碳氮化钛基金属陶瓷制备工艺的研究进展

Ti(C，N)基金属陶瓷制备工艺研究进展

摘要：本文综述了Ti(C，N)基金属陶瓷的发展概况，Ti(C，N)基金属陶瓷粉体的制备，压坯成形及烧结工艺，并总结了Ti(C，N)基金属陶瓷的发展方向。

关键词：Ti(C，N)；金属陶瓷；制备工艺；研究进展

The Research situation of Ti(C，N)-based cermets in

fabrication process

WU Fei-ou，ZHANG Chong-cai，YUAN Qun-qun，LUAN Dao-cheng

(School of Materials Science and Engineering，Xihua University,Chengdu 610039 China)

Abstract：The research situation of Ti(C，N)-based cermets which included the preparation of powers，molding technology and sintering technology had been introduced in this paper. Also the development direction of Ti (C, N) -based cermets had been summarized at the last.

Key words：Ti(C，N)；cermet；fabrication process；Research situation

Ti(C，N)基金属陶瓷的主要成分是Ti(C，N)，通常以Co-Ni作为粘结剂，以WC、Mo2C、VC、TaC，ZrC、Cr3C2、HfC等硬质相作为增强相，形成(Ti、V、W、Nb、Zr)(C，N)固溶相，以固溶强化机制强化硬质相。与TiC基金属陶瓷相比，Ti(C，N)基金属陶瓷红硬性高、横向断裂强度高、抗氧化性强、热导率高。与传统WC-Co硬质合金相比，Ti(C，N)基金属陶瓷虽然强韧性不足，但具有红硬性高、摩擦系数低、耐磨性好、耐腐蚀性高等优势。因此Ti(C，N)基金属陶瓷填补WC-Co硬质合金和陶瓷工具材料之间的空白，Ti(C，N)基金属陶瓷刀具适于高速铣、半精车碳钢和不锈钢，甚至包括TiC基金属陶瓷难加工的超合金等材料，并且能保持工件很高的表面光洁度和精度加工和半抛光，使得Ti(C，N)基金属陶瓷己成为主要的切削刀具材料之一。

1 Ti(C，N)基金属陶瓷材料的发展概况

Ti(C，N)基金属陶瓷诞是在TiC-Ni基金属陶瓷的基础上发展而来的。TiC-Ni 基金属陶瓷问世于1929年，最初是作为WC-Co合金的代用材料，主要用作切削刀具，但是由于金属Ni不能完全润湿TiC，导致早期的产品脆性较大，而使其应用受到极大的限制。1956年，美国福特汽车公司的研究人员发现在TiC-Ni基金属陶瓷中添加Mo可以显著地改善Ni对TiC的润湿性，从而细化晶粒，使合金的强度大大提高。这一发现即成为制造TiC基金属陶瓷技术上的重大突破，随后于1959年，美国制成了一个用于精加工的TiC基合金牌号，并获得了专利。进入七十年代，金属陶瓷的发展更是日新月异，品种和牌号迅速增加，TiC基金属陶瓷从原来的基本组成TiC-Ni-Mo系，发展成TiC-Ni-Mo-WC等多种系列。

1971年，奥地利维也纳工业大学教授Kieffer等人发现，向TiC-Ni-Mo(Mo2C)中加入TiN，可获得更好的耐磨性、极好的抗氧化性能，且所得材料与金属间的摩擦系数更低，抗弯强度也有所提高，并断言Ti(C，N)基金属陶瓷将是一种大

基金项目：国家重大科技专项项目（高档数控机床与基础制造装备项目课题编号2009ZX04012-023）

吴飞鸥（1985- ），男，湖北人，硕士研究生，主要研究方向：高性能硬质合金。

有发展前途的工具材料。

1973年，美国Rudy博士公布了细晶粒(Ti，Mo)(C，N)-Ni-Mo金属陶瓷在钢材切削中具有优异的耐磨性，高的韧性和良好的抗塑性变形的试验结果，此研究结果使世界范围内对金属陶瓷研究的兴趣大大增加。从那时起，世界上一些工业发达国家都进行了大量的基础研究与开发工作，推出了一系列品种和牌号，标志着Ti(C，N)基金属陶瓷的诞生。

近20年来，金属陶瓷取得重大发展的一个重要方面在于超细品粒与纳米材料的研究与开发。超细晶粒Ti(C，N)基金属陶瓷具有较常规材料高得多的强韧性、硬度和耐磨性等综合性能。进入2000年后，纳米Ti(C，N)基金属陶瓷受到极大的关注，合肥工业大学刘宁教授主持研究的国家科技攻关地方重大项目“纳米TiN/AlN改性的TiC基金属陶瓷刀具制造技术”通过鉴定，并且于2005年获得“纳米TiN改性TiC或Ti(C，N)基金属陶瓷刀具制造技术”国家发明专利，这标志着利用纳米材料制作的新型金属陶瓷刀具的问世。

目前国外商品Ti(C，N)基金属陶瓷绝大多数都是复杂成份合金，而尤以同时添加WC、TaC合金的综合性能较好，国外主要厂家Ti(C，N)基金属陶瓷的成份多以Ti(C，N)+Mo2C+TaC+WC+Co+Ni为主。

2 Ti(C，N)基金属陶瓷材料的制备工艺

Ti(C，N)基金属陶瓷通常是采用粉末冶金的方法制备的，其中粉末制备，压制成型和烧结方法是关键步骤。

2.1 Ti(C，N)基金属陶瓷粉末的制备

Ti(C，N)基金属陶瓷的原料主要有陶瓷相TiC、TiN、Ti(C，N)粉末和金属相Ni、Co、Mo粉末。通常为了得到性能优异的金属陶瓷材料，加入一些碳化物作为增强相，如WC、Mo2C、NbC、Cr3C2、VC等。在此，只简单介绍一下主要陶瓷相粉末TiC、TiN和Ti(C，N)的制备方法。

TiC粉末的制备

TIC粉末的制备方法很多，主要有金属Ti粉或TiH2直接碳化法、TiO2碳热还原法、自蔓延高温合成法、气相反应合成法、熔融金属浴中合成法、电火花熔蚀法、机械合金化法、高能球磨法等。

Rasit等人以TiO2粉为原料，通过分解C3H6将C沉积在TiO2粉末上，然后在管式炉中通氢气在1550℃碳化还原4h，获得了高纯度亚微米级TiC粉末。Zhu 等将Ti粉和C粉按照1:1的摩尔比配料，采用机械合金化方法球磨制备出纳米级TiC陶瓷粉，其合成机理为机械碰撞诱发的自蔓延反应机理。Cui等人通过石油焦盐浴合成了微米级、纳米级TiC陶瓷粉，并申请了专利。其方法为：将100~200目的Ti粉和石油焦按照1:l的原子比混合，加入质量为粉末总质量的40~60%的NaCl，在搅拌器内混合3~5h，使熔融的NaCl在900℃保温15min，然后冷却、脱盐，制备出20~150nm的TiC粉末。

TiC粉末的制备

吴锋等利用碳热还原氮化合成了TiN粉末。具体实验方法是将TiO2、鳞片石墨、炭黑、可膨胀石墨等原料混合后研磨2h，然后置于管式电炉中，通入流动N2，分别加热至1300℃和1400℃保温5h，然后在N2气氛中随炉冷却，获得TiN粉末。Wexler等人把单质Ti粉放在N2或NH3气氛中高能球磨，获得了纳米结构的TiN粉末。Huang等人将TiO2和NaNH2粉末装入不锈钢高压容器密封、