【正文】 部呈黑色 , 外殼呈灰色。可見， Ni 的加入有助于提高金屬陶瓷的塑形，但 Ni 含量過高，可能形成脆性相，影響合金強度。 Ni 元素作為粘結相，其對金屬陶瓷的組織和 性能均有較大的影響。這主要與 Co 對陶瓷相潤濕性很好有關。用部分 Co 代替 Ni 時，組織將變得更均勻，但晶粒的尺寸很大且變得很規(guī)則。 Ni 是基本的粘結劑，也時常往粘接劑中添加 Co，以便提高可加工性和降低鈦在鎳中的固溶性，穩(wěn)定碳氮化物。其添加量一般在 %～ %的范圍類 [1 13]。添加同樣體積的 WC 其對材料性能的提高比加入 TaC、 NbC 更加顯著，添加 WC 和 MoC 一樣，在合金燒結過程中，會通過溶解 析出機制，形成包覆相結構，因而能其細化晶粒的作用，但是，添加過多的 WC 會使包覆相過厚，晶粒粗話，合金的硬度下降，添加 WC 超過一定量以后，基體中出現(xiàn)飛平衡的碳化物相。 WC的彈性模量比 Ti（ C,N)和 TiC 高，而且可在一定的壓力下進行塑形變形，因此加入 WC 可提高材料的強韌性。 加入 WC 能使金屬陶瓷的強度上升而硬度略有下降，這是由于 WC 的加入改善了粘結相對 Ti（ C,N)的潤濕性。當 Mo 含量為 19%（ Wt）時，采用多種燒結工藝都無法使其致密，其原因有二：（ 1）隨 Mo 含量的增加，變出現(xiàn)液相溫度區(qū)間變大，當液相出現(xiàn)前的保溫不足夠時，就會有氣孔被液相所封閉，難以排除；（ 2） Mo/Ni 的比值過大，而 Mo 則優(yōu)先分配到硬質相，而導致粘結相體積下降。 Mo 含量過多，則 rim 相的厚度增加，碳化物晶粒變 粗，硬度下降。 Mo 一般以 Mo 或 MoC 的形式加入，當以其它硬質相制成的固溶體形式加入時，由于固溶體成分已完全平衡，反而降低了碳化物對粘結相的潤濕性，使材料的性能下降。添加其它碳化物時，影響 W、 Mo、 Ta 在包覆相中的分布。 隨著 C 含量的增加，合金的強度合硬度增加，但當合金中出現(xiàn)大量游離的石墨時，其強度和硬度則會大大降低。 C 的加入量取決于原料中氧和鉬的加入量。 Ti(C,N)基金屬陶瓷中添加劑的作用組要是：改進硬質相的性能、強化粘結相、控制環(huán)形相的厚度及改進環(huán)形相的結構和性能、細化晶粒等。利用飛速發(fā)展的計算機技術，對材料的結構形成過程和破壞過程進行模擬和預測，對材料的宏觀結構和微觀結構進行真實分析，再根據(jù)實驗結果建立數(shù)學模型并加以驗證，進行材料優(yōu)化設計、降低成本、提高性能、促進大規(guī)模生產(chǎn)、拓展其民用領域是亟待解決的問題，采用納米改性技術是發(fā)展的主要方向之一 [8]。主要有三方面，硬質相正在向多樣化發(fā)展，致力于開發(fā)新型硬質相和復合硬質相等；作為粘結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，硬質相和粘結相含量不斷突破以前研究的范圍。 21 世紀是高科技的世紀，高科技的發(fā)展促進了金屬陶瓷復合材料的發(fā)展。除此之外，基本的應用還在于材料的耐磨性。但是，如圖硬質合金的發(fā)展一樣，新材料的應用不會只局限與切削加工領域。 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 硬質合金，四川大學 本科畢業(yè)設計 Ni 含量和球磨時間對 Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 13 可用于石油化工、化纖工業(yè) [11]. Ti(C,N)基金屬陶瓷的發(fā)展趨勢 Ti(C,N)基金屬陶瓷作為一種新型刀具材料，其使用范圍填補了 WCCo 基硬質合金與陶瓷刀具之 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)動機的高溫部件以及石化工業(yè)中的各類密封件 [12]。 目前， Ti(C,N)基金屬陶瓷應用于加工領域已成為現(xiàn)實，已制成各種微型可轉位刀具，用于精鏜孔和精孔加工及 ―以車代磨 ‖等精加工領域，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)動機的高溫部件，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。且壽命比 WC 基、 Ni 基硬質合金高 1～ 4 倍。 Ti(C,N)基金屬陶瓷的應用 Ti(C,N)基金屬陶瓷是介于 WC 硬質合金和超硬質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 基硬質合金刀具加工普通碳鋼、合金 鋼和鑄鐵，效果顯著。 (e)化學穩(wěn)定好 ,Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具在切削時，刀具與工件接觸面、切屑上會形成鎳鋁酸鹽、 Mo2O3和氧化鈦薄膜，它們都能夠作為干潤滑劑減小摩擦。 (d)高耐熱性， Ti(C,N)基金屬陶瓷的高溫耐磨性、高溫強度與高溫硬度都比較好，在 1100～1300℃ 的高溫下仍能進行切削。 (c)有較高的抗氧化能力，一般的硬質合金在 850900℃ 時開始產(chǎn)生月牙洼磨損，而 Ti（ C,N）基金屬陶瓷的則為 1100～ 1200℃ ，高出了 200～ 300℃ ?？蒲泄ぷ髡邔?Ti（ C,N）基金屬陶瓷的組織、結構和性能進行了大量的研究 [10]，特別是各主要成份及各種添加劑的添加量、添加形式對合金組織結構、性能的影響以及各種物理冶金因素對合金組織結構、性能的影響進行了研究，得到了多種成分的 Ti(C,N)基金屬陶瓷，其性能特點如下： (a)硬度很高，通?？蛇_ HRA91～ 93． 5，有些可達到 HRA94～ 95，即可達到非金屬陶瓷刀具硬度的水平。其測試方法可分為單邊切口梁法、壓痕法。陶瓷材料的裂紋擴 展主要張開式裂紋模型，簡稱 I 型，根據(jù) I 型彈性裂紋尖端附近的應力場分布，可求得陶瓷受張力 σ 使裂紋擴展，其強度因子 K1C用下式表示 1CcK Y a?? Y 為無量綱因子，取決于加載方式、式樣的幾何形狀和裂紋的幾何尺寸。目前，用于陶瓷材料硬度測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。彎曲強度的測試也分為三點彎曲法和四點彎曲法。式樣表面的粗糙度對所測定的彎曲強度值有很大的影響。彈性模量的測試方法一般采用彎曲法，在彎曲實驗中，由于加載方式的不同，又分為三點和四點彎曲加載。彈性模量反應的是原子之間的微小變化所需要外力的大小。剪切應變時，其剪切應力 τ 和剪切應變 γ 之間的關系為 τ=G 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描述，即拉伸變形時應力 σ 與應變 ε的關系為 σ=E粘結相主要是 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。在正常的侵蝕條件下呈灰白色，若將試劑加熱或延長侵蝕時間，白四川大學 本科畢業(yè)設計 Ni 含量和球磨時間對 Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 11 色的顆粒會變成暗色并會留下腐蝕坑。 TiC/ TiN 是形成 Ti（ C,N）的基礎，它們都具有 NaCl 型結構。其中，硬質相顆粒由 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 [9]。 Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織、性能特點 Ti（ C,N）基金屬陶瓷 ,一般使用粉末液相燒結制成的。 燒結工藝主要包括四個方面：升溫過程、最高燒結溫度與保溫時間、降溫方式以及氣氛的控制。 成型方法有多種，如模壓成形、等靜壓成形等。加成形劑是為了提高壓坯的強度或為了防止粉末混合料離析而添加的物質，在燒結前或燒結時又將其去掉。篩分的目的是把顆粒大小不同的粉料進行分級，通常采用標準篩網(wǎng)制成的篩子或振動篩來身份。 在許多情況下，粉末成形前需要進行一定的處理，包括粉末的分散、篩分、混合、加成形劑、造粒等。當筒體回轉時，研磨體在離心力的作用下，貼在筒體內壁與筒體一起回轉上升，筒體內的物料受到研磨體的沖擊和研磨作用而被粉碎。 球磨法也有許多種，包括滾筒式球磨、震動球磨、行星式球磨、行星是式振動磨和攪拌球磨。 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）為主要硬質相，Mo2C、 WC、 NbC 等為添加劑， Ni、 Co 等為粘接相構成材料，其粉末主要由 TiC、 TiC、或 Ti（ C,N）、 Ni、 Co、 Mo2C、 WC、 NbC 等組成。此外，這類材料還被廣泛的用來制造制動器襯面和離合器襯片。 表 12 碳化物基金屬陶瓷 類型 類別 特點 應用 WC WCCo 機械性能高 研究最多、應用最廣 TiC TiCCo 代替 WCCo 基陶瓷，耐磨性好，抗氧化性好，密度低 高溫軸承、切削刀具、量具、規(guī)塊 TiCNiMo TiCCr TiCMoC Cr3C2 Cr3C2/Ni 硬度低、耐磨、耐腐蝕性好、熱膨脹系數(shù)低、高溫抗氧化性好 工具方面和化學工業(yè)中得到了應用 Cr3C2/NiCr Cr3C2/Niw ZrC、 HfC、 TaC、 NbC、B4C 等 耐高溫氧化性都不好而且非常脆 B4C不銹鋼、 B4CAl金屬陶瓷可做成原子反應堆控制棒 (3)碳氮化物基金屬陶瓷 (4)硼化物基金屬陶瓷：硼化物是具有特殊物理和化學性能的化合物，特別是它有高硬度、高熔點和高的化學穩(wěn)定性，所以被認為是最有發(fā)展前途的一種金屬陶瓷，表 13 中列舉了部分硼化物基金屬陶瓷。 表 11氧化物基金屬陶瓷 類型 類別 特點 應用 Al2O3 基 Al2O3Cr 提高機械強度 回收和精煉鐵、熱電偶保護管 Al2O3CrMo 提高高溫性能 噴氣火焰控制器、導彈噴管的襯套、熔融金屬流量控制針、 ―T‖形澆口、爐管、火焰防護桿以及熱電偶保護套管和機械密封環(huán)等 Al2O3Fe 硬度高，耐磨、耐腐蝕、熱穩(wěn)定性高 機械密封環(huán)，高溫部件等 ZrO2 ZrO2Ti 坩堝材料等 ZrO2W 耐磨、耐高溫、抗氧化 火箭噴嘴等 ZrO2Mo 化學和高溫機械性能高 保護管、鑄造中的型芯、熔融金屬的流量調節(jié)器等 其他 BeOW 抗熱性好 坩堝材料 ThO2w，ThO2Nb 電子工業(yè)產(chǎn)品 UO2Al，UO2W 抑制裂變產(chǎn)物，導熱性好 核反應堆堆心的燃燒元件 四川大學 本科畢業(yè)設計 Ni 含量和球磨時間對 Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 8 (2)碳化物基金屬陶瓷：是目前應用最為廣泛的金屬陶瓷之一， 1923 年， WC 基金屬陶瓷問世， WCCo 系金屬陶瓷習慣被稱為硬質合金； 20 世紀 50 年代開始出現(xiàn)碳化鈦基金屬陶瓷，常用種類有： TiC/Co、 TiC/Ni、 TiC/Cr 等；到 60 年代初期，中國開始研制碳化物基金屬陶瓷，主要有 TiC 基和 WC 基兩大類。但由于晶界上有相當數(shù)量的 Mo、 Ni 等金屬相，硬度較低（ HRA9192），高溫性能也受到影響，難于 勝任高硬難加工材料的加工，為了提高 TiCN 基金屬陶瓷刀具的硬度和切削能力，加入Si3N4/ AL2O3 作為彌散相，經(jīng)過燒結時的反應，大大減少了晶界金屬相使硬度提高到HRA9495，稱之為復合 TiCN 基金屬陶瓷刀具 [5]。 為粘結相，經(jīng)過高溫燒結而成的金屬刀具材料。 1912 年英國首獲 AL2O3 陶瓷刀具專利。 1898 年高速鋼工具問世， 1926 年硬質合金又研制成功，使切削加工的歷史發(fā)生了兩次革命性的進步。 （ 2）、超細晶粒和納米級金屬陶瓷 總之，努力降低成本，不斷提高其強度、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，但尚有許多問題需要解決，如材料制備中的組分設計、反應機理的研制，制造方法和加工工藝的優(yōu)化、性能和結構的分析等 [4]。目前，金屬陶瓷的發(fā)展主要集中在一下幾個方面： （ 1）、新材料的研究與開發(fā)。但與硬質合金不同，低密度、低摩擦系數(shù)、高耐腐蝕性以及溫度的高溫性能，其應用范圍更加廣泛。隨著材料不斷發(fā)展以及相關科技不斷進步，是 Ti 基金屬陶瓷應用于切削加工 領域已成為現(xiàn)實。 就目前看來，金屬陶瓷主要應用于切削加工領域，在此領域，完全取代硬質合金是有可能的。同時，抗熱疲勞性能和抗塑性變形能力也提高許多，使該材料能穩(wěn)定地應用于車削、銑削加工。對 Co 粘結相的替代材料的研究，促成了以 Ni代 Co 硬質合金的問世；而以硬度更強的 TiC 硬質相代替碳化鎢技術的發(fā)展，則導致了 TiC基金屬陶瓷的問世，并最終發(fā)展為如今的 Ti(C,N)基金屬陶瓷。 自從 1923 年 WCCo 硬質合金問世以來，其制備技術得到了飛速發(fā)展，并逐漸應用于切削刀具、拉絲模和耐磨零件等。 四川大學 本科畢業(yè)設計 Ni 含量和球磨時間對 Ti（ C,N）基金屬陶瓷性能的影響 6 陶瓷刀具材料的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾個方面 [2,3]： (1)能夠加工傳統(tǒng)硬質合金刀具難以加工或根本無法加工的高硬度材料，比如硬度達到 65HRC的各種硬化鑄鐵和淬硬鋼； (2)不僅能對高硬材料進行粗、精加工，也可進行刨削、銑削、斷續(xù)切削等沖擊力很大的加工；(3)刀具的耐