成型压力对Ti%28C%2CN%29基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响.pdf

第 卷第 期材 料 与 冶 金 学 报 收稿日期：基金项目：浙江省自然科学基金项目（）；浙江机电职业技术学院科教融合项目（）作者简介：方一航（），男，博士，讲师，：年 月 ：成型压力对（，）基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响方一航，夏伶勤，陈 光，吴 韬，于 湘，陈凯敏（浙江机电职业技术学院 增材制造学院，杭州；台州学院 浙江省工量刃具检测与深加工技术研究重点实验室，浙江 台州）摘 要：以（，）为基体硬质相，和 为金属黏结相，、和 为第二相碳化物，借助真空热压烧结技术制备了（，）基金属陶瓷，探究了成型压力对金属陶瓷物相组成、微观形貌和成分、相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度的影响 研究结果表明：成型压力并未改变金属陶瓷的物相组成，所有试样均展现出典型的芯环结构；无压成型烧结制备出的金属陶瓷不仅具有典型的黑芯灰白双环结构，还呈现另一种白芯灰环结构 同时，金属陶瓷的晶粒度得到了细化 力学性能测试结果表明：成型压力达到，金属陶瓷的相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度达到最大值，分别为 ，和 金属陶瓷的断裂模式主要为沿晶断裂，并呈现较多的韧窝和撕裂棱关键词：（，）基金属陶瓷；成型压力；微观组织结构；芯环结构；力学性能中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）（，），（，；，）：，（，）（，），：（，）；（，）基金属陶瓷具有硬度和强度大、抗磨损能力强等优点，被应用于高速切削刀具、热挤压模具、摩擦磨损等领域然而，由于较高的热膨胀率以及较低的韧性，（，）基金属陶瓷在服役过程中容易剥落甚至轻微崩刃（如应用于制备金属陶瓷刀具时）为提高（，）基金属陶瓷抗磨损和热冲击的能力，应对其组织和性能进行优化目前，国内外学者对改善金属陶瓷强韧性做了积极探索 赵永乐研究了保温时间对（，）基金属陶瓷组织和性能的影响研究结果表 明，在 的 烧 结 条 件 下，（，）基金属陶瓷环形相结构完整、厚度适中，抗弯强度和洛氏硬度分别达到 和 王守文等研究发现，当 与 的原子比为 时，（，）基金属陶瓷力学性能最优 等的 分 析 结 果 表 明，用 一 定 含 量 的（，）替代（，）能有效降低（，）基金属陶瓷芯的数量，提高其断裂韧性王瑞凤制备了碳纳米管改性（，）基金属陶瓷材料，发现利用碳纳米管的桥联和拔出、裂纹偏转等增韧方式可提高材料的强韧性杨伟等通过实验发现，当 质量分数为 时，可获得晶粒尺寸和孔隙率最小的（，）基金属陶瓷 等研究发现，在（，）基金属陶瓷中添加 （质量分数）的 晶须后，晶须的强韧化作用加强了界面之间的结合，（，）基金属陶瓷的断裂韧性达 ，抗弯强度为 等研究发现，芯环结构中白环的形成与 等的质量分数有关，当 质量分数为 时，（，）基金属陶瓷呈现致密的微观组织结构上述国内外学者探究了金属陶瓷的烧结技术（如温度和保温时间等）、成分等对材料微观组织结构和性能的影响，但有关成型压力方面的研究并不多在烧结过程中增加成型压力，不仅有助于材料保持热塑性状态，加快其内部微粒的运动和扩散，还可有效降低温度并减少烧结时间，抑制晶粒长大，从而获得最优的微观组织结构和力学性能然而，过大的成型压力可能导致材料发生脆性断裂，不利于烧结因此，本文中采用真空热压烧结技术，探究成型压力对（，）基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响 实验材料与方法 试样制备本实验中采用（，），等粉末（上述粉末均来自上海水田科技有限公司，纯度 ，粒度 ），具体参数如表 所列（，）基金属陶瓷制备的流程如下：先称量粉末并采用湿法超声工艺初混 ，其中溶剂为无水乙醇，磨球（硬质合金球）与粉末的质量比为 ；将混合后的粉末置于罐式球磨机中球磨 ；球磨结束后将浆料倒入搪瓷托盘中并鼓风干燥 ；干燥后的粉末过 标准筛得到预混料，然后将适量的预混料置于石墨模具型腔内并进行真空热压烧结实验烧结工艺参数如下：烧结温度 ，保温时间 ，当温度升至 时分别对石墨模具施加，的压力，保温结束后停止施压利用线切割机将随炉冷却后取出的试样块按照相应标准尺寸切割并磨抛表面，最终得到测试要求的金属陶瓷试样表 粉末参数 粉末质量比粒径（，）分析方法根据阿基米德排水法测定试样的实际密度，将实际密度与理论密度相除获得材料的相对致密度使用万能试验机测试试样的抗弯强度，试样尺寸为 ，记录 个样品的测量值以获得平均抗弯强度使用维氏硬度计测试样品的硬度，测量后会在试样表面留下菱形压痕和裂纹，如图 所示采用压痕法测试试样的断裂韧性，并根据 提出的公式计算出断裂韧性该公式适用于评估 裂纹的断裂韧性（见图）lalll图 压痕长度测量示意图 （）（）（）式中：，和 分别为试样的维氏硬度、弹性模量、压痕半长、裂纹长度和形状系数，其中材 料 与 冶 金 学 报 第 卷 使用 射线衍射仪分析试样的物相组成（，波长为 ，铜钯，德国）使用扫描电镜（，日本）观察试样表面和断口的微观组织结构使用能量色散光谱仪（，英国）确定微观组织结构中各区域的元素组成、原子数分数及元素分布情况 结果与分析 微观组织结构图 为 金属粉末、（，）粉末和（，）基金属陶瓷混合粉末的 图从 金属粉末中观察到不规则的冷焊团聚结构，如图（）所示（，）粉末则由尺寸差异明显的颗粒组成，如图（）所示，其中较大的颗粒尺寸约为 ，较小的颗粒尺寸则在 左右值得注意的是，金属陶瓷混合后的粉末中并未发现团聚结构见图（），且其中的（，）粉末尺寸均匀上述结果表明，湿法超声及罐式球磨双混合工艺可改善粉末的混合均匀性，同时促进粉末的细化图 为（，）基金属陶瓷受不同成型压力影响的 图 从图中可以观察到，成型压力并5 m10 m5 m(a)(b)(c)图 粉末 图 （）金属粉末；（）（，）粉末；（）（，）基金属陶瓷混合粉末 Ti(C,N)Ni/Co30 MPa15 MPa8 MPa0Ni/Co01008090706050403020102/()图 （，）基金属陶瓷在不同成型压力下的 图 （，）未改变金属陶瓷材料的物相组成，说明各物相之间并未发生明显的反应真空热压烧结后的金属陶瓷中除了出现（，）硬质相和 金属黏结相外，并无其他衍射峰这可解释如下：在烧结过程中，小颗粒（，），等原材料溶入 黏结相，通过固溶反应形成（，）（，）固溶体，而此类固溶体与（，）具有相同的晶体结构，因此图 中并未发现，等原材料的衍射峰值得 注 意 的 是，随 着 成 型 压 力 的 增 大，（，）相的衍射峰强度也增大一方面，无压烧结和真空热压烧结在冶金反应过程中并无区别，只是真空热压烧结制备出的材料相对致密度更大，结晶度更高；衍射峰的强度与其对应物相的结晶度和含量成正比，因此，真空热压烧结会增大金属陶瓷衍射峰强度另一方面，高温加压会使黏结相流动，阻碍固溶体的形成，因此采用真空热压烧结技术制备的金属陶瓷中（，）相衍射峰强度更大上述两方面是（，）相衍射峰强度增大的主要原因此外，黏结相的衍射峰不断 向 小 角 度 偏 移，说 明 随 着（，）（，）固溶体的大量形成，其晶格常数在逐渐增大第 期 方一航等：成型压力对（，）基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响图 示出了在 烧结工艺、不同成型压力下（，）基金属陶瓷的抛光面 图和 图如图 所示：金属陶瓷展现出黑芯双环的芯环结构，黑芯被环形固溶体包围，芯环之间分布着 黏结相；此外，灰外环和白内环共同组成了环形固溶体图（）（）示出了在 成型压力下试样芯环结构中不同部位的 能谱图从图 中可以看出，黑芯主要包括，以及少量的，结合 分析结果可知，其微观组织结构为未溶化的（，）晶粒能谱扫描时过于靠近环形相，因而能谱图中存在 双环结构中不仅含有，还有，由上述分析结果可知，固溶体的主要成分是（，）（，），这是因为，原子溶解扩散替代了原有的 原子的位置从图（）和（）中还可以观察到，第二相元素（包括，等）在白内环中强度较大原因如下：一是在低温烧结时，溶解在 黏结相中的部分，优先在小颗粒（，）表面析出，成为富，的白色（，）（，）固溶体；二是在高温液相烧结后，尽管溶解后的，同样会在白色固溶体表面包覆形成灰色（，）（，）固溶体，然而因，在白内环固溶体的优先扩散，灰色固溶体中出现贫，的现象(a)(b)(c)(d)5 m5 m5 m5 m图 试样在不同成型压力下的抛光面 图（烧结）（）（）；（）；（）；（）在（，）基 金 属 陶 瓷 无 压 烧 结 时，（，）晶粒分布均匀，无团聚现象从图（）中可以观察到：除了出现黑芯双环结构之外，试样中还存在灰环白芯结构如图（）中的红色方框所示，这是由于无压烧结时会有一定量的黏结相聚拢，有利于金属陶瓷溶解更多的第二相碳化物，发挥溶解析出机制的作用；同时，白芯中的，含量更高上述分析结果进一步说明，无压烧结比真空热压烧结更利于施展溶解析出和固溶扩散机制在两种机制的协同作用下，采用无压烧结技术制备的芯环结构形态显著，黏结相分布均匀随着成型压力的增大，（，）基金属陶瓷颗粒的晶粒度从 降至 ，这表明增大压力有助于金属陶瓷颗粒晶粒度的细化并获得更高的力学性能其原因可解释如下：在真空热压烧结过程中，施加压力不仅可促进金属陶瓷材料颗粒重排，减小颗粒的间隙，还能阻碍晶粒粗大材 料 与 冶 金 学 报 第 卷化然而，黏结相在压力的作用下会变得稀薄，过大的压力容易出现晶粒团聚以及黏结相分布不均匀的现象如图（）和（）中黄色椭圆框所示同时，厚薄不均的黏结相会影响溶解析出和固溶扩散机制发挥作用，阻碍芯环结构的形成，降低金属陶瓷的性能1 mBACD(a)(b)(d)(c)点C点D点B点A123456781234567812345678keVkeVkeV12345678keVNiCoWNiCoCoTiTiTiTaTaMoCNTiTiTiCNTaTaTaTiTiTiCNTiTiTiCNNiTaTaMoSEMWWWWWWWWWWMoWWWW图 烧结的（，）基金属陶瓷 和 图（）（，）（）（）点；（）点；（）点；（）点 力学性能图 展示了不同成型压力对（，）基金属陶瓷力学性能的影响如图所示，随着成型压力逐渐增大，金属陶瓷的相对致密度和力学性能均呈现先在一定范围内上升，到达最大值后下降的趋势当成型压力为 时，金属陶瓷的相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度达到最大值，分别为 ，和 在无压烧结过程中，黏结相周围润湿性较好，易于形成良好的芯环结构因此材料的力学性能得到了综合提高但是，较厚的黏结相也导致了材料显微硬度的减小施加适当压力后，黏结相在液相烧结阶段被挤压一方面，这不仅有助于黏结相产生加工硬化，还能阻碍固溶体形成，两者协同增大金属陶瓷的显微硬度；另一方面，施加的压力可促使（，）颗粒重新排列，减少颗粒间气孔数量，从而提高材料的力学性能如图 所示，与无压烧结相比，成型压力下金属陶瓷的相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度分别增加了 ，和 然而，成型压力过大也会导致部分黏结相区域变得稀少，出现厚薄不均的现象与 的成型压力相比，金属陶瓷在 的成型压力下相对致密度、显微硬度、断韧性和抗弯强度分别降低了 ，和 为探究成型压力如何影响金属陶瓷的力学性能，观察了材料的断口组织（见图）由图 可知，无压烧结（，）基金属陶瓷的断裂模式基本为沿晶断裂，同时呈现较多的韧窝，黏结相处展现为撕裂棱，晶粒分布均匀由于 黏结相的存在，金属陶瓷晶界的强度会比晶粒的强度大因此，当断口出现较多的沿晶断裂时，晶界数量随之增加，进而消耗更多的断裂能，宏观表现为良好的强韧性随着成型压力的增大，在保持大量沿晶断裂的前提下，（，）基金属陶瓷呈现出更多的韧窝形貌以及更小的晶粒尺寸，同时强韧性也得到进一步提高这是真空热压烧结制备出的金属陶瓷获得更高力学性能的原因但是，当成型压力进一步增大后，材料断口处出现了脆性第 期 方一航等：成型压力对（，）基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响30352520151050-5成型压力/MPa(a)相对致密度显微硬度18.4218.7519.3917.8398.898.399.198.699.299.098.898.698.498.2相对致密度/%211815129630显微硬度/GPa30352520151050-5成型压力/MPa(b)断裂韧性抗弯强度1 2431 4881 3121 1386.156.937.847.127.87.57.26.96.66.36.05.7断裂韧性/(MPam1/2)150012009006003000抗弯强度/MPa图 不同压力对（，）基金属陶瓷力学性能的影响 （，）（）相对致密度和显微硬度；（）断裂韧性和抗弯强度 2.5 m2.5 m2.5 m2.5 m(a)(b)(c)(d)穿晶断裂穿晶断裂沿晶断裂韧窝图 不同成型压力下金属陶瓷的 断口形貌图 （，）（）；（）；（）；（）穿晶断裂，韧窝数量也在不断减少，这是导致金属陶瓷力学性能恶化的主要原因 结 论（）真空热压实验的结果表明，改变成型压力并不影响（，）基金属陶瓷的物相组成随着成型压力的增大，（，）基金属陶瓷的晶粒会逐渐细化无压烧结时，除了呈现黑芯灰白双环结构外，金属陶瓷中还表现出白芯灰环结构（）随着成型压力的增大，（，）基金属陶瓷的相对致密度、显微硬度、抗弯强度和断裂韧性呈现出先在一定范围内升高，达到最大值后下降的趋势当成型压力为 时，（，）基金属陶瓷表现出良好的综合力学性能：相对致密度、显微硬度、断裂韧性和抗弯强度分别为 ，和 材 料 与 冶 金 学 报 第 卷 参考文献 ，（）：，（，）：，：赵永乐 高强韧性（，）基金属陶瓷制备技术的研究 南京：南京航空航天大学，王守文，郑勇，丁伟民，等（，）固溶体的 原子比对（，）基金属陶瓷组织及力学性能的影响 硬质合金，（）：，（，），：王瑞凤 碳纳米管增强（，）基金属陶瓷刀具材料的研究 济南：齐鲁工业大学，杨伟，董定乾，向新，等 氮化硼含量对低压烧结制备（，）基金属陶瓷微观组织和力学性能的影响稀有金属与硬质合金，（）：，（，），（）：，（，），：，（）：，：，（，），：杨天恩，熊计，郭智兴，等（，）基金属陶瓷芯 环结构的研究进展 硬质合金，（）：南晴，张立，解明伟，等 用固溶体和单组元为原料制备的（，）基金属陶瓷的组织与性能 粉末冶金材料科学与工程，（）：，（，），（）：，（，），：李燕 化学成分对（，）基金属陶瓷的组织和力学性能的影响 合肥：合肥工业大学，（，），（）：第 期 方一航等：成型压力对（，）基金属陶瓷微观组织结构和力学性能的影响