金属陶瓷材料

金属陶瓷材料

[长春工业大学]

金属陶瓷材料读书笔记

090201 20090516

胡冰

2013/3/14

摘要：介绍了Ti(C，N)基金属陶瓷的基本组成和结构，其组织性能及其影响因素，综述了Ti(C，N)基金属陶瓷的研究现状，指出了未来的发展方向和应用。

Ti(C，N)基金属陶瓷的基础研究与进展

前言

TiC—Ni金属陶瓷最早出现在1929年，作为WC—Co合金的替代材料，主要用于切削加工[1]。Ti(C，N)基金属陶瓷是1931年发明的[2]。1956年，美国福特汽车公司Humenik发现在TiC—Ni基金属陶瓷中加入Mo后，可以改善Ni对TiC的润湿性，大大提高合金强度[3]。1971年Kiefer发现在TiC —Ni基金属陶瓷中引入N，并同时加入Mo2C和Mo粉，可使其获得更高的硬度、耐磨性、抗弯强度，较好的切削性能和抗氧化能力。此后，Ti(C，N)基金属陶瓷的研究越来越多。因此国内外对Ti(C，N)基金属陶瓷非常重视，进行深入系统的研究。自2O世纪8O年代以来，Ti(C，N)基金属陶瓷获得了迅速的发展，世界各国硬质合金厂先后推出了系列的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具[4]。

3O多年来，随着粉末冶金技术的发展，成分的演化趋于稳定，烧结技术的不断更新，粉末粒径的不断细化，Ti(C，N)基金属陶瓷的机械性能不断提高，Ti(C，N)基金属陶瓷发展到一个比较成熟的阶段。在日本，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具材料已占可转位刀片的30%。我国在“八五”期间也研制成功多种牌号的Ti(C，N)基金属陶瓷刀具，并批量上市，但性能不稳定[5]。

Ti(C，N)基金属陶瓷作为一种新型的工具材料，具有密度低、室温硬度和高温硬度都优于WC基硬质合金，化学稳定性和抗氧化性好，耐磨性好等优点。其应用填补了WC硬质合金和陶瓷刀具之间高速精加工和半精加工的空白，既适用于高速精加工，又适用于半精加工和间断切削加

工，且切削速度高，表面质量好，刀具寿命长。Ti(C，N)基金属陶瓷也可以制成可转位刀片，用于精镗孔、精孔加工和以车代磨等精加工领域。

1 Ti(C，N)基金属陶瓷的发展

Ti(C，N)基金属陶瓷沿着三条主线发展：①组分和成分设计；②晶粒细化，即晶粒朝亚微和超细粒径方向发展；③烧结技术。还有一个新研究方向是功能梯度材料(FGM)，随着对现代陶瓷烧结技术的深入研究，并借助现代分析手段如MS，DSC，DTA等，对功能梯度碳氮陶瓷(FGCC)进行了新的研究。研究包括多元系统Ti/Mo/W/Ta/Nb/C,N-Co/Ni中复杂的相反应和相平衡，还包括TiC-WC/MoC-Ni/Co,TiC-TiN-WC-Co和

TiCN-TaC-WC-Co的熔点行为模式的建立[6]。研究的主要问题是：硬质相的组成及含量，烧结工艺，氮的加入形态，最佳的C/N比，Ti(C，N)基金属陶瓷的润湿性，脱氮问题等。

1．1 组分和成分设计

由于过渡性金属碳化物、氮化物、碳氮化物，有其独特的物理性质，如高熔点、高硬度等，所以采用它们作为Ti(C，N)基金属陶瓷的硬质相。Ti(C，N)基金属陶瓷以Ti(C，N)为主要硬质相，添加WC，TaC，NbC等难熔金属碳化物，并以Ni，Mo等为粘结剂，形成典型芯一环结构的复合材料。

1．2 晶粒细化

在最近20年，特别是最近l0年，晶粒细化已经成了Ti(C，N)基金属陶瓷发展的一个重要趋势。早在20世纪60年代，通过细化晶粒，获得高强度、高硬度、高耐磨性的超细WC—Co基硬质合金，所制备的WC—Co

基硬质合金广泛用于制造加工印刷电路板的微型钻头、打印针及各类切削刀具，大幅度提高了工具的寿命[7]。但是，对通过细化晶粒来提高金

属陶瓷性能的报道很少，公开发表的文献也很少。20世纪90年代，陆续出现了一些关于亚微米Ti(C，N)基金属陶瓷的报道[8]。目前，许多学者希望通过细化晶粒获得优质金属陶瓷，并深化对细化晶粒提高合金性能的机理的认识。

1．3 烧结技术

烧结是Ti(C，N)基金属陶瓷生产过程的最后一道工序，也是最基本、最关键的一道工序，烧结前工序中的某些缺陷在一定范围内可以通过调整烧结工艺加以纠正，而由烧结造成的废品一般无法通过以后的工序来挽救，因此烧结工艺和设备选择是否恰当，对烧结产品的质量有着决定性的影响。

微波烧结是利用在微波电磁场中材料的介质损耗使烧结体整体加

热至烧结温度而实现致密化的快速烧结新技术[9]。微波烧结是依靠材料本身吸收微波能转化为材料内部分子的动能和势能，材料内外同时均匀加热，这样材料内部热应力可以减少到最小程度；其次在微波电磁能作用下，材料内部分子或离子的动能增加，使烧结活化能降低，扩散系数提高，可以进行低温快速烧结，使细粉来不及长大就已被烧结。

放电等离子烧结(Spark Plasma Sintering，简称SPS) 是一种快速烧结新工艺，它在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结，是利用脉冲能、放电脉冲压力和焦耳热产生的瞬时高温场来实现烧结过程，通过瞬时产生的放电等离子使烧结体内部每个颗粒产生均匀的自发热并

使颗粒表面化，由于升温、降温速率快，保温时间短，使烧结过程快速跳过表面扩散阶段，减少了颗粒的生长，同时也缩短了制备周期，节约了能源。

除了以上烧结技术，还有一些其他烧结技术。T．Laoui等采用选择

性激光烧结(Selective Laser Sin—tering)烧结WC一9Co硬质合金闭，热挤压法(Hot Ex·trusion)将挤压和烧结结合起来，利用纯剪切变形也可以有效的消除孔隙，提高致密度，细化晶粒，锻造烧(Sinterforging)法通过粉末的高温塑性变形可以有效消除孔隙，并细化晶粒圆。

2 材料组织

经金相观察、电镜扫描、能谱及透射电镜等分析[10]Ti(C,N)基金属陶瓷在烧结时，随温度的升高，WC、Mo2C、TiC等相互间发生扩散，当液相出现后，溶解和析出现象继续进行。对于较大的硬质相颗粒，在液相出现之前，大的TiC颗粒未完全溶解，于是，由于固溶在其周围形成一层(W,Mo,Ti)C，继续升温，由于TiN分解而产生的N会替代部分C，表面层的(W,Mo,Ti)C变成(W,Mo,Ti) (C,N)，因而形成了具有黑色芯部并有明显包覆层的结构，黑色的芯部即为较粗的未完全溶解的TiC。对于较细的TiC，情况正与之相反，在液相出现前，由于WC、Mo2C、TiC等相互发生扩散，较小的硬质颗粒都已完全溶解，形成固溶的(W,Mo,Ti)C，当液相出现后，在其表面析出一层(W,Mo,Ti)C，继续升温，表面层变成(W,Mo,Ti)(C,N)。在固溶和液相阶段分别形成的(W,Mo,Ti)C，差别较小，因而形成白色芯部，包覆层不明显的结构。故Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织由芯部为黑色、具有明显包覆层的陶瓷颗粒+芯部为白色、包覆层不明显的陶瓷颗粒+粘结相组成。当较大的硬质相颗粒较多时，显微组织中芯部为黑色、具有明显包覆层的颗粒数量较多，粉末细化，可使材料的显微组织变得均匀，并使具有白色芯部的颗粒的数量增加，最终使材料的硬度和抗弯强度提高。文献[11]用背散射电子观察了原始粉末为亚微粉和混合粉试样的显微组织，如图1(a)、(b)。由图1可知，对于主