纳米改性金属陶瓷刀具材料最佳纳米粉添加量的研究_图文

1、纳米改性金属陶瓷刀具材料 最佳纳米粉添加量的研究谢 峰 刘 宁 张崇高 杨海东合肥工业大学 , 合肥 , 230009摘要 :提出了将纳米 T i N 粉体添加到常规的金属陶瓷中来制备纳米 T i N 改性金属陶瓷刀 具材料的新方法 , 着重对最佳的纳米 T i N 的添加量进行了研究 。 对含不同纳米 T i N 添加量试 样的力学性能测试表明 , 不同的纳米 T i N 添加量对所研制的金属陶瓷刀具材料的力学性能的 影响是不同的 , 当纳米 T i N 添加量在 6%8%时 , 可获得较好的综合力学性能 。 分析了不同 的纳米 T i N 添加量对材料微观组织的影响 。关键词 :金属陶瓷

2、; 纳米改性 ; 力学性能 ; 纳米复合材料中图分类号 :TG113. 264 文章编号 :1004 132 (2005 15 1395 03R esearch on the Opti m al Nano -powder Adding A m ount to N ano -m odified C er m et CutterX ie Feng L i u N i n g Zhang Chonggao Yang H aidongH efe iUniversity o fTechnology , H efe, i 230009Abst ract :According to th is idea ,

3、 t h e m ethod i s used in this paper to deve l o p nano-T i N m odified cer m e t cutter by adding nano-T i N po wder to conventional cer m e. t Especia ll y the opti m al nano -powder add i n g a -m ount is stud ied . The m easure m ents o f m echanical properties to different sa m ple , wh ich co

4、ntai n s d ifferen t nano-T i N addi n g a m oun, t state that different nano-T i N add i n g a m ount result in d ifferentm echan ica l proper -ties o f deve l o ped cer m e. t The better co mb i n ed m echan ical pr operties can be obta i n ed w hen the add i n g is 68%.I n the sa m e ti m e the m

5、 icrostructure is also analyzed for different cer m et sa m ples that contain d ifferen t nano-T i N addi n g a m oun. tK ey w ords :cer m e; t nano m od ificati o n ; m echan ica l property ; nano co m posite m aterial收稿日期 :2004 08 13基金项目 : 九五 国家科技攻关 项目 (99-D049; 教育 部留学 回国人员基金资助项目0 引言在纳米材料的研究和生产应用中

6、 , 对纳米复 合材料的研究一直都受到 人们的重视。 20世纪 90年代后期科学家们提出了在 常规材料中添加 纳米粉末使材料 (特别是陶瓷 性能改善的想法 , 并取得了一些具有商业价值的研究成果 13。T i(C , N 基金属陶瓷刀具材料是一种新型的 刀具材料 , 具有硬度高、 耐磨损以及高温抗软化能 力和抗氧化能力强的特点 , 但也存在抗塑性变形 能力和抗崩刃性能差及韧性不好等缺点。因此 , 长期以来对金属陶瓷刀具进行增韧一直是材料科 学工作者努力的方向 , 近年来出现的通过纳米材 料添加对传统材料进行改性的新方法 , 为金属陶 瓷刀具的增韧提供了新的途径。在制备纳米 T i N 改性的

7、T i C 基金属陶瓷刀具 材料的工艺过程中 , 除了要研究合理的纳米 T i N 粉末的分散工艺以及完善的制备工艺之外 , 最佳 的纳米 T i N 添加量也是值得研究的一个问题。一般来说 , 纳米粉添加量对材料性能的影响也不是 单调的 , 并不是说添加量越大材料的 性能越好。 合适的纳米微粉添加量 , 可获得较优的材料综合 性能 2, 3。在用纳米改性技术制备纳米复合材料时 , 有一最佳的纳米粉末添加量 , 同样在制备纳米 T i N 改性的 T i C 基金属陶瓷刀具材料中 , T i N 纳米 粉末的添加量也有一最佳值。1 实验方案T i(C , N 基金属陶瓷属于硬质合金类 , 通常

8、 以 T i C 为主要 成分 , N i 作为粘 结金属 , 我 们研制 的是添加 T i N 的 T i(C , N 基金属陶瓷 , 其中 T i N 是纳米级的微粉。纳米 T i N 改性 T i C 基金属陶瓷 刀具的 基础成分主要包括 T i C 、 T i N 、 W C 、 N i 、 Co 、 M o 、 C 。 各 化 学 成 分 的 的 质 量 分 数 如 下 :w (Ti C , W C =54%, w (T i N =10%, w (Mo =15%, w (Ni =15%, w (Co =5%, w (C =1%。 在上述成分中 , T i C 、 T i N 及 W

9、C 是金属陶 瓷刀具 的硬质相 , N i 为主要的粘结相 , 由于 Co 具有比 N i 更高的韧性和硬度 , 与硬质相润湿好 , 能减少合金 孔隙度 , 故以 Co 部分取代 N i 可使金属陶瓷具有纳米改性金属陶瓷刀具材料最佳纳米粉添加量的研究 谢 峰 刘 宁 张崇高等高硬度和高强度的良好匹配4。而 M o 能显著改 善液态金属对硬质相的润湿性 , 烧结时能抑制碳 化物相晶粒的长大 , 对烧结后金属陶瓷的性能影 响也很大 5。为了求出最佳的纳米 T i N 添加量 , 本实验通 过改变纳米 T i N 在 T i C -T i N -N i-M o 系金属陶 瓷中的添加量来制备出不同组分

10、的试样 , 并测定 出各组分试样的力学性能 , 从而得出最优的纳米 T i N 的添加量。实验采用固定的工艺方法来制取 各组分的金属陶瓷试样 , 测试 抗弯强度 bb 和断 裂韧性 K I C 的试样的形状如图 1 所示。(a 测试抗弯强度试样(b 测试断裂韧性试样图 1 测试力学性能的试样 (跨距为 25mm 表 1列出了纳米 T i N 不同添加量的各试样成 分。制得金属陶瓷试样后 , 对试样进行线切割、 磨 削 , 使之达到图 1所示 尺寸要求 , 然后在 DCS 3000型材料试验机上用三点弯 曲法测试试样抗 弯强度 bb 和断裂韧性 K I C , 在普通洛氏硬度仪上 测量试样硬度。

11、每个试验点取一个试样 , 经表面 抛光处理后 , 在 H I TACH I X 650型扫描电镜上 观察试样组织。表 1 纳米 T i N 改性金属陶 瓷试样成分试样号质量分数 (%纳米 T i NT i CN i12243648510其余 202 添加纳米 T i N 对材料力学性能的影响按照上述的实验步骤和材料成分 , 可得出纳 米 T i N 添加量对材料的抗弯强度、 断裂韧性、 硬度 的影响规律 , 分别见图 2、 图 3、 图 4(图中数据为 12个试样的平均值 。从图 2图 4中可看出 :在纳米 T i N 的添加 量较小 (小于 4% 时 , 抗弯强度、 断裂韧性的值随 纳米 T

12、 i N 的添加量的增加而略有增加 , 而硬度略图 2 纳米 T i N 添加量对 金属陶瓷抗弯强度的影响有 下 降。当 添 加 量 继续增加时 , 抗弯强 度、 断裂 韧 性、 硬度 的值 都 有 较 明 显的 增 大 , 其 中 , 断 裂韧 性 在 纳米 T i N 的 添 加量为 6%时达到最大 值 12 7MPa m 1/2, 图 3 纳米 T i N 添加量对 金属陶瓷断裂韧性的影响 抗弯强度在纳米 T i N 的添加量为 8%时达 到最 大值 1310M Pa , 硬 度 在纳 米 T i N 的 添加量为 6%时达到 最大值 H RA92 9, 随 后三者都降低 , 强度 图

13、4 纳米 T i N 添加量对 金属陶瓷硬度的影响降低较为缓慢。在 图 2图 4中 , 当纳米 T i N 添加 量小于 4%时 , 随添加量的增加 , 各力学 性能 增 加 不 明 显甚至有所下降 , 这是由于所添加的 T i N 纳米颗粒大部分都溶入液相中所 致 , T i N 在高温液相中 的溶解度较大 (明 显高于 T i C , 加之纳米颗粒的表面能和表面活性较高 , 所 以纳米 T i N 颗粒在最终的烧结材料中残留下来的 并不多 (通过电镜 照片发现 , 在 纳米 T i N 添加量 为 2%的金属陶瓷中几乎找不到残存的纳米 T i N 颗粒 , 因此起到的强韧化 作用非常有限。

14、同时 由于前述的纳米 T i N 添加带来的孔隙 等负面影 响 , 它的加入还有可能导致 材料某些性能 (如硬 度 的下降。当纳米 T i N 的添加量逐渐增加时 , 材料中实 际存在的纳米 T i N 颗粒不断增多 , 其强韧化的效 果也逐步体现出来 , 加上 T i N 本身对 T i C 基金属 陶瓷的强韧化作用 , 各力学性能都有了较大幅度 的增加。从上述分析可知 , 不同的纳米 T i N 添加量对 所研制的金属陶瓷刀具材料的力学性能的影响是 不同的 , 当 T i N 纳米添加量在 6%8%时 , 可获 得较好的综合力学性能。3 纳米 T i N 添加量对材料微观组织的影响不同纳米

15、 T i N 添加量下的金属陶瓷组织的扫 描电镜 (SE M 照片见图 5。从图 5中可以看出 , 随着纳米 T i N 添加量的中国机械工程第 16卷第 15期 2005年 8月上半月(a w (T i N =2%(b w (T i N =6%(c w (T i N =10%图 5 纳米 T i N 改性 T i C 基金属陶瓷组织 (SE M (3000 增加 , 金 属陶瓷的组织逐渐变细 , 当添加量大于 6%时 , 组织明显细化。纳米 T i N 的添加对金属陶 瓷组织的细化作用有以下几方面的原因 :(1 T i N 的加入对 T i C 基金属陶瓷的组织有 细化作用。 T i N 在

16、金属陶瓷中 或与 T i C 、 N i 等形 成固溶体 (T, i N i (C , N 覆于 T i C 或 T i N 的表面 (即形成所谓 SS 相 , 或残留下来作为硬质相。 当其 (特别是 N 处于 SS 相 中时 , 可阻止 M o 向 硬质相核的扩散和 N 、 T i 通过 N i 的扩散 , 以及 M o 向 SS 相 的析出 , 这使得硬质 相核心的粒径与 SS 相 的厚度都减小 6。同时 , T i N 还可以使得 材料中出现的液相温度上升 , 从而可以抑制 N i 中 T i 和 M o 的扩散。这两方面的效应都能使金属陶 瓷的晶粒细化。(2 如果部分纳米 T i N

17、颗粒在烧结过程中未 被溶解 , 也未向硬质相扩散而依附于硬质相长大 , 则有可能以单个颗粒的形式或数个颗粒或更多一 些的颗粒聚集长大而成的较大纳米颗粒 (基本上 仍属于纳米级 的形式在两个或数个硬质相的晶 界上存在。这种位于晶界上的纳米 T i N 颗粒可以 阻碍晶界移动 , 有效地阻止晶粒长大。在所制备 的纳米 T i N 改性的金属陶瓷材料中可以清晰地观 察到以上述方式存在的纳米 T i N 颗粒。由图 6可 明显地观察到存在于晶界中的纳米颗粒以及纳米 颗粒与周围界面的位置关系。(3 对实验中有瞬时液相出现的烧结过程来 说 , 纳米颗粒虽然活性较高 , 易被液相溶解 , 但如 果颗粒数量足

18、够多 , 则在液相结晶时会有部分颗 粒仍未溶解 , 这些颗粒可提供大量的形核核心 , 并 可得到较细的晶粒 , 特别是硬质相颗粒。对纳米 T i N 添加量较高的试样 , 如在纳米 T i N 添加量为 10%的试样中就可能有这种细化机制在起作用。 虽然纳米 T i N 颗粒的加入有利于得到细晶结 构 , 使材料的综合力学性能得到提高 , 但纳米粉的 添加也会带来不易致密的缺点 , 使材料的组织中 有孔隙存 在 , 尤其 是当 纳米 T i N 的 添加 量高 于(a 明场像 (80000 (b 暗场像 (80000 (c 衍射花样 (80000 (d 标定图 6 晶粒晶界上的纳米 T i N

19、 颗粒10%时 , 孔隙较明显且分布较广 , 显然这对材料的 强度、 硬度、 韧性等各种力学性能都会产生不利的 影响 , 图 2图 4中不同纳米添加量试样的力学 性能的变化也验证了这一点。另外 , 纳米 T i N 的添加还带来如下一些问题 :由于纳米 T i N 生产工艺过程的特点和纳米粉的巨 大比表面所造成的强吸附性 , 使纳米 T i N 中含有 较多的 C 元素和 O 元素。 C 在高温下或是与 O 结合生成 CO 2等气体放出或是残存在材料中造 成孔隙、 夹杂等缺陷。此外 , O 还非常不利于液相 对硬质相的润湿及硬质相与 相的结合。这些 因素都是纳米 T i N 添加带来的负面影响

20、 , 材料组 织中的孔隙是这些因素综合作用的结果。4 主要结论综上所述 , 用纳米 T i N 对 T i C 基金属陶瓷刀 具材料进行改性 , 其添加量有一最佳值 , 过多或过 少都不能获得最佳的刀具材料性能。由于纳米微粒所特有的效应 , 使得经纳米改 性的金属陶瓷材料具有优良的综合性能。对所研 制材料的力学性能测试表明 , 纳米改性后的金属 陶瓷刀具材料比不加纳米 T i N 的金属陶瓷刀具材 料的力学性能得到提高 , 这为金属陶瓷的增韧提 供了一条有效的途径。具体的切削试验也表明该 刀具具有良好的切削性能。参考文献 :1 新原皓一 . ! #復合 體 構造制御 機械的性 質 . 粉體 粉

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