【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 eB2 ZrB2/Nb 斷裂韌性高，熱膨脹系數(shù)與鋼相近 易拉罐的模具、銅的熱擠壓模、鋼絲冷熱拉模、鍋爐熱交換器的保護(hù)零件等 四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 Ni含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響 5 (5)石墨或金剛石狀的金屬陶瓷：制造電觸頭所用的石墨 金屬組合物材料可用于：發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)的金屬電刷，其金屬相為青銅或銅：低接觸壓力和較低摩擦速度下的滑動(dòng)觸頭，金屬相為銀。此外，這類材料還被廣泛的用來(lái)制造制動(dòng)器襯面和離合器襯片。在金屬基體內(nèi)加入從粗的碎片狀到細(xì)的粉末狀的金剛石所組成的金屬陶瓷，可制造拋光、研磨、切割、鋸開(kāi)、修整和整形工具。 Ti(C,N)基金屬陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀 Ti(C,N)基金屬陶瓷的制備工藝 Ti(C,N)基金屬陶瓷就是以 TiC、 TiN 或 Ti(C,N)為硬質(zhì)相，以 Ni、 Gr、 Mo、 Co 等為粘結(jié)相，以 Mo2C、 WC(Ta、 Nb)C、 Gr3C VC 等粘接劑為原料，進(jìn)行球磨、混磨，在一定的壓力下壓制成型，爾后在真空中燒結(jié)，其燒結(jié)溫度一般控制在 1200℃ ～ 1600℃ 之間 [7]。 制取粉末是粉末冶金的第一步， Ti(C,N)基金屬陶瓷是以 Ti(C,N)為主要硬質(zhì)相， Mo2C、WC、 NbC 等為添加劑， Ni、 Co 等為粘接相構(gòu)成材料，其粉末主要由 TiC、 TiC、或 Ti(C,N)、Ni、 Co、 Mo2C、 WC、 NbC 等組成。粉末制備方法各式各樣，以下介紹球磨法。 球磨法也有許多種，包括滾筒式球磨、震動(dòng)球磨、行星式球磨、行星是式振動(dòng)磨和攪拌球磨。工業(yè)上常用滾筒式球磨，其工作原理是：筒體內(nèi)裝載一定量的研磨體，被磨物料從加入口加入，按工工藝要求對(duì)物料、水和研磨體進(jìn)行適當(dāng)配比。當(dāng)筒體回轉(zhuǎn)時(shí)，研磨體在離心力的作用下，貼在筒體內(nèi)壁與筒體一起回轉(zhuǎn)上升，筒體內(nèi)的物料受到研磨體的沖擊和研磨作用而被粉碎。其余研磨法原理就不再一一介紹。 在許多情況下，粉末成形前需要進(jìn)行一定的處理，包括粉末的分散、篩分、混合、加成形劑、造粒等 。 考慮到 TiN 易水解的特性，采用無(wú)水乙醇作為分散介質(zhì)，采用球磨分散便可達(dá)到粉料均勻混合的目的。篩分的目的是把顆粒大小不同的粉料進(jìn)行分級(jí)，通常采用標(biāo)準(zhǔn)篩網(wǎng)制成的篩子或振動(dòng)篩來(lái)身份?；旌嫌卸喾N方法，其中機(jī)械混合法是用各種混和機(jī)將粉末或混合料機(jī)械的參合均勻而不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分為干混和濕混兩種。加成形劑是為了提高壓坯的強(qiáng)度或?yàn)榱朔乐狗勰┗旌狭想x析而添加的物質(zhì)，在燒結(jié)前或燒結(jié)時(shí)又將其去掉。造粒是將小顆粒粉末制成大顆粒或團(tuán)粒的工序，常用來(lái)改善粉末的流動(dòng)性。 成型方法有多種，如模壓成形、等靜壓成形等。 燒結(jié)的實(shí)質(zhì)是粉末坯在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境或氣氛中受熱，通過(guò)一系列的物理、化學(xué)變化，使粉末顆粒間的粘接發(fā)生質(zhì)的變化，坯塊的強(qiáng)度和密度迅速增加，其他物理、力學(xué)性能得到明顯改善。 燒結(jié)工藝主要包括四個(gè)方面：升溫過(guò)程、最高燒結(jié)溫度與保溫時(shí)間、降溫方式以及氣氛的控制。 燒結(jié)方法有真空燒結(jié)、氣氛燒結(jié)、壓力燒結(jié)等 [4]。 四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 Ni含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響 6 Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織、性能特點(diǎn) Ti(C,N)基金屬陶瓷 ,一般使用粉末液相燒結(jié)制成的。其顯微組織較為復(fù)雜，主要由碳氮化物硬質(zhì)相顆粒和金屬粘接相組成。其中，硬質(zhì)相顆粒由 TiC/Ti(C,N)芯和其外圍包覆的一層 (Ti,Mo)C/(Ti,Mo)(C,N)固溶體（ rim）組成 [8]。如圖 12 所示 : 圖 12 Ti（ C、 N）基金屬陶瓷的顯微組織 TiC/Ti(C,N)核芯 :硬質(zhì)相的內(nèi)層組織（ core）。 TiC/ TiN 是形成 Ti(C,N)的基礎(chǔ)，它們都具有 NaCl 型結(jié)構(gòu)。 TiC/Ti(C,N)微觀組織一般是呈大小不同的橢圓形及顆粒狀，不易被侵蝕劑染色和腐蝕。在正常的侵蝕條件下呈灰白色，若將試劑加熱或延長(zhǎng)侵蝕時(shí)間，白色的顆粒會(huì)變成暗色并會(huì)留下腐蝕坑。 硬質(zhì)相的外層組織（ rim 相）是一種過(guò)渡相，它改善了粘結(jié)相對(duì)碳化物潤(rùn)濕性，使粘結(jié)相和硬質(zhì)相比較好的結(jié)合，并抑制碳氮化鈦晶粒的長(zhǎng)大，有利于韌性的提高。粘結(jié)相主要是 Ti(C,N)基金屬陶瓷中的韌性相，是 Ti、 Mo、 C、 N 等元素溶入 Ni/Co 形成的固溶體。 力學(xué)性能主要包括彈性模量、抗彎強(qiáng)度、硬度、斷裂韌性和沖擊韌性等 [4]。 彈性模量 與其它固態(tài)材料一樣，陶瓷材料的彈性模量也可用胡克定律來(lái)描述，即拉伸變形時(shí)應(yīng)力 σ 與應(yīng)變 ε的關(guān)系為 σ=Eε （ 11） 式中， E 為彈性模量。剪切應(yīng)變時(shí)，其剪切應(yīng)力 τ 和剪切應(yīng)變 γ 之間的關(guān)系為 τ=Gγ （ 12） 式中， G 為剪切模量。彈性模量反應(yīng)的是原子之間的微小變化所需要外力的大小。表 14列出了一些 Ti(C,N)基金屬陶瓷的彈性模量： 四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 Ni含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響 7 表 14 部分 Ti（ C,N）基金屬陶瓷的彈性模量 材料 E/GPa （ Ti、 Mo/W） (C,N) 450 （ Ti、 Mo/W、 Nb、 Ta） (C,N) 410 實(shí)驗(yàn)表明，陶瓷材料的致密度對(duì)彈性模量的影響量很大。彈性模量的測(cè)試方法一般采用彎曲法，在彎曲實(shí)驗(yàn)中，由于加載方式的不同，又分為三點(diǎn)和四點(diǎn)彎曲加載。 抗彎強(qiáng)度 陶瓷材料的強(qiáng)度測(cè)試最普遍、最常見(jiàn)的是彎曲強(qiáng)度，彎曲強(qiáng)度也叫抗彎強(qiáng)度，是一個(gè)特的彈性梁受彎曲載荷斷裂時(shí)最大的應(yīng)力。式樣表面的粗糙度對(duì)所測(cè)定的彎曲強(qiáng)度值有很大的影響。一般說(shuō)來(lái)，表面越光滑強(qiáng)度越高。彎曲強(qiáng)度的測(cè)試也分為三點(diǎn)彎曲法和四點(diǎn)彎曲法。 硬度 硬度是材料的重要參數(shù)之一，它是材料抵抗局部壓力而產(chǎn)生變形能力的表征。目前，用于陶瓷材料硬度測(cè)定的方法主要是金剛石壓頭加載壓入法，其中包括維氏硬度、顯微硬度和洛氏硬度。 斷裂韌性和沖擊韌性 陶瓷材料的斷裂韌性是指陶瓷材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，又稱斷裂韌度。陶瓷材料的裂紋擴(kuò)展主要張開(kāi)式裂紋模型，簡(jiǎn)稱 I 型，根據(jù) I 型彈性裂紋尖端附近的應(yīng)力場(chǎng)分布，可求得陶瓷受張力 σ 使裂紋擴(kuò)展，其強(qiáng)度因子 K1C用下式表示 cYK aIC ?? (13) Y 為無(wú)量綱因子，取決于加載方式、式樣的幾何形狀和裂紋的幾何尺寸。 ɑc 為裂紋長(zhǎng)度。其測(cè)試方法可分為單邊切口梁法、壓痕法。 與硬質(zhì)合金相比， Ti(C,N）基金屬陶瓷的機(jī)械、物理性能有其獨(dú)有的優(yōu)越性?？蒲泄ぷ髡邔?duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷的組織、結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了大量的研究 [10]，特別是各主要成份及各種添加劑的添加量、添加形式對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)、性能的影響以及各種物理冶金因素對(duì)合金組織結(jié)構(gòu)、性能的影響進(jìn)行了研究，得到了多種成分的 Ti(C,N)基金屬陶瓷，其性能特點(diǎn)如下： (a)硬度很高，通?？蛇_(dá) HRA91～ 93． 5，有些可達(dá)到 HRA94～ 95，即可達(dá)到非金屬陶瓷刀具硬度的水平。 (b)有很高的耐磨性和良好的抗月牙洼磨損能力，在高速切削鋼制材料時(shí)磨損率極低，其耐磨性可比碳化鎢基硬質(zhì)合金高 3 到 4 倍。 (c)有較高的抗氧化能力，一般的硬質(zhì)合金在 850～ 900℃ 時(shí)開(kāi)始產(chǎn)生月牙洼磨損，而 Ti（ C,N）四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 Ni含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響 8 基金屬陶瓷的則為 1100～ 1200℃ ，高出了 200～ 300℃ 。碳化鈦氧化所形成的 Ti02 有潤(rùn)滑作用，所以氧化程度較碳化鎢基合金低約 10％。 (d)高耐熱性， Ti(C,N)基金屬陶瓷的高溫耐磨性、高溫強(qiáng)度與高溫硬度都比較好，在 1100～1300℃ 的高溫下仍能進(jìn)行切削。一般來(lái)說(shuō)，切削速度可比碳化鎢基硬質(zhì)合金高 2～ 3 倍，可達(dá)到 300～ 400m／ min，即使加工某些難以加工的高硬度材料，切削速度仍可達(dá)200rad/min。 (e)化學(xué)穩(wěn)定好 ,Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在切削時(shí)，刀具與工件接觸面、切屑上會(huì)形成鎳鋁酸鹽、 Mo2O3和氧化鈦薄膜，它們都能夠作為干潤(rùn)滑劑減小摩擦。 Ti(C,N)基金屬陶瓷與鋼不易產(chǎn)生粘結(jié)，在 700～ 900X3 時(shí)也未出現(xiàn)粘結(jié)情況，即不易產(chǎn)生積屑瘤，加工表面粗糙度較小。 Ti(C,N)基金屬陶瓷的應(yīng)用 Ti(C,N)基金屬陶瓷是介于 WC 硬質(zhì)合金和超硬質(zhì)合金之間的一種新型刀具材料，工業(yè)金屬陶瓷刀片被 Ti(C,N)基金屬陶瓷所壟斷，由于其具有優(yōu)良的耐磨性（尤其是耐月牙洼磨損）和耐沖擊性，課代替 WC 基硬質(zhì)合金刀具加工普通碳鋼、合金鋼和鑄鐵，效果顯著。用作鋼具精銑更是得天獨(dú)厚。且壽命比 WC 基、 Ni 基硬質(zhì)合金高 1～ 4 倍。它不僅適用于用作高速精加工的刀具，而且能滿足鋼材和韌性鑄鐵的半精加工、粗加工和間斷切削加工，其 適用范圍填補(bǔ)了 WC 基硬質(zhì)合金和 AI2O Si3N4陶瓷之間高速精加工和半精加工領(lǐng)域。 目前， Ti(C,N)基金屬陶瓷應(yīng)用于加工領(lǐng)域已成為現(xiàn)實(shí)，已制成各種微型可轉(zhuǎn)位刀具，用于精鏜孔和精孔加工及 ―以車代磨 ‖等精加工領(lǐng)域，且由于 Ti(C,N)基金屬陶瓷有低密度、低摩擦系數(shù)、高耐磨性以及穩(wěn)定的高溫性能，還可用于：各類發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件，如小軸瓦、葉輪根部法蘭、閥門、閥座、推桿、搖臂、偏心輪軸、熱噴嘴以及活塞環(huán)等。也可用于石化工業(yè)中各種密封環(huán)和閥門，還適合做各種量具，如滑規(guī)、賽規(guī)、環(huán)規(guī)。 Ti(C,N)基金屬陶瓷還具 有良好的耐酸堿腐蝕性能，其耐蝕性能明顯優(yōu)于 YG8 硬質(zhì)合金，可用于石油化工、化纖工業(yè) [10]. Ti(C,N)基金屬陶瓷的發(fā)展趨勢(shì) Ti(C,N)基金屬陶瓷作為一種新型刀具材料，其使用范圍填補(bǔ)了 WCCo 基硬質(zhì)合金與陶瓷刀具之間的空白，是目前人們研究的最成功的 WCCo 基硬質(zhì)合金的替代品，除用于刀具材料之外，還可用于拉絲模、各類發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫部件以及石化工業(yè)中的各類密封件 [12]。 就目前看來(lái)，金屬陶瓷主要應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域，在此領(lǐng)域，完全取代硬質(zhì)合金是有可能的。但是，如圖硬質(zhì)合金的發(fā)展一樣，新材料的應(yīng)用不會(huì)只局限與切削加工領(lǐng)域。隨著材料不斷發(fā)展以及相關(guān)科技不斷進(jìn)步，是 Ti 基金屬陶瓷應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域已成為現(xiàn)實(shí)。除此之外，基本的應(yīng)用還在于材料的耐磨性。但與硬質(zhì)合金不同，低密度、低摩擦系四川大學(xué)本科畢業(yè)論文 Ni含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響 9 數(shù)、高耐腐蝕性以及溫度的高溫性能，其應(yīng)用范圍更加廣泛。 21 世紀(jì)是高科技的世紀(jì)，高科技的發(fā)展促進(jìn)了金屬陶瓷復(fù)合材料的發(fā)展。目前，金屬陶瓷的發(fā)展主要集中在一下幾個(gè)方面： （ 1）新材料的研究與開(kāi)發(fā)。主要有三方面，硬質(zhì)相正在向多樣化發(fā)展，致力于開(kāi)發(fā)新型硬質(zhì)相和復(fù)合硬質(zhì)相等；作為粘結(jié)相的金屬或合金種類不斷增多，以資源豐富的金屬代替資源短缺的金屬（如用 Ni 代替 Co）；相成分逐漸拓寬，硬質(zhì)相和粘結(jié)相含量不斷突破以前研究的范圍。 （ 2）超細(xì)晶粒和納米級(jí)金屬陶瓷 總之，努力降低成本，不斷提高其強(qiáng)度、韌性和高溫性能等仍是 Ti(C,N)基金屬陶瓷今后發(fā)展的基本趨勢(shì)，但尚有許多問(wèn)題需要解決，如材料制備中的組分設(shè)計(jì)、反應(yīng)機(jī)理的研制，制造方法和加工工藝的優(yōu)化、性能和結(jié)構(gòu)的分析等。利用飛速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技 術(shù)，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)形成過(guò)程和破壞過(guò)程進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，對(duì)材料的宏觀結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行真實(shí)分析，再根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立數(shù)學(xué)模型并加以驗(yàn)證，進(jìn)行材料優(yōu)化設(shè)計(jì)、降低成本、提高性能、促進(jìn)大規(guī)模生產(chǎn)、拓展其民用領(lǐng)域是亟待解決的問(wèn)題，采用納米改性技術(shù)是發(fā)展的主要方向之一 [4]。 雖然 Ti(C,N)基金屬陶瓷添加劑種類繁多，可形成多種系列的金屬陶瓷，但總體而言，基本的系列仍然為 Ti(C,N)Ni/Mo 系和 TiCTiNMo2CNi 系。 Ti(C,N)基金屬陶瓷中添加劑的作用組要是：改進(jìn)硬質(zhì)相的性能、強(qiáng)化粘結(jié)相、控制環(huán)形相的厚度及改進(jìn)環(huán)形相的結(jié)構(gòu)和性能、細(xì)化晶粒等。最總達(dá)到提高材料的強(qiáng)韌性、高溫耐磨性能等。 C 的加入量取決于原料中氧和鉬的加入量。隨著 C 含量的增加，合金的組織細(xì)化，低C 含量的合金，其組織中的硬質(zhì)相粗大，合金液相點(diǎn)溫度隨 C 含量的增加而降低，并且隨著 C 含量的增加， W、 Mo、 Ti 等元素的溶解度降低。 隨著 C 含量的增加，合金的強(qiáng)度合硬度增加，但當(dāng)合金中出現(xiàn)大量游離的石墨時(shí)，其強(qiáng)度和硬度則會(huì)大大降低。 Ti(C,N)基金屬陶瓷中 N 的作用主要表現(xiàn)為：顯著影響 (Ti,Mo)(C,N)包覆相的生長(zhǎng)過(guò)程和特征，隨 N 含量的增加，可抑制包覆相的過(guò)度生長(zhǎng)，從而細(xì)化碳化物相晶粒。添加其它碳化物時(shí)，影響 W、 Mo、 Ta 在包覆相中的分布。 在 Ti(C,N)基金屬陶瓷中， Mo 的