11、TiN纳米颗粒增强(Ti,W,Mo)C@TiC-Ni金属陶瓷刀具的制备

TiN纳米颗粒增强(Ti,W,Mo)C@TiC-Ni金属
陶瓷刀具的制备
韩成良赵娣芳丁明
(合肥学院化学与材料工程系合肥230022)
摘要采用快速等离子体烧结技术成功制备出了TiN纳米颗粒增强TiC基新型金属陶瓷刀具。

初步分析和研究结果表明，适量添加的TiN纳米颗粒将分布于(Ti,W,Mo)C@TiC复合陶瓷相的晶界处，起到了细化陶瓷相晶粒和强化晶界联接双重作用，大大提高了基体强度和耐磨性能。

因此，TiN纳米颗粒添加能有效提高金属陶瓷刀具材料的力学性能，可望用于机械加工切削刀具制造。

关键词金属陶瓷刀具；TiN纳米颗粒；显微组织；快速等离子体烧结
1 引言
TiC基金属陶瓷是在WC-Co基硬质合金基础上发展起来的一种新型颗粒型复合材料，由于它具有硬度高、耐磨性及导热性好等优良综合性能，因而可被用作工具材料[1-2]。

70年材料研究学者发现，含N2的金属陶瓷有着更优良的综合性能[2]。

然而，随着机械工业的飞速发展，对用于切削加工的陶瓷和金属陶瓷刀具材料的性能提出了更高的要求，原有体系的金属陶瓷仍旧脆性很高，用作切削刀具加工零件时多数发生崩刃现象[3]。

为了使刀具材料发展能跟上切削加工发展步伐，人们采用了多种措施来提高和改善刀具材料的脆性性能。

其中，90年代，材料研究学者将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，一改往日颗粒补强增韧这一不级纤维、晶须补强的情况，为陶瓷领域研究的一个热点[4]。

本文采用快速等离子体结技术制备TiN纳米颗粒增强TiC基金属陶瓷刀具，研究了其显微组织结构特征，为刀具的制备和应用推广作理论指导。

2 实验方法
首先，用ZB220-T型超声波对TiN纳米粉进行分散，混料后加入适量无水乙醇并置于QM-1F行星式球磨机上进行球磨24h。

待混合料干燥后，加入一定量的汽油橡胶溶液进行造粒后，在约200MPa压力下模压成形，最后，在1400℃温度下真空快速等离子体烧结1小时。

最后，将烧结出的试样表面经1μm金刚石抛光膏抛光并用超声波清洗干净，在LEO-1530VP型场发射(Field Emission)扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscopy, SEM)上观察试样组织。

采用日本理学D/MAX-rB型X射线衍射仪分析刀具的微结构。

金属陶瓷刀具材料的制备工艺如图1所示。

图1 金属陶瓷刀具材料制备过程
3 结果与讨论
3.1 金属陶瓷刀具形态与结构
图2 金属陶瓷刀具实体图图图3 金属陶瓷刀具材料XRD谱图
图2为本实验获得的两种金属陶瓷刀具。

即金属陶瓷车刀片和金属陶瓷铣刀。

两种刀片均可转位使用。

由图3为烧结后金属陶瓷的XRD谱图。

由图3可以看出，采用快速等离子烧结获得的金属陶瓷的XRD与标准TiC和Ni衍射谱相比，未发现任何杂相的峰，这说明本试验成功获得了TiC-Ni系金属陶瓷材料。

3.2 金属陶瓷刀具显微组织
图4为TiN纳米颗粒增强TiC-Ni系金属陶瓷刀具微观组织照片。

图4a为不经过腐蚀时，刀具的组织图，由此照片可以看出，刀具的组织为陶瓷相和金属相构成，其中陶瓷相具有典型的芯-壳结构(core-shell structure)，而白色的金属Ni粘结相则呈断续状分布于陶瓷相晶界处。

Ahn S.Y等人指出环行壳的形成是由于添加的异种碳化物(如WC和Mo2C等)在液相中溶解并随后在粗TiC颗粒上形核再析出的结果[5]。

文献[6]对这种芯-壳结构进行了详细研究后指出，芯和壳有着相同的晶体结构和相近的点阵常数，芯和壳具有不相同的化学组成，这种具有一定化学成分梯度的复合陶瓷颗粒相是构成TiC基金属陶瓷组织的主骨架。

图4 TiN纳米颗粒添加的TiC基金属陶瓷显微组织((a)腐蚀前,(b)腐蚀后)
为了进一步分析TiN纳米颗粒在金属陶瓷刀具组织中的存在形态，我们将试样进行腐蚀除去表层金属粘结相。

其结果如图4b所示。

由图可见，高温烧结后，添加的TiN纳米颗粒仍旧存在于陶瓷基体中，且可分布于陶瓷相晶粒之间。

力学性能测试结果表明，添加适量的TiN纳米颗粒烧结的刀具具有优异的切削性能。

推断，刀具宏观性能的提高与这些分布于陶瓷相晶粒间的TiN纳米颗粒能具有一定的关系。

相关研究目前正在深入开展。

4 结论
(1) 采用快速等离子体烧结技术成功制备出了TiN纳米增强TiC-Ni系金属陶瓷刀具，该刀具显微组织由(Ti,W,Mo)C@TiC芯-壳结构陶瓷相和金属Ni两相组成。

(2)适量添加的TiN纳米颗粒，在快速烧结后并未发生固溶反应，可分布于陶瓷相晶界处，起到强化晶界和阻碍陶瓷相晶粒长大双重作用。

制备出的新型金属陶瓷刀具具有很高的综合性能，可望用于机械切削加工领域。

参考文献
[1] A. Bellosi, R. Calza varini, M.G. Faga, F. Monteverde, C. Zancolo, G. E. D’Errico, Characterization and application of titanium
carbonitride-based cutting tools[J], Journal of Materials processing technology 143-144(2003) 527-532
[2]Y. J. Park, S.W. Kim, S. Kang ,The formation of a solid solution band at the surface of Ti(CN)-based cermets[J] ,Materials
Science and Engineering A291(2001)198-206
[3]Cahn R W., Materials science. Nanostructures come of age [J], Nature, 359(6396), 591 (1992)
[4]徐智谋, 易新建, 郑家, 熊维皓, 胡茂中, 徐尚志，纳米TiC增强Ti (C、N) 基金属陶瓷材料的组织与性能研究，功能材
料[J]，2003，6(34),696-698
[5]Sun-Yong Ahn and Shinhoo Kang, Formation of Core/Rim structures in Ti(C, N)-WC-Ni Cermets via a Dissolution and
precipitation Process [J], J. Am. Ceram. Soc., 83, 1489(2000)
[6]刘宁, 黄新民, 周杰, 宫晨利, 石敏, 张庶元, Ti( C, N) 基金属陶瓷中陶瓷相芯/壳组织的观察与分析[J], 硅酸盐学报，
2002，28（4）381-383
作者简介:韩成良，男，1975.10, 2011年中国科学院固体物理研究所博士，合肥学院副教授。

主要从事金属陶瓷及环境纳米材料制备与应用研究。