烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响.doc

龙岩学院毕业论文（设计）题目：烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响学 院： 化学与材料学院 专 业： 材料科学与工程 学 号： 2011061502 作 者： 星光 指导教师(职称)： 吴鹏（讲师） 二0一五年二月一日烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响摘要：本文采用真空烧结工艺制备了Ti(C,N)基金属陶瓷，研究了不同烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织及力学性能的影响，使用了扫描电子显微镜（SEM）观察了Ti(C,N)试样的显微组织，使用万能试验机和洛氏硬度计测试了材料的力学性能。结果表明：随着烧结温度的升高，Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织变得更加均匀，抗弯强度逐渐增大。在1440 烧结，保温时间60 min，表现出最佳力学性能。当烧结温度继续升高时，Ti(C,N)基金属陶瓷的性能有所下降。关键词：烧结温度；Ti(C,N)基金属陶瓷；显微组织；力学性能1 引言材料作为人类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。材料作为人类社会进步文明的物质基础，在人类的历史上有着无法替代的作用和地位。值得注意的是，现代先进科技的迅速发展，恶劣的工作环境(高温、腐蚀、磨损等)使得对材料的应用提出了越来越苛刻的要求。对材料的质量、强度、韧度、抗氧化性及腐蚀性等提出更高的要求。因为传统的单一材料根本无法满足人类目前以上性能的需求，因此人们必须寻找一种新的材料。在新型材料研究、开发和应用，在特种性能的充分发挥以及传统材料的改性等方面，材料科学都肩负着重要的历史使命1。于是，工程结构陶瓷便应运而生。它是伴随现代科学和工程技术的发展以及世界能源危机而兴起的一个新的陶瓷材料领域，近年来发展十分迅猛,研究成果日新月异，已成为无机材料体系中的一大分支2。1.1 Ti(C,N)基金属陶瓷的发展概况Ti(C,N)基金属陶瓷，是一种由金属或合金同一种或几种陶瓷相所组成的非均质复合材料，其中陶 瓷相约占l5 %85 %(体积比) ，同时在制备的温度下，金属和陶瓷相之间的溶解度相当小3。Ti(C,N)基金属陶瓷具有较高的硬度、耐磨性、良好的热导率和化学稳定性、优异的抗蠕变性、极低的摩擦因数，因而受到国内外的普遍关注4-5。在1950年TiC金属陶瓷烧结工艺成功开始，人们把大量的目光聚集到切削工具材料上来，通过加入碳化物来增强硬质相。到90年代初，Ti(C,N)基金属陶瓷刀具材料占所有刀具材料市场份额的30 %6。当用其做刀具时，其使用寿命也比硬质合金高，如图1所示 7。图 1 切削铸铁GGG40时金属陶瓷与其它刀具寿命的比较金属陶瓷既有陶瓷的高强度、高硬度、抗高温和抗氧化等优良性能，又有金属的韧性。和之前的WC基硬质金属相对比，现今的Ti(C,N)基金属陶瓷具有优良的性能，已经成功的引入了金属削切工业，其具备的多种优良性能使其广泛应用于今天的火箭、导弹、超音速飞机的外壳、发动机喷口等地方。因此采用Ti(C,N)基硬质合金刀具高速研磨、粗加工、半加工工件的尺寸精度和加工表面质量都优于用TiC基硬质合金刀具所加工的工件。但其强硬度的不足限制了其优越性的发挥。长期以来，如何提高Ti(C,N)基金属陶瓷的强硬度，一直是材料科学工作者的研究方向。在之前的Ti(C,N)基金属陶瓷研发制备中，很多通过优化配方的成分、制备工艺来提高金属陶瓷的性能，但是对于烧结工艺对于其性能的影响研究比较少，而Ti(C,N)基金属陶瓷制备工艺最关键的是烧结，只有对烧结工艺参数有精准的理解和把握，才有可能制备出性能良好的材料。1.2 Ti(C,N)基金属陶瓷的微观结构Ti (C, N)基金属陶瓷的典型显微结构是芯/壳结构(图1.2)，其特征是由TiC或Ti ( C, N)陶瓷相为核心，边缘为(Ti, Mo) C或(Ti, Mo) (C, N)固溶体组成的环形结构SS相及Ni、Co和溶入其中的Ti、Mo、C、N等组成的粘结相r相。在陶瓷相周围生成SS相，改善了 Ni对Ti ( C,N)的润湿性，抑制了Ti ( C, N)晶粒长大，有利于碳化物晶粒细化。但是SS相很脆，为了得到性能优异的Ti ( C,N)基金属陶瓷，必须控制SS相的生长。图 1.2 Ti (C, N)基金属陶瓷的典型结构1.3 Ti(C,N)基金属陶瓷的性能(l) 高硬度耐磨性好。根据实际使用需要，一般硬度可达HRA85-93。具有理想的抗月牙洼磨损能力，其耐磨性可比WC硬质合金高3-4倍。(2) 高强度。抗弯强度一般可达1300-2800 MPa，断裂韧性可达10-16 MPam1/2。(3) 有较高的抗氧化能力和红硬性。由于采用Ni或Ni+Co。作为粘结剂，其抗氧化能力比WC-Co硬质合金有极大的提高，一般可达1100 oC以上，使得其具有较好的高温硬度、高温强度与高温耐磨性。同时，Ti(C,N)基金属陶瓷的氧化产物为TiO2，其具有自润滑作用，在高速切削时可以有效减小摩擦力。(4) 良好的化学稳定性。Ti(C,N)基金属陶瓷刀具用作加工钢材时，不易产生积屑瘤，加工表面质量较高。具有良好的耐酸碱腐蚀性能。(5) 导电且导热率高，可以进行线切割加工。由于导热率高,温度梯度较低，热应力小，适合高速高效加工。(6) 密度低，原料资源丰富，成本低。以地壳中最丰富的元素Ti为原料，大量节省了地球上稀缺的战略贵重金属W、CO等8。1.4 本文研究内容 本实验使用WC粉、TiC粉、TiN粉、Mo粉、Ni粉、C粉 和Cr3C2粉为原料，采用真空烧结法制备出高性能的Ti(C,N)基金属陶瓷。研究了不同烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织和力学性能的影响，为生产高品质的 Ti(C,N)基金属陶瓷材料提供有效的依据。2 实验部分2.1主要设备和原料2.1.1实验原料与试剂实验所用的原料为 WC粉、TiC粉、TiN粉、Mo粉、Ni粉、C粉 和Cr3C2粉、聚乙烯醇和无水乙醇。2.1.2实验设备主要仪器设备如表1所示。表 1 本实验所用主要仪器设备名称型号生产厂家行星球磨机DN2南大天尊电子有限公司真空气氛管式炉CVD(G-0710512)合肥日新高温技术有限公司真空气氛管式电炉SK-G05123K天津市中环实验电炉有限公司 远红外电热鼓风干燥箱YHG-600上海跃进医疗器械厂电子万能试验机CSS-44100长春试验机研究所洛氏硬度计HR-150A莱州华银试验仪器公司X射线衍射仪DX-2700丹东方圆仪器有限公司扫描电镜(SEM)S-3400N日本日立公司抛光机P-2泰兴市金相船舶设备厂 镶嵌机XQ-2泰兴市金相船舶设备厂电动液压制样机DDJ-30湘潭仪器仪表有限公司电子天平MP5002上海舜宇恒平科学仪器有限公司2.2 试样材料的成分设计混合料成分配比如表2所示。表 2 试样的设计成分(wt.%) TiC Mo TiN C WC Ni Cr3C2 39 16 10.6 1.1 13.7 19 0.62.3实验工艺流程试样制备流程工艺为：配料球磨混料烘干造粒过筛压样脱蜡真空烧结(1) 配料：根据表2成分配比，在电子天平准确称取试验原料150 g，然后装进球磨罐。(2) 球磨混料：上述粉末充分混合后，按5:1的球料质量比在球磨罐中加入硬质合金球，再加入适量无水乙醇。将球磨罐放在DN2型行星球磨机并固定好，设置转速参数260 r/h，球磨时间为24 h。(3) 烘干：将球磨24 h后的料浆放进YHG-600型电热鼓风烘干箱烘干，温度为70 ，烘干时间为30min(或者烘干到震荡时有粉尘扬起即可)，待冷却后，装进密封袋。(4) 造粒：烘干后的混料，称取50 g放入球磨罐，加入造粒剂（将聚乙烯醇与蒸馏水按9:100混合，放入电热恒温水浴锅设置温度为90 ，不断搅拌直到聚乙烯醇完全溶解），充分搅拌，直到出现较为均匀的颗粒。(5) 过筛：将造粒后的混料放在检验筛中，检验筛分别按照20目、40目、60目、80目、100目、120目叠放，待震荡后，各自取出密封待用。(6) 压样：准确称取6 g混料，压制过程在DDJ-30型电动液压制样机上进行。压制压力为20MPa，加载速率5 mm/min，保压时间为10 s，卸载速率10 mm/min；按照此步骤压制4组试样。压制工艺曲线如图2.1所示。图 2.1 混料压制工艺曲线(7) 脱蜡：成型试样放入SK-G05123K型真空气氛管式电炉进行脱蜡。脱蜡工艺曲线如图2.2所示。图 2.2 Ti ( C, N)基金属陶瓷的脱蜡工艺曲线(8) 烧结：本试验采用真空烧结法，在CVD(G-0710512)型真空气氛管式炉里进行。在固相烧结阶段真空度要控制在110 Pa之间，液相烧结阶段真空度要控制在110-2 Pa之间。将试样分别在1420 、1430 、1440 、1450 下烧结，保温时间均为60min。烧结温度工艺曲线如图2.3所示。从烧结工艺曲线中可以看出，在 800 设置了保温台阶，目的是恢复炉内的真空度。在800 以下，传热以对流为主，而在真空炉中几乎没有空气对流，故设置这一保温台阶有利于试样均温热透，减小材料的热应力。1220 的保温，主要目的是在液相出现之前，让气体尽可能多地挥发、排除，使液相烧结阶段的真空度保持在110-2 Pa之间，有利于后续烧结时材料致密度的提高。1350 缓慢冷却，主要是降低烧结试样的内应力，防止试样弯曲开裂。 图 2.3 Ti ( C, N)基金属陶瓷的烧结温度工艺曲线2.4 分析与检测2.4.1 抗弯强度测试抗弯强度(Bending strength)测试是评定工程陶瓷材料强度的主要实验方法。该方法简单易行，且不同材料之间有可比性。本实验采用三点弯曲法测试抗压强度，跨距14.5 mm。测试设备为CSS-44100型电子万能试验机。三点抗弯强度(b)计算公式如下：b (2-1) 式中：P-为最大断裂载荷(N)； L-为二支点间的跨距(mm)； b-为试样横截面的宽度(mm)； h-为试样横截面的高度(mm)。2.4.2 硬度测试试样经磨制、抛光后，采用HR-150A型洛氏硬度计测量材料的硬度，试验力为60 kgf，保压时间为10 s，各试样多次测量取平均值。2.4.3 显微组织观察试样经打磨、抛光、超声波清洗后采用S-3400N型扫描电镜(SEM)在背散射电子(BSE)模式下观察显微组织，在二次电子(BEI)模式下观察试样的断口形貌。3 结果与讨论3.1 烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷显微组织的影响不同烧结条件下Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织如图3.1所示。由图3.1可知：当试样在1420 下保温60 min时，显微组织分布不均匀，硬质相团聚现象严重，且有些硬质颗粒周围的环形相包覆的不完整。当试样在1430 下保温60 min时，硬质相小颗粒已经部分溶解到大颗粒中，大颗粒所占比例明显增加，且在大硬质颗粒周围形成了包覆完整较薄的环形相。当试样在1440 下保温60 min时，硬质相周围的环形相包覆完整且厚度增加，显微组织分布十分均匀，硬质相颗粒的凸起部分溶解而逐渐球化，且在周围形成了包覆完整的环形相。当在1450 下试样保温60 min时，环形相厚度明显增加。这是由于在1450 的高温烧结下，液相挥发加剧，尤其TiN在高温下分解严重，产生了大量的N2，很难完全排除干净，从而会在材料内部形成闭孔，导致环形相的厚度有所增加，这表明烧结温度偏高。 图 3. 1 不同烧结温度下Ti(C,N)基金属陶瓷的显微组织(a) 1420 60 min；(b) 1430 60 min；(c) 1440 60 min；(d)1450 60 min3.2 烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷力学性能的影响图 3.2 不同烧结温度下Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度不同烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度见图3.2。由图3.2可知，在1440 的高温烧结条件下，材料的抗弯强度最高。这是因为组织分布均匀、环形相包覆完整且包覆厚度适中。图 3.3 不同烧结温度下Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度不同烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷的硬度如图3.3所示。由图3.3可知，在1440 的高温烧结条件下，材料的硬度最高。这是由于在此温度下烧结时，不断溶解的小颗粒在大颗粒表面析出，导致硬质相不断聚集长大，硬度增强。为了进一步了解烧结温度对Ti(C,N)基金属陶瓷的影响，对各试样进行断口分析，其断口形貌如图3.4所示。由图3.4可知，在1440 下保温60 min时烧结时，材料端口有层次感较强的形貌、较发达的撕裂能、明显的粘结相塑性变形和断口形貌中韧窝较多，这表明在此烧结条件下材料有较好的界面结合，材料的力学性能较高。 图3.4 不同烧结温度下Ti(C,N)基金属陶瓷的断口形貌(a) 1420 60 min；(b) 1430 60 min；(c) 1440 60 min；(d)1450 60 min4 结论(1)在Ti(C,N)基金属陶瓷中，由于不同的烧结温度，溶解析出过程进行的程度不同，使环形相的包覆程度和厚度不同，硬质相颗粒大小有异，从而影响其力学性能。随着烧结温度的升高，Ti(C,N)基金属陶瓷的抗弯强度和硬度随之增加，显微组织更加均匀。(2)在Ti(C,N)基金属陶瓷中，在1440 保温60 min时，金属陶瓷的显微组织分布的十分均匀，得到厚度适中的环形相，从而可获获得优良的力学性能。(3)在Ti(C,N)基金属陶瓷中，在1450 保温60 min时，材料内部形成闭孔，导致环形相的厚度有所增加，导致力学性能降低，这表明烧结温度偏高。参考文献1 王荣国, 武卫莉, 谷万里主编. 复合材料概论M. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 20022 郭瑞松主编. 工程结构陶瓷M. 天津: 天津大学出版社, 20023 徐润泽.粉末冶金结构材料学M .长沙:中南工业大学出版社,19984 MARI D, GONSETH D R. 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