碳化钛粒径对碳氮化钛基金属陶瓷微观结构和力学性能的影响

ＤＣＳ一５０００型万能材料实验机（ＳｈｉｍａｄＺｕ ＤＣＳ一５０００
ｕｎｉＶｅｒｓａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ）和三点弯曲法（ｔｈＩ’ｅｅ－ｐｏｉｎｔ．
ｂｅｎｄｉｎｇ）测试样品的抗弯强度，样品尺寸为５ ｍｍ×５ ｍｍ×３０ ｍｍ，跨距为２０ ｍｍ，压头速率为０．５ ｍｍ／ｍｎ
用单边缺口梁法测试样品的断裂韧性（硒。），样品尺
阵常数的扫描速率为１。／ｍｉｎ。
用日立Ｈ一８００型透射电子显微镜（咖ｎｓｍｉｓｓｉｏｎ
ｅｌｅｃ仃ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＴＥＭ）观察粉体的形貌，加速电 压为２００ｋＶ。用德国ＬＥＯＬ－１５３０ＶＰ型场发射扫描电
子显微镜（ｓｃａＩｕｌｉＩｌｇ ｅｌｅｃ仃ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）和背 散射电子模式（ｂａｃｋ＿ｓｃａｔｔｅｒｅｄ．ｅｌｅｃｔｒｏｎ，ＢｓＥ）观察样
寸为２．５ｍｍ×５ｍｍ×３０ｍｍ，在样品的中央一侧由电 火花加工开出一高度约为２．５ ｍｍ的尖锐缺口，用三 点弯曲法施加应力，跨距为２０ ｍｍ，压头速率为ｏ．５
ｍｍ／ｍｉｌｌ，测试设备同抗弯强度。用ＨＶ二１２０型Ⅵｃｋｅｒｓ
硬度仪测量样品的Ⅵｃｋｅｒｓ硬度，测试条件为１０蚝载 荷，保压时间为１５ ｓ。
末平均粒度为２．５６岫；亚微米级ＴｉＣ粉末平均粒度 为０．３３岫，ＴｉＮ，ｗｃ，Ｍｏ，Ｎｉ，Ｃ平均粒度分别 为Ｏ．１，３．５２，２．３３，２．７４，３．２５岬。
用传统粉末冶金法制备的金属陶瓷样品的工艺
万方数据
为：按３９％（质量分数，下同）ＴｉＣ一１ ０％ＴｉＮ—ｌ ５％ｗＣ一 １５％Ｍｏ＿２０％Ｎｉ一１％Ｃ配料并置于尼龙球磨罐中，球
２结果与讨论
２．１ 原始粉末粒径对样品显微组织和相组成的影响 根据成分设计，用亚微米级和微米级ＴｉＣ粉末
分别制备了２组原始化学成分完全相同而晶粒度不 同的金属陶瓷样品，其ＳＥＭ照片见图２。由图２可 以看出：２组样品的显微组织都呈现典型金属陶瓷 的特征【４】，黑色的Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）芯部被灰色的（Ｔｉ，Ｍｏ， ｗ）（Ｃ，Ｎ）壳层包裹形成陶瓷相颗粒，在其外层包裹
关键词：超细晶粒：碳氮化钛基金属陶瓷； 微观结构；力学性能 中图分类号：ＴＧｌ４８ 文献标识码：Ａ 文章编号：０４５扯５６４８（２００７）０６＿０７２５一０６
ＥＦＦＥＣＴ ｏＦ ＴＩＴＡＮＩＵＭ ＣＡＲＢＩＤＥ ＰＡＲＴｌＣＬＥ ＳＩＺＥ ｏＮⅣⅡＣＲｏＳＴＲＵＣＴＵＲＥ ＡＮＤⅣＩＥＣ丑ＡＮＩＣＡＬ ＰＲｏＰＥＲＴＩＥＳ ｏＦ ＴＩＴＡＮＩＵＭ ＣＡＲＢｏＮＩＴＩＵＤＥ ＢＡＳＥＤ ＣＥＲＭＥＴＳ
ｗｅｒｅ ｓｍｄｉｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ
ｉｌｌｄｉｃａ钯ｔｈａｔ ｕｎｄｅｒ ｃｏｆｌｄｉｔｉｏｎｓ ｏｆｍｅ ｓ锄ｅ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ柚ｄ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓ仃ｅｎｇｔｌｌ ｏｆ Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）＿ｂａｓｅｄ ｃｅｒｍｅｔｓ
着呈白色形状不规则的金属粘结相。在微米级ＴｉＣ 粉末制备的金属陶瓷样品的显微组织中的壳层可分 为内外两层，内壳层呈亮白色的部分包裹着黑色的 芯部；而灰色的外壳层则将芯部和内壳层完全包覆 起来。在亚微米级ＴｉＣ粉末制备的金属陶瓷样品的 显微组织中则找不到这种内壳层结构。由微米级 ＴｉＣ粉末制备的金属陶瓷样品的外壳层结构要比由 亚微米级ＴｉＣ粉末制备的金属陶瓷样品的发达（夕｝ 壳层的厚度更厚）。
收稿日期：２００６如９—１９。
修改稿收到日期：２００７加１—１７。
基金项目：“九五”国家科技攻关计划（９９Ｄ（）４９）；教育部留学回国人员科
研启动基金（０５０２０２８２）资助项目。
第一作者：陈文琳（１９６３～），女，博士研究生，副教授。
通讯作者：刘宁（１９６２～），男，教授，博士研究生导师。
万方数据
ｗｅｒｅ ｍａｎｌｌ］ＦａｃｔＩｌｒｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｏｗｄｅｒ ｍｅｔａｌｌ硼曙ｙ ｖａｃｕｕｍ ｓｉｎｔｅ血ｇ ｔｅｃｌｌｎｏｌｏ窖Ｍ Ｅｆｆｅｃｔ
ｓ洲ｎｇ ｃ衄ｅｔｓ ｏｆ
ｐｏｗｄｅｒ ｓｉｚｅ ｏｎ １ｎｉｃｒｏｓｔｍｃｔＩｌｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈ孤ｉｃａｌ ｐｒｏｐ硎ｅｓ ｏｆ Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）－ｂａｓｅｄ
ＣＨＥＮ Ｗｔｎｎｎ，ＬＩＵ Ｎｉ豫，ＣＨＡｏ ｓｈｅｎｇ （Ｄ印ａｍｎｅｎｔ ｏｆ Ｍａｔ耐ａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｄｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｃｒｓ时ｏｆ ＴｅｃｈＩｌ０１０９ｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｌｌａ）
ｃ咖ｅｔｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｌ咖一ｆ－ｍｅ舀鼍ｉ１１ Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）＿ｂａｓｅｄ
陶瓷材料因具有共价键和复杂离子键的键合及 复杂的晶体结构而具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损等 优异性能，是最有发展潜力的材料之一。但是，陶 瓷材料的脆性问题导致陶瓷部件的可靠性得不到保 障，从而制约了陶瓷材料在先进工程领域的应用。 近年来，人们在克服陶瓷材料的脆性、提高其韧性 和强度方面进行了大量的研究并取得了许多成果。 目前，陶瓷材料的强韧化方法主要有：相变韧化、 纤维增韧、晶须及颗粒韧化等【１ｊ。
（ｂ）Ｓ锄ｐｌｅ疔ｏｍ ｍｉｃｒｏｎ ＴｉＣ ｐｏｗｄｅｒ
图２ Ｔｉ（ｃ，Ｎ）基金属陶瓷组织的ＳＥＭ照片 Ｆｉｇ．２ ＳＥＭ ｐｈｏｔｏｇｒａｐｈｓ ｏｆＴｉ（Ｃ，Ｎ）ｂａｓｅｄ ｃｅｒｍｅｔｓ ＢＣ——Ｂｌａｃｋ ｃｏｒｅ；Ｂ——Ｂｉｎｄｅｒ；ＯＲ——ｏｕｔｅｆ ｓｈｅｌｌ；ＩＲ——Ｉｎｎｅｒ ｓｈｅＵ
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｅｎｔ ａｕｔｈｏｒ：Ｌｒｕ Ｎｉｎｇ（１９６２一），ｍａｌｅ，ｐｒｏｆｅｓｓｏＬ Ｅ．ｍａｉｌ：ｉｌｉｎｇｌｉｕ＠ｍａｉｌ．ｈ￡ａｈ．ｃｎ
硅酸盐学报
２００７年
１实
验
１．１原料及制备 Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷的基础成分主要包括：碳
化钛（ＴｉＣ）、氮化钛（ＴｉＮ）、碳化钨（ＷＣ）、镍（Ｎｉ）、钼 （Ｍｏ）和碳（Ｃ）。为了探讨原始粉末粒度对金属陶瓷组 织及性能的影响，在各类化学成分相同的情况下， 制备了２类样品：一类用微米级ＴｉＣ粉末为原料； 另一类用亚微米级ＴｉＣ粉末为原料，２种ＴｉＣ粉末 的扫描电镜（ｓｃａｎＩｌｉｎｇ ｅｌｅｃｎ伽ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，ＳＥＭ）显 微照片如图１所示。金属陶瓷的硬质相由ＴｉＣ和髓、『 粉末组成，占总体质量（下同）的４９％；Ｎｉ为主要粘 结相；Ｍｏ能显著改善液态金属对硬质相的润湿性， 烧结时能抑制碳化物相晶粒的长大，对烧结后金属陶 瓷性能的影响也很大ＩｊＪ。
（ａ）Ｍｉｃｍ ＴｉＣ ｐｏｗｄｅｒ
（ｂ）Ｓｕｂ—ｍｉｃｒｏ ＴｉＣ ｐｏｗｄｅｒ
Ｆｉｇ．１
图１ ＴｉＣ粉末的ｓＥＭ照片 ｓｃａｌｌｎｉｎｇ ｅｌｅｃ廿ｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃ叩ｅ（ｓＥＭ）ｐｈｏｔｏ争叩ｈｓ ｏｆ ＴｉＣ ｐｏｗｄｅｒｓ
用ＳＥＭ观察粉体的形貌。用ＭＡＩ Ｍ狲ＭＡＳＴＥＲ＿
ＳＩｚＥＲ２０００激光粒度分析仪测定所用微米级ＴｉＣ粉
料比为８：１，以１８５ ｒ／ｍｉｎ的转速混料３６ｈ。将混好
后的料加入一定量的成型剂，干燥后造粒，在２００ ＭＰａ压力下模压成型。压制后的样品放入烘箱中烘
干后在真空炉中脱胶，烧结成５ ｍｍ×５ ｍｍ×３０ ｍｍ
的条形试块。
１．２表
征
用日本Ｒｉｇａｌ（ｕ，Ｄ／ｍａＸ＿ｒＢ型旋转阳极ｘ射线
衍射（Ｘ—ｒａｙ ｄｉ衢ａｃｔｏｍｅ仃ｙ，ｘＲＤ）仪进行物相分析并 测定点阵常数，用Ｃｕ ｋ，管电压为４０ｋＶ，管电流 为８０ ＩＩ认，物相分析的扫描速率为６。／ｍｉｎ；测定点
ｏｆ（Ｎｉ２Ｍ０２．５Ｗ１．３）Ｃ。ｐｈａｓｅ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌｔｏ廿ｌｅ ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｂｕｔ
ｔｏ ｔｌｌｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓ骶ｎｇｔｈ ａＩｌｄ丘ａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｌｌｎｅｓｓ ｏｆ Ｔｉ（Ｃ，
Ｎ、－ｂａｓｅｄ ｃｅｍｌｅｔｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａ＿ｆｉｎｅ ｇｒａｉｎ；ｔｉ协ｉｕｒｌｌ ｃａｒｂｏｎｉｔｒｉｄｅ ｂａｓｅｄ ｃｅ瑚ｅｔ；ｍｉｃｒｏｓｔｍｃｔｌＪｒｅ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｃＩｐｅｒｔ）ｒ
本文中的金属陶瓷是指碳氮化钛［Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）］为 主要陶瓷相，Ｎｉ为金属粘结相的颗粒型复合材料。 Ｔ“ｃ，Ｎ）基金属陶瓷比传统ｗＣ—Ｃｏ硬质合金相在 高温具有更高的硬性、高温抗氧化性能和更高的热 导率。上述性能使Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷更适于进行 高速切削和对材料的精加工和半精加工【２】。在前期 工作的基础上，实验中研究了化学成分相同条件下， 原始粉末粒度对Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷组织及性能的 影响。
ａｌｓ０ ｆｏｕｎｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｅｒｎｌｅｔｓ．Ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｃｏｒｅｍｍ ｓ衄ｌｃｔｕｒｅ ｗａＳ ｆｏｎｎｅｄ ｂｅｃａｕｓｅ ｍｅ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｄｉｆ如ｓｉｏｎ ｈａｐｐｅｎｅｄ ｅａｓｉｌｙ ｄｕｅ ｔｏ也ｅ ｆｉｎｅ ｓｉｚｅ
ｈ锄ｆｕｌ ｏｆ ｍｅ ｒａｗ ｐｏｗｄｅｒ．Ｉｔ ｉｓ ｂｅｌｉｅｖｅｄ ｍａｔ ｔｈｉｓ ｎｅｗ ｃｏｒｅ／ｒｉｍ ｓｔｒＩＪｃｔｌ：Ｉｒｅ ｈｅｌｐｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔ１１ｅ ｂｅｎｄｉｌｌｇ曲ｒｅｎｇｌｌｌ ｏｆ ｍｅ ｍａｔｅｒｉａｌ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｃｅ
ａｕ曲ｏｒ：Ｃ｝Ⅱ烈眺（１９６３—＾缸ｎａｌｅ，ｐｏｓｃｇｍｄｕ如咖ｄｅｎｔ Ｒｅｃｅｉｖｅｄ ｄａｔｅ：２００６＿＿０９＿１９．
Ｆｉｒｓｔ
Ａｐｐｒｏｖｅｄ ｄａｔｅ：２００７—０１—１７．
ｆｏｆ ｄ∞断
ｄｅｇｒｅｅ，ａｓｓｏｃｌａｔｃ ｐｒｏｔｅｓｓｏＬ Ｅ．ｍａｎ：ｃｗｌ８７６１国ｓｉｎａ．ｃｏｍ
第３５卷第６期 ２００７年６月
硅酸盐学报
ＪＯＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＨＥ ＣＨＩＮＥＳＥ ＣＥＲＡＭＩＣ ＳｏＣＩＥＴＹ
Ｖ０１．３５，Ｎｏ．６ Ｊｕｎｅ， ２００７
碳化钛粒径对碳氮化钛基金属陶瓷微观Leabharlann Baidu构和力学性能的影响
陈文琳，刘 宁，晁晟
（合肥工业大学材料科学与工程学院，合肥２３０００９）
摘要：用粉末冶金真空烧结法制备了超细晶粒碳氮化钛【Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）】基金属陶瓷。研究了原始粉末粒径对Ｔｉ（ｃ，Ｎ）基金属陶瓷微观结构和力学性能的影 响。结果表明：在化学成分相同的条件下，晶粒细化使材料的Ⅵｃｋｃｒｓ硬度和抗弯强度上升，但断裂韧性有所下降。在超细晶粒Ｔｉ（ｃ，Ｎ）基金属陶瓷 微观组织中出现了一种新型的白芯／灰壳结构和一种特殊化合物（Ｎｉ２Ｍ０２ ５ｗｌ ３）Ｇ。初步研究表明：由于原始粉末粒径微小，促进了扩散反应因而生成 了这种芯／壳结构。芯／壳结构有利于提高材料的抗弯强度和断裂韧性。（Ｎｉ２Ｍ０２ ５ｗ】．３）Ｑ有利于提高材料的Ｖｉｃｋｅｒｓ硬度，但是降低了Ｔｉ（ｃ，Ｎ）基金属 陶瓷的抗弯强度和断裂韧性。
第３５卷第６期
陈文琳等：碳化钛粒径对碳氮化钛基金属陶瓷微观结构和力学性能的影响
（ａ）Ｓ锄ｐｌｅ仔ｏｍ ｓｕｂ—ｍｉｃｍｎ ＴｉＣ ｐｏｗｄｅｒ
ＳＥＭ＿ＥＤｘＳ分析表明：２组样品的芯部、外层 壳及粘结相的化学成分和比例大致相同，没有明显 区别。然而，通过Ⅺ①物相分析，在由亚微米ＴｉＣ 粉末制各的样品中发现了一种新相，见图３的ｘＲＤ 谱。在由亚微米ＴｉＣ粉末制备的样品中，除了Ｔ“Ｃ， Ｎ）和Ｎｉ这两相物质以外，还存在着一种未知相。通 过与现有ＪＣＰＤＳ卡片的比对发现：该物质与Ｎｉ２ｗ４Ｃ （ＪＣＰＤＳ ２０＿７９６）十分相似（ｄ值非常接近），也属于立 方结构。为了较为精确地测定未知相的晶格常数， 对样品又进行了精细地ｘＲＤ扫描（１。／ｍ蛐，然后，测 得该物相的晶格常数为１．１２４ｎｍ。这个数值较Ｎｉ２ｗ４Ｃ 的晶格常数（１．１２５ｎｍ）略小一些。
ｍｃｒｅａｓｅ ｗｉｔｈ ｍｅ ｄｅｃｒｅａｓｅ ｏｆ掣ａｉｎ ｓｉｚｅ ｉｎ ｃｅｍｅｔ，ｗｈｉｌｅ ｉｔｓ丘ａｃｔｕｒｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｓｈｏｗｓ ａＩｌ ｏｐｐｏｓｉｔｅ臼．ｅｎｄ．Ａ ｎｅｗ ｃｏｍｐｏｕＩｌｄ ｍａｔ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｎｏ砌ａｓ ｆＮｉ２Ｍ０２ ｓＷｌ ３）Ｃｒ ｅｘｉｓｔｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓ仃ｕｃｔＩｌｒｅ，ａｎｄ ａ ｎｅＷ ｌ（ｉｎｄ ｏｆ ｃｏｒｅ／ｒｉｍ ｓｔｎＪｃｔＩｌｒｅ ｗｉｍ ａ ｗｈｉｔｅ ｃｏｒｅ ａｎｄ甜ａｙ ｒｉｍ ｗａｓ
品的组织结构。用二次电子模式（ｓｅｃｏｎｄａ呵ｅｌｅｃｔｒｏｎ， ＳＥ）观察样品断口的形貌。用电镜附带的英国产
Ｏ）（ＦＯＲＤ ＩＮＣＡ Ｘ－Ｓｉｇｈｔ能谱（ｅｎｅ唱ｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉＶｅ
ｘ—ｒａｙ ｓｐｅｃ仃ｏｍｅｔｅｒ，ＥＤｘｓ）仪分析样品原位的元素 定量成分。
同一成分均测定５个样品并取平均值。用岛津