料， 能够提高钢材料的耐磨和耐腐蚀性能；( 4 ) 与诸如铜，锌等有色金属亲和力低，因而非常适用 l 高性能m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备工艺及合金化研究 于有色金属加工用的工具材料。 日本t 0 l 驴k o h 觚公司开发的三元硼化物基金属陶瓷( m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷) 为删系， 其k h m 系硬度和抗弯强度范围分别为8 0 8 9 h r a 和1 7 2 2 5 g p a ，相当于普通硬质合金，而其 密度大约为普通硬质合金的3 5 ，接近不锈钢的密剧7 1 。典型的k 讧材料的物理性能如表1 1 所示嘲。 表1 1m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的物理性能【8 l 其中m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷依粘结相结构不同可分为v 、c 、h 三类，合金的耐腐蚀性和抗 氧化性随着铬和镍含量的升高而增加，粘结相具有马氏体结构的金属陶瓷具有很高的力学性能， 而具有奥氏体结构的耐蚀性较好【8 l 。从表1 1 中可以看出，目前m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷普遍存在 的问题是硬度较低。 国内在这方面也投入了大量的研究，主要集中于利用m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷与钢的良好结合 性能，在钢基体上制备m 如f e b 2 基金属陶瓷覆层，但对其基体缺乏系统地研究，所制备的材料 强韧性不足，还没有发挥出其优越性f 9 u l 。 因此，在这个背景下，本课题通过对烧结工艺、合金元素、添加晶粒长大抑制剂等的研究 深入探索m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备、组织和性能之间的关系，以制备出具有较高抗弯强度和 硬度适合作为有色金属加工刀具的m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷。 作为本硕士论文的重要组成部分，本章对m 0 2 f e b 2 基金属陶瓷的制备技术以及相关的理论 研究进展做一综述。主要内容包括：三元硼化物基金属陶瓷的研究进展；晶粒长大抑制剂在金 属陶瓷中的作用；晶须增韧复合材料的机理和应用等。 1 2 三元硼化物基金属陶瓷研究进展 可用作高硬度材料的物质有金刚石、氧化物、碳化物、氮化物及硼化物。其中硼化物具有 熔点及硬度高，具有导电性，导热性良好，化学稳定性好等优势，因此具有非常广泛的应用前 景。通常讲的硼化物主要是二元硼化物和三元硼化物，以二元硼化物和三元硼化物为增强相的 2 0 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 复合材料都得到了一定的发展。 常见的二元硼化物有1 讴2 、2 肥2 和c r b 2 等。馏2 具有某些较好的性能，例如高维氏硬度， 好的断裂韧性和导电性，与金属的粘粘性和摩擦系数低，相对较低的比重等。这些性能令箭b 2 及其复合材料在多种方面具有应用前景，如切削刀具，耐磨基体等。但是由于自扩散系数低， 使得n b 2 的可烧结性受到很大的影响；另外，几乎所有作为金属粘接相的金属与t 略2 都会发生 化学反应而导致金属陶瓷变脆，因而1 忸2 基金属陶瓷的研究进展缓慢【l2 ”j 。z r b 2 属于六方结构， 具有高硬度和高熔点以及优异的导电导热性和抗钢水腐蚀性。但z f b 2 难以烧结，且在空气中1 1 0 0 以上易氧化生成b 2 0 3 而挥发，强度较低，难以致密化，成本较高【1 4 ，”l 。c r b 2 具有较高的硬度 和优异的耐磨性和抗高温氧化性，在室温下c r b 2 涂层硬度可达2 7 6 4 h v 【1 5 1 。c r b 2 传统的合