【正文】 不同 Ni 含量的孔隙顯微照片 CC1 CC2 CC3 CC4 四川大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Ni 含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 29 不同球磨時(shí)間的孔隙顯微照片 CC5 CC3 。 從實(shí)驗(yàn)的目的出發(fā)，球磨時(shí)間為 48 小時(shí)最為宜。從 CC CC CC CC7 四組數(shù)據(jù)中可以看出，球磨時(shí)間對(duì)孔隙度會(huì)產(chǎn)生影響，在實(shí)驗(yàn)的球磨時(shí)間范圍內(nèi)，孔隙度先減小后增大。這是因?yàn)殡S著球磨時(shí)間的增加，材料的晶粒度減小，硬度上升。 從本實(shí)驗(yàn)的目的出發(fā)，可以看出，當(dāng) Ni 含量為 6%時(shí)，金屬陶瓷的硬度達(dá)到最大為 。 編號(hào) 平均密度（ g/cm3） 編號(hào) 平均密度（ g/cm3） CC1 CC5 CC2 CC6 CC3 CC7 CC4 四川大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Ni 含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 25 20 30 40 50 60 70 80 90 1005 .5 05 .5 55 .6 05 .6 55 .7 05 .7 55 .8 05 .8 55 .9 0球磨時(shí)間（ h ）密度（g/cm3）密度隨球磨時(shí)間的變化曲線 圖 311密度隨 Ni含量的變化曲線 圖 312密度隨 Ni含量的變化曲線 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（ % ）密度（g/cm3）密度隨 Ni 含量的變化曲線四川大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Ni 含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 26 用硬度計(jì)測(cè)出各組試樣至少 3 個(gè) HRA 硬度值，并取平均值，所得結(jié)構(gòu)如表 32： 表 32 硬度 編號(hào) 硬度（ HRA） 編號(hào) 硬度（ HRA） CC1 CC5 CC2 CC3 CC3 CC6 CC4 CC7 為了觀察更直觀，先取 CC CC CC CC4 四組數(shù)據(jù) ，繪制硬度隨 Ni 含量的變化曲線圖，如圖 321，再取 CC CC CC CC7 四組數(shù)據(jù)，繪制硬度隨球磨時(shí)間的變化曲線，如 圖 322：從圖 321 可以看出，隨著 Ni 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，合金的硬度是不斷下降的。 先取 CC CC CC CC4 四組數(shù)據(jù)作圖，得到密度隨 Ni 含量的變化曲線，如圖 311，從圖 311 中可以看出，隨著 Ni 含量的增加，密度也逐漸地上升， 這是由于試樣成分中Ni 和 Ti（ C,N）的密度是不一樣的， Ni 的密度要大于 Ti（ C,N）的密度，隨鎳含量的增加，密度必然要增加。 采用阿基米德原理計(jì)算出的各個(gè)試樣的密度。兩個(gè)平均值的比值即為燒結(jié)前后的線收縮率 。 在燒結(jié)前，用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量坯塊的長(zhǎng)寬高，每組試樣測(cè)三組數(shù)據(jù)，計(jì)算其平均值。它包括材料中所有的孔隙，不管它們是否連通。的金剛石錐，所加載荷為 60kg，適合洛氏硬度 70 以上 ,測(cè)量精度為 。 洛氏硬度有 A、 B、 C 三種標(biāo)尺，金屬陶瓷的硬度通常用洛氏硬度 A 刻度，即： HRA。因此，在陶瓷材料的力學(xué)性能的評(píng)價(jià)中，硬度測(cè)試是使用最普遍且數(shù)據(jù)獲得較容易的評(píng)價(jià)方法之一，因而占有重要的地位。但高硬度、耐磨性好是陶瓷材料的主要優(yōu)良特性，硬度與耐磨性有密切關(guān)系。而陶瓷材料屬脆性材料，硬度測(cè)定時(shí)，在壓頭壓入?yún)^(qū)域會(huì)發(fā)生包括壓縮剪斷等復(fù)合破壞的偽塑性變形。 ρ 理 =mV =各組分質(zhì)量之和各組分體積之和 其中各組分質(zhì)量之和可由配料表計(jì)算得到，各組分體積之和 V 可按如下公式計(jì)算： V=∑組分質(zhì)量組分密度 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。 對(duì)于試樣的密度，首先我們需要計(jì)算出其理論密度，以便于比較。合金的實(shí)際密度是根據(jù)阿基米德原理 [23]:合金試樣在水中所受浮力相當(dāng)于排開同體積水的重量，測(cè)出金屬陶瓷試樣在水中和空氣中的質(zhì)量后便可以算合金的密度，因此，我們按下式算出試樣的密度 ρ： ρ=m空 *ρ 液 /（ m 空 m 液 ） *（ ） + 式中 : ρ 液 ——液體的密度，單位 g/cm3 ； m 空 ——試樣在空氣中稱得的質(zhì)量，單位 g； m 液 ——式樣在液體中的質(zhì)量，單位 g。燒結(jié)制品的密度即單位體積物質(zhì)的質(zhì)量。 在金屬陶瓷的科研生產(chǎn)中幾乎都要了解和測(cè)定材料的密度。 具體步驟如下，先在 上海金相 P1 拋光機(jī)（ 拋盤直徑 200mm，轉(zhuǎn)速 1350r/min）上把試樣各個(gè)面都磨成平整無(wú)痕的光潔面。 四川大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Ni 含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 22 測(cè)硬度需要把樣品的一側(cè)表面用研磨機(jī)去毛邊并大體磨平。 燒結(jié)工藝主要包括一下四個(gè)方面：升溫過程、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)是金屬陶瓷制備過程中的關(guān)鍵工序，也是粉末冶金生產(chǎn)過程的最后一道主要工序。 壓制成型對(duì)粉料有一定的要求：粉料應(yīng)具有較高的體積密度，同時(shí)有合理的顆粒級(jí)配。開始加壓時(shí)壓力不能太大，以利于坯料中氣體的排出，隨后可逐漸加大壓力，最后一次加壓后提起上摸速度要慢、要輕，以防殘留的空氣急速膨脹，是胚體產(chǎn)生裂紋。金屬陶瓷的模壓壓制壓力一般為 170MPa～ 200MPa。研磨時(shí)間不同當(dāng)然后造成粉粒度的不同，所以研磨的時(shí)間可以成為影響實(shí)驗(yàn)的主要方面，這也是本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)探討的工藝。球磨最大的缺點(diǎn)是在研磨過程中，由于球與球，球與筒，球與料以及料與筒之間有撞擊、研磨。比如，在此次實(shí)驗(yàn)過程中，可能影響實(shí)驗(yàn)的方面是很多的，諸如實(shí)驗(yàn)設(shè)備是否干凈、實(shí)驗(yàn)器材是否洗凈、實(shí)驗(yàn)配料是否精確、粉料是否受到污染、以及實(shí)驗(yàn)方式本身是否恰當(dāng)?shù)龋苍S我們可以把這些叫做實(shí)驗(yàn)的次要方面，為什么呢，因?yàn)橐话愣裕@些是實(shí)驗(yàn)者的判斷問題，通常情況下不會(huì)造成實(shí)驗(yàn)的重大影響的，我們當(dāng)然是可以把所有東西洗凈，使用沒有受到污染的原料等的。采用普通模壓法，將摻膠后的備用粉末放入一定的模具中壓制成型 最后將壓制得到的坯塊在物料主要組元熔點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行燒結(jié)，使制品具有最終的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)定的樣品成分比例配成混合粉末，加入球磨桶中，再加入汽油作為研磨介質(zhì)，根據(jù)不同工藝研磨不同的時(shí)間，分別為 24h、48h、 72h、 96h。近年來(lái)又出現(xiàn)了一些新的方法，比如說機(jī)械合金化（ Mechanical Alloying）的方法、等離子燒結(jié)（ Spark plasma sintering）的方法 [8]。 歸結(jié)起來(lái)，金屬陶瓷樣品的制備流程主要包括 [20]：球磨制粉、壓制和燒結(jié)。 技術(shù)路線： 如圖 13 所示： 圖 13 實(shí)驗(yàn)的技術(shù)路線 比較不同成分和不同 工藝的金屬陶瓷式樣 比較 4組不同 Ni含量的金屬陶瓷式樣 比較 4 組不同球磨時(shí)間的金屬陶瓷式樣 配料、球磨 壓制、燒結(jié) 燒結(jié)后的合金式樣孔隙度及晶粒度的檢測(cè)，物理性能的檢測(cè) 密度 硬度 孔隙度 評(píng)價(jià)金屬陶瓷的性能得出結(jié)論 晶粒度 四川大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Ni 含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 18 第二章 實(shí)驗(yàn)過程 實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)所需材料如表 21 所示： 表 21 實(shí)驗(yàn)所需材料 材料 粒度 (μm) 元素含量 C： N： O： Fe： Ni C： O： S： Fe ： Ni： Mo2C 總碳 T C： 游離碳 F C： O： 1 N： 實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備 用于實(shí)驗(yàn)過程及分析檢測(cè)的主要設(shè)備，如下表 22 所示： 表 22 實(shí)驗(yàn)過程及分析檢測(cè)設(shè)備 設(shè)備名稱 型號(hào) 干燥設(shè)備 DZF－真空干燥箱 球磨機(jī) 三層輥式球磨機(jī)， 1kgWCCo 硬質(zhì)合金球磨桶 粉末壓制設(shè)備 合肥鍛壓廠 Y415A 型 ,25 噸壓機(jī) 燒結(jié)設(shè)備 自貢 ZYLZA150 真空燒結(jié)爐 磨樣設(shè)備 上海金相 P1 拋光機(jī) 拋光機(jī) 上海金相 PG1 金像試樣拋光機(jī) 硬度檢測(cè)設(shè)備 日本 AKashi ARK600 稱重電子天平 BSl0l 型電子天平 游標(biāo)卡尺 四川大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) Ni 含量和球磨時(shí)間對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 19 Ti（ C,N）金屬陶瓷樣品的制備 樣品的成分及其對(duì)應(yīng)的研磨時(shí)間 試驗(yàn)中自行制備了不同 Ni 含量的幾組 Ti（ C,N）基金屬陶瓷樣品，其成分與研磨時(shí)間如表 23 所示： 表 23 編號(hào) (wt.%) Mo2C(wt.%) Ni(wt.%) 球磨時(shí)間 /h CC1 84 10 6 48 CC2 79 10 11 48 CC3 74 10 16 48 CC4 69 10 21 48 CC5 74 10 16 24 CC6 74 10 16 72 CC7 74 10 16 96 通常金屬陶瓷的制備方法和硬質(zhì)合金一樣是傳統(tǒng)的粉末冶金方法（ Powder Metallurgy） ,也就是把 TiC、 TiN、 WC、 Mo2C、 (Ta、 Nb)C 和 Ni/Co 等原始粉料經(jīng)過混合后壓制，最后進(jìn)行燒結(jié) [19]。 （ 3） 研究不同球磨時(shí)間對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷顯微組織的影響，包括孔隙度、晶粒度。 研究?jī)?nèi)容： （ 1） 研究 Ni 含量對(duì) Ti（ C,N）基金屬陶瓷顯微組織的影響，包括孔隙度、晶粒度。此外，不同制備工藝當(dāng)然也會(huì)對(duì)金屬陶瓷的性能產(chǎn)生影響，本次實(shí)驗(yàn)通過改變球磨時(shí)間，旨在探求最佳的球磨時(shí)間，以制備出性能最好的材料。因此在硬質(zhì)合金及金屬陶瓷批量生產(chǎn)過程中，為了降低 生產(chǎn)成本，盡量以 Ni 作為粘結(jié)相。 Ni 是 Ti（ C,N）基金屬陶瓷最常用的粘結(jié)相，但是與同為金屬粘接劑的 Co 作比較， Co 的物理性能更優(yōu)，對(duì)硬質(zhì)相的潤(rùn)濕性更好，韌性更好， Mo、 W 等粘接劑在其中的溶解度也比在 Ni 中大，因此看似 Co 更適合于作為金屬陶瓷粘接劑。由于 Ti（ C,N）基金屬陶瓷刀具材料具有較高的硬度、紅硬性、良好的的韌性和強(qiáng)度、耐磨性、金屬間極低的摩擦系數(shù)以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，已在諸如日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家得到了廣泛的應(yīng)用 [3]，并且已經(jīng)顯示出了其替代傳統(tǒng)的 WCCo 硬質(zhì)合金材料的巨大潛力。真空微波燒結(jié)與真空燒結(jié)制備所得 Ti（ C,N）材料相比，具 有更高的相對(duì)密度和硬度 [17]。 陶瓷顆粒增強(qiáng)相的原始粒度增大 ,燒結(jié)溫度升高 ,濕磨時(shí)間縮短都將引起材料的顯微組織發(fā)生變化 ,并導(dǎo)致強(qiáng)度的下降； 當(dāng)材料的成分中缺碳時(shí) ,會(huì)出現(xiàn)使強(qiáng)度、硬度急劇下降的非 TiNi3 異常相 ,這是一種脆性相 ,制備過程中應(yīng)該避免 [16]。 也有學(xué)者研究了無(wú)鈷 TiCN顆粒復(fù)合材料的組織變化，無(wú)鈷 TiCN 顆粒復(fù)合材料的正常顯微組織由陶瓷顆粒相 ,粘結(jié)相及雙層結(jié)構(gòu)相組成。斷口呈現(xiàn)較多的微孔缺陷 , 影響材料的強(qiáng)韌度。 不同球磨時(shí)間對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響 不同的燒結(jié)工藝對(duì) Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響是非常大的，韓成良等研究了 原料粉末粒度對(duì) TiCN 基金屬陶瓷微觀組織的影響，采用傳統(tǒng)液相燒結(jié)方法 , 用微米 納米復(fù)合陶瓷粉 ( TiCum+ TiNnm) 制備的 Cermet A 和用納米 TiCNnm 固溶體陶瓷粉制備的 Cermet B，試驗(yàn)制備的兩種金屬陶瓷組織均由陶瓷相和金屬相組成 , 其中 , 白色的金屬粘結(jié)相呈斷續(xù)狀分布于陶瓷相晶界處 , 陶瓷相具有典型的芯 (Core)殼 ( Rim) 結(jié)構(gòu)特征；并且可發(fā)現(xiàn) , Cermet A陶瓷相的芯