金屬陶瓷材料

[長春工業(yè)大學]金屬陶瓷材料讀書筆記09020120090516胡冰2013/3/14摘要：介紹了Ti(C，N)基金屬陶瓷的基本組成和結構，其組織性能及其影響因素，綜述了Ti(C，N)基金屬陶瓷的研究現(xiàn)狀，指出了未來的發(fā)展方向和應用。

Ti(C，N)基金屬陶瓷的基礎研究與進展前言TiC—Ni金屬陶瓷最早出現(xiàn)在1929年，作為WC—Co合金的替代材料，主要用于切削加工[1]。Ti(C，N)基金屬陶瓷是1931年發(fā)明的[2]。1956年，美國福特汽車公司Humenik發(fā)現(xiàn)在TiC—Ni基金屬陶瓷中加入Mo后，可以改善Ni對TiC的潤濕性，大大提高合金強度[3]。1971年Kiefer發(fā)現(xiàn)在TiC—Ni基金屬陶瓷中引入N，并同時加入Mo2C和Mo粉，可使其獲得更高的硬度、耐磨性、抗彎強度，較好的切削性能和抗氧化能力。此后，Ti(C，N)基金屬陶瓷的研究越來越多。因此國內(nèi)外對Ti(C，N)基金屬陶瓷非常重視，進行深入系統(tǒng)的研究。自2O世紀8O年代以來，Ti(C，N)基金屬陶瓷獲得了迅速的發(fā)展，世界各國硬質(zhì)合金廠先后推出了系列的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具[4]。3O多年來，隨著粉末冶金技術的發(fā)展，成分的演化趨于穩(wěn)定，燒結技術的不斷更新，粉末粒徑的不斷細化，Ti(C，N)基金屬陶瓷的機械性能不斷提高，Ti(C，N)基金屬陶瓷發(fā)展到一個比較成熟的階段。在日本，Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具材料已占可轉(zhuǎn)位刀片的30%。我國在“八五”期間也研制成功多種牌號的Ti(C，N)基金屬陶瓷刀具，并批量上市，但性能不穩(wěn)定[5]。Ti(C，N)基金屬陶瓷作為一種新型的工具材料，具有密度低、室溫硬度和高溫硬度都優(yōu)于WC基硬質(zhì)合金，化學穩(wěn)定性和抗氧化性好，耐磨性好等優(yōu)點。其應用填補了WC硬質(zhì)合金和陶瓷刀具之間高速精加工和半精加工的空白，既適用于高速精加工，又適用于半精加工和間斷切削加性激光燒結(SelectiveLaserSin—tering)燒結WC一9Co硬質(zhì)合金閉，熱擠壓法(HotEx·trusion)將擠壓和燒結結合起來，利用純剪切變形也可以有效的消除孔隙，提高致密度，細化晶粒，鍛造燒(Sinterforging)法通過粉末的高溫塑性變形可以有效消除孔隙，并細化晶粒圓。2材料組織經(jīng)金相觀察、電鏡掃描、能譜及透射電鏡等分析[10]Ti(C,N)基金屬陶瓷在燒結時，隨溫度的升高，WC、Mo2C、TiC等相互間發(fā)生擴散，當液相出現(xiàn)后，溶解和析出現(xiàn)象繼續(xù)進行。對于較大的硬質(zhì)相顆粒，在液相出現(xiàn)之前，大的TiC顆粒未完全溶解，于是，由于固溶在其周圍形成一層(W,Mo,Ti)C，繼續(xù)升溫，由于TiN分解而產(chǎn)生的N會替代部分C，表面層的(W,Mo,Ti)C變成(W,Mo,Ti)(C,N)，因而形成了具有黑色芯部并有明顯包覆層的結構，黑色的芯部即為較粗的未完全溶解的TiC。對于較細的TiC，情況正與之相反，在液相出現(xiàn)前，由于WC、Mo2C、TiC等相互發(fā)生擴散，較小的硬質(zhì)顆粒都已完全溶解，形成固溶的(W,Mo,Ti)C，當液相出現(xiàn)后，在其表面析出一層(W,Mo,Ti)C，繼續(xù)升溫，表面層變成(W,Mo,Ti)(C,N)。在固溶和液相階段分別形成的(W,Mo,Ti)C，差別較小，因而形成白色芯部，包覆層不明顯的結構。故Ti(C,N)基金屬陶瓷的顯微組織由芯部為黑色、具有明顯包覆層的陶瓷顆粒+芯部為白色、包覆層不明顯的陶瓷顆粒+粘結相組成。當較大的硬質(zhì)相顆粒較多時，顯微組織中芯部為黑色、具有明顯包覆層的顆粒數(shù)量較多，粉末細化，可使材料的顯微組織變得均勻，并使具有白色芯部的顆粒的數(shù)量增加，最終使材料的硬度和抗彎強度提高。文獻[11]用背散射電子觀察了原始粉末為亞微粉和混合粉試樣的顯微組織，如圖1(a)、(b)。由圖1可知，對于主要硬質(zhì)相為亞微粉的金屬陶瓷，經(jīng)過合適的真空燒結后，材料的顯微組織具有明顯的芯一殼結構，絕大部分為“黑芯一白殼”，也存在少量小顆粒的“白芯一黑殼”。對于主要硬質(zhì)相為混合粉的金屬陶瓷，沒有明顯的Rim相小顆粒，且“白芯一黑殼”結構小顆粒的數(shù)量大大增加，而具有“黑芯一白殼圖1不同粉末粒度的金屬陶瓷的顯微組織3材料性能的影響因素3.1化學成分對材料性能的影響不同的化學成分和添加元素直接影響材料的性能。表1為不同粘結相含量的金屬陶瓷材料的性能，表2為不同粘結相含量在真空燒結(VS)及燒結一熱等靜壓(SH)條件下的性能。表1不同粘結相含.的金屬陶瓷的機械性能由表1和表2可見:在其它成分相同及相同的工藝處理條件下，隨Ni含量降低，硬度升高，而彎曲強度及橫向斷裂強度降低。對Ti(C,N)基金屬陶瓷材料進行耐腐蝕研究發(fā)現(xiàn):室溫及沸點下，有極佳的耐堿(50%NaOH)腐蝕性能，隨Ni含量的增加，耐酸(5%HN0)腐蝕率降低。表2不同Ni含量在VS和SH燒結條件下的性能在Ti(C,N)基金屬陶瓷中分別添加0%,3%,5%的NbC、TaC、(Nb,Ta)C,隨添加量的增多，斷裂韌性單調(diào)下降，這主要是因為金屬Ni對陶瓷相NbC、TaC、(Nb,Ta)C的潤濕性差，隨加人量的增多，基體中孔洞增加，使材料密度降低，故使斷裂韌性Klc降低。3.2粉末粒度對材料性能的影響文獻[12-14]研究了粉末粒度對Ti(C,N)基金屬陶瓷性能的影響。硬質(zhì)相粒度對維氏硬度和斷裂韌性的影響見表5。表3硬質(zhì)相粒度對維氏硬度和斷裂韌性的影響由表3可知:在相同工藝和粘結相含量不變的條件下，Ti(C,N)基金屬陶瓷的斷裂韌性隨硬質(zhì)相粒度的增大而減小。主要原因是:當Ti(C,N)顆粒較粗時，極易發(fā)生穿晶斷裂，并且裂紋連續(xù)穿晶擴展時不會發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，這與Ti(C,N)中存在較多的潛在滑系有關。隨Ti(C,N)粒度的減小，沿晶斷裂的比例大大上升，導致裂紋在硬質(zhì)相晶界處發(fā)生偏轉(zhuǎn)以及裂紋在韌性粘結相中擴展的幾率增大而增韌。金屬陶瓷配料中所用硬質(zhì)相粉末的粒度直接影響試料的液相點，粉末粒度越細，液相點越低;主要硬質(zhì)相TiC、TiN全為納米粉時，其快速致密化過程開始得較早，但由于粉末中氧含量太高，最終無法使其達到較高的致密度。主要硬質(zhì)相TiC、TiN為混合粉和亞微粉的試樣最終都能完全燒結致密。粉末細化可使材料的顯微組織變得均勻，并使具有白色芯部的顆粒增加，最終使材料的硬度和抗彎強度得以提高。3.3燒結工藝對材料性能的影響表3為采用真空燒結(vs)和燒結一熱等靜壓(SH)條件的性能，由表3可知:相同成分的合金，其SH條件下的硬度及橫向斷裂強度均比VS條件下的高，這是因為Ti(C,N)基金屬陶瓷的液相燒結過程中存在較多影響致密化的因素，而燒結一熱等靜壓能可有效抑制這些因素，并且有效避免硬質(zhì)相不均勻長大、枯結相分布不均勻等組織缺陷，從而改善其性能。4Ti(C，N)基金屬陶瓷的研究方向2l世紀是高科技的世紀，復合材料的研究開發(fā)仍是一個重點，金屬陶瓷(Cermet)是由陶瓷(Ceramics)中的詞頭Cer與金屬(Meta1)中的詞頭Met結合起來構成的[15]。“金屬陶瓷”和“硬質(zhì)合金”兩個科學術語沒有明顯的分界，所以具體材料也很難劃分界線。但從材料組元看，“硬質(zhì)合金”應該歸入“金屬陶瓷”，IE．Campbell就曾把“硬質(zhì)合金”歸入到“金屬陶瓷”中。研究金屬陶瓷的目的主要是制備具有良好綜合性能的材料，而這些性能是僅用金屬或者僅用陶瓷所不能得到的。WC—Co基金屬陶瓷作為研究最早的金屬陶瓷，由于具有很高的硬度(HRA80～92)，極高的抗壓強度(600MPa)，已經(jīng)應用于許多領域。但是由于W和Co資源的短缺，促使了無鎢金屬陶瓷的開發(fā)與研制，迄今已歷經(jīng)了三代[16]。5結束語金屬陶瓷的研究開發(fā)主要集中在Ti(C，N)一Ni—Co系和WC-Co系，后者的研究要早于前者，制備技術也比前者成熟，因此在研究Ti(C，N)基金屬陶瓷時，有許多要借鑒的，比如超細硬質(zhì)合金的制備，功能梯度材料等。Ti(C，N)基金屬陶瓷具有耐磨損、耐高溫、重量輕等優(yōu)點，但最大的弱點是脆性大，所以進一步提高其斷裂韌性和抗彎強度仍是目前研究的熱點問題。參考文獻[1]劉寧，崔昆，胡鎮(zhèn)華，等.硬質(zhì)合金田,1992:12(3)S6[2]鈴木壽，林宏爾，松原秀彰.日本金屬學會會報田,1983,22(4):312[3]劉峰曉等.Ti(C,N)基金屬陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢.粉末冶金技術[J],2004,22(4):236-240[4]TraceyVA.Nickleinhardmetals.RM&HM,1992,11(1):137[5]李沐山.八十年代世界金屬陶瓷技術進展.金屬陶瓷[J]，1991,117[6]王文光編譯.金屬陶瓷刀具的新進展.工具技術[J],1995,29(10):36[12]豐平，熊惟皓，余立新.Ti(C，N)基金屬陶瓷燒結過程的冶金基礎及其顯微組織特征.材料導報[J],2004,18（2）:10[7]黃英華，王興慶.硬質(zhì)合金燒結方法的新進展.上海金屬[J]，2005,1(27):40-44[8]胡曉力等.陶瓷燒結新技術一微波燒.中國陶瓷[J],1995,31(1):29-32[9]謝志鵝等.ZTA陶瓷微波燒結研究.硅酸盆學報[J],1995,23(1):7-13[10]羅錫裕.放電等離子燒結材料的最新進展.粉末冶金工業(yè)[1].2001,11(6):7-16[11]張久興等.放電等離子燒結技術的發(fā)展和應用.粉末冶金技術[J],2002,20(3):129-134[12]鄭勇，游敏，劉文俊，等.原始粉末尺寸對Ti(C,N)基金屬陶瓷燒結特性和組織結構的影響.粉末冶金技術，2