高性能超细金属陶瓷刀具材料的研究.doc

结构,环可分为内环和外环,外环常富集更重的元素。金属陶瓷典型的粘结相占体积分数为 10Vol% ,碳化物晶粒尺寸多 1-3 μm。芯通常由纯 TiC 或 Ti(C , N) 组成,认为是未溶解原料的残留物。也有认为是烧结期间形成的。它保持了由于湿磨的颗粒表面锯齿形貌,一直到 1450 ℃时也没有被溶解或改变, Ti(C , N)基金属陶瓷中的 Ti(C , N)芯在烧结时没有长大。环通常认为是液相烧结时由溶解一析出过程产生,并生长在芯上面晶粒长大的驱动力是晶界能的减小。质量从小颗粒向大颗粒转移,由 Ostwald ripening 过程决定。一些学者研究认为晶粒长大由聚结机理决定,另外的学者认为是由于扩散控制的溶解一析出控制,还有的研究认为是由于反应控制的溶解一析出机理决定。也有结论认为,邻近的碳化物晶界阻止了合金中总体晶粒的生长,这种生长被 TIC中添加的 Mo 2C阻碍,其机理解释为 TiC中粒子晶界流动性被溶解物阻碍。在许多金属陶瓷中, 环可以分成内环和外环。内环完全或部分包围芯。内环可能形成于固态烧结阶段,达到共晶温度、形成熔融态之前。例如,已经证明 Mo 2C 在低于共晶温度时完全溶解并与 TiC 形成混合碳化物。 Ta以 WC 和部分 TiN 在固态烧结阶段,也溶解于 TiC 和粘结相中。在固态烧结阶段,由子钻和镍的存在促进界面间扩散和表面扩散而产生致密化现象。粘结相是烧结过程中形成的液相残留物,主要由 Co 和/或 Ni 组成,连续的粘结相的晶粒度可以达到 lmm; 它是面心立方结构,根据 Co/Ni 比和合金元素的溶解量,其晶格常数在 ~ 之间变化。 Co 和 Ni在芯和环的立方晶格中不溶解,但是有大量的 Ti、 Mo 和 W溶解在粘结相中。粘结相的固溶硬化对金属陶瓷的切削应用而言非金属陶瓷中,视材料中 Mo 含量, Co/Ni 比, C含量粘结相的 l0wt% , Mo 可以达到粘结相的 6wt% 。研究发现粘结相中 Ti的含量与 Mo 的添加量和总 C含量有关。粘结相中的 Ti主含量过高,则会析出脆性的 Ni 3 Ti金属间硬质相。 C的溶解度比金属元素的溶解度低得多,在 1000 ℃,它在 Co-Ni 合金中的溶解度低于 % 。在 Ni粘结相中添加 Cr和 Al,由于固溶硬化作用,可以大大提高机械性能。 Mo 及其润湿作用添加 Mo 2C或 Mo 粉可以改善 Ni对 TiC 的润湿性,原因是 Mo 2C 较低的生成自由能在烧结过程中完全溶解形成易被 Ni、 Co 润湿的(Ti , MO)C 等固溶体, 促进了对碳化物的润湿。 Ni 对某些碳化物的润湿作用通过 Mo而改善的原因是 Mo在液态和固态之间的分区作用,其结果是碳化物晶粒度变小,孔隙度降低。 Mo 的溶解量可以影响粘结相的机械性能。粘结剂中的 Mo 含量随 Ti(C , N) 金属陶瓷中的 N 含量增加而增加。研究还表明,粘结剂中的 Mo 含量可以通过总碳量来控制。添加 Mo 能增强 Ni对 TiIC 的润湿性, 从而提高硬度和耐冲击性。粘结相中 Mo 含量高还被认为可以降低原子在高温时的活性,从而提高抗蠕变性。添加 10% 的 Mo 2C 的合金抗弯强度最大,约 3100MPa 。 15% 的 Mo 2C添加量使合金强度显著降低,这是由于结晶 Mo 2C相影响的结果。随 Mo 2C的加入,合金硬度开始提高,到 12% 达最高值,再加则降低。 N 的作用总的来说合金性能的关系, N的作用在于使组织细化,改善室温强度,高温强度和抗氧化性等。 TiN 的存在使合金在烧结过程中液相出现的温度上升,在同一温度下烧结时, Ti、 Mo 通过液相的互扩散受到限制,抑制了晶粒的析出长大。液相中 Mo 浓度的上升和 Ti 浓度的减少,也抑制了脆而软的中间相的生成,使 Ti(C , N)基金属陶瓷获得了比传统 TIC 基合金更高的韧性和耐热裂性。其它成份不变时,适当增大 Ti(C , N) 基金属陶瓷中的 N/C 比可以粘结相中的 Mo 含量增大,从而提高耐磨性。由于 TIN 的加入可以细化晶粒,因而在 Tic 基金属陶瓷中添加少量 TiN 可提高合金硬度,但如果较大量添加,由于 TiN 的硬度比 TiC 低,使合金硬度下降。 N可以以 TiN 的形式,也可以以 Ti(C , N) 的形式添加。其比较如下: ①以 Ti(C , N) 加入,可以得到更均匀的组织,而以(TiC+TiN) 加入,则合金晶粒度不均匀。②与加入 Ti(C , N) 相比,加入(TiC+TiN) 的合金微气孔较多, 特别是增加 TiN 时更易产生气孔。因此,目前多以 Ti(C , N)等固溶体的形式引入 N。文献研究了 TiN 含量对 Ti(C , N) 固