分享：Ni-Mo黏结剂含量对放电等离子烧结TiC0.7N0.3 基 金属陶瓷力学性能的影响

黄梓键,罗展鹏,张 展,张 岩,郭伟明,林华泰 (广东工业大学机电工程学院,广州 510006) 

摘 要:以 TiC0.7N0.3、WC、碳、镍和钼粉为原料,通过放电等离子烧结技术制备了含质量分数 0,2%(Ni-Mo),10%(Ni-Mo)黏结剂的 TiC0.7N0.3 基金属陶瓷,研究了黏结剂含量对金属陶瓷微观 结构和力学性能的影响。结果表明:TiC0.7N0.3 基金属陶瓷具有典型的黑芯-灰环结构,随着 Ni-Mo 黏结剂含量的增加,金属陶瓷的相对密度增大,芯相 TiC0.7N0.3 比例降低,环相(Ti,W,Mo)(C,N)比例 增加,TiC0.7N0.3 颗粒尺寸减小,断裂韧度增大,硬度先升高后基本不变。含质量分数10%(Ni-Mo)黏 结剂的金属陶瓷具有优异的综合力学性能,其硬度达到17.14GPa,断裂韧度达到6.76MPa·m 1/2。 

关键词:TiC0.7N0.3 基金属陶瓷;Ni-Mo黏结剂;微观结构;断裂韧度;硬度 中图分类号:TQ174.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)08-0105-04

0 引 言 

Ti(C,N)基金属陶瓷是以 Ti(C,N)化合物为主 要硬质组分,另外还会添加一些难熔金属碳化物或者 氮化物,并以镍、钼、钴等为黏结剂,有时也会用钴部 分取代镍的一种复合金属陶瓷材料[1]。Ti(C,N)基 金属陶瓷具有较高的硬度以及良好的化学稳定性, 经常用来制作金属切削刀具[2]。与已经发展比较成 熟的硬质合金刀具相比,Ti(C,N)基金属陶瓷刀具 在加工钢铁零件时,零件表面粗糙度更低,且由于其 优良的耐磨性和可靠性,特别适合近净成形和薄壁 零件加工[3]。但是,由于 Ti(C,N)基金属陶瓷的断 裂韧性较差,其应用范围受到了一定限制。因此,提 高 Ti(C,N)基金属陶瓷的断裂韧性成为迫切需要 解决的问题。 目前,提高 Ti(C,N)基金属陶瓷断裂韧性的方 法主要包括改善烧结工艺,优化成分[4],添加氧化物 颗粒、碳纳米管、纳米晶须等[5-6],其中对金属相成分进行优化是最有效且成本较低的增韧方法。在传统 的真空或气氛烧结中,由于烧结时间长,容易导致晶 粒粗大,不利于提高 Ti(C,N)基金属陶瓷的力学性 能。近年来,放电等离子烧结技术因具有升温速率 快、烧结时间短的特点,而在金属陶瓷烧结中得到应 用[7],该技术可以大幅缩短烧结时间,抑制晶粒长 大,从而改善材料的力学性能[8]。在 Ti(C,N)基金 属陶瓷中加入钴或镍等黏结剂可以降低钛在黏结剂 中的固溶度,稳定 Ti(C,N)相,提高金属陶瓷的强 韧性[9-10]。研究[11]发现,钴和镍作为混合黏结剂时 会细化 Ti(C,N)基金属陶瓷的晶粒尺寸,进一步提 高其韧性。添加碳也可以起到细化晶粒,提高韧性 的作用[12]。引入第二相碳化物(如 WC、TaC、NbC) 等可以强化晶界,提高 Ti(C,N)基金属陶瓷的韧 性[13-14]。分析认为,在存在黏结剂的前提下添加第 二相碳化物可以改善黏结剂对 Ti(C,N)基金属陶 瓷的润湿性,强化晶界,从而进一步提高金属陶瓷的 韧性。目前,有关提高 Ti(C,N)基金属陶瓷力学性 能的研究主要集中在改变第二相的种类及含量方 面,但是少见有关采用放电等离子烧结技术并引入 适量的 Ni-Mo黏结剂来提高 Ti(C,N)基金属陶瓷 力学性能方面的报道。因此,作者以 Ni-Mo作为黏 结剂,并添加少量的 WC 和碳作为第二相,研究了 黏结剂含量对放电等离子烧结 TiC0.7N0.3 基金属陶 瓷微观 结 构 与 力 学 性 能 的 影 响,以 期 为 高 性 能 Ti(C,N)基金属陶瓷的制备提供参考。 

1 试样制备与试验方法 

试验原料包括 TiC0.7N0.3 粉(纯度99%,平均粒 径1μm)、WC粉(纯度99.9%,平均粒径0.3μm)、 碳粉(纯度 99.8%,平 均 粒 径 20nm)、镍 粉 (纯 度 99.99%,平均粒径1μm)和钼粉(纯度99.99%,平 均粒径4μm)。按照表1中的组成称取原料,3组 试样 中 Ni-Mo 黏 结 剂 的 质 量 分 数 分 别 为 0.2%, 10%,将称好的粉体装入球磨罐中,以乙醇为球磨溶 剂,以硬质合金球为磨球进行球磨混合,粉料与磨球 质量比为1∶5,粉料与乙醇质量比为1∶3,球磨转速 为300r·min -1,球磨时间为24h。球磨完成后将 粉体在80 ℃下干燥12h,再用孔径为0.15mm 的 筛网进行过筛,得到混合粉体。将粉体放入石墨模 具中,再放入 FCT H-HP10-FL型放电等离子烧结 炉中,以150 ℃·min -1的速率升温到1300 ℃进行 烧结,烧结压力为30MPa,保温时间5min,烧结气 氛为 N2。 采用阿基米德法测定金属陶瓷的实际密度,通 过混合法则计算理论密度,实际密度与理论密度的 比值为相对密度。采用 D8ADVANCE 型 X 射线 衍射仪(XRD)对金属陶瓷进行物相分析,采用铜靶, Kα 射线,镍片滤液,陶瓷 X射线管功率为3kW,分析 的步 长 0.0131°,扫 描 范 围 为 30°~70°。用 UHR SU8220型扫描电镜(SEM)观察金属陶瓷的微观结 构。采用 HXD-2000TM 型显微硬度计通过压痕法 测金属陶瓷的断裂韧度,压痕载荷为98N,保载时 间为10s;采用同一设备对金属陶瓷的硬度进行测 试,载荷为9.8N,保载时间为10s。 

2 试验结果与讨论

 2.1 物相组成

 由 图 1 可 以 看 出:金 属 陶 瓷 的 主 相 均 为 TiC0.7N0.3 相,在 Ni-Mo 含 量 较 高 的 TCN2 和 TCN10试样中检测到微量镍相。XRD 谱中未检测 出钼、WC等其他物相,这是由于金属陶瓷在烧结过 程中存在溶解-析出机制,WC、钼固溶到 TiC0.7N0.3 中形成(Ti,W,Mo)(C,N)[15]。(Ti,W,Mo)(C,N) 与 TiC0.7N0.3 晶体结构都是面心立方结构,点阵常 数几乎相同[16],因此通常在 XRD 谱中均只表现为 TiC0.7N0.3 相的衍射峰。由于添加的碳含量很少,因 此 XRD谱中未检测出碳的衍射峰。 

2.2 相对密度与微观结构

 TCN0、TCN2、TCN10试样的相对密度分别为 106 黄梓键,等:Ni-Mo黏结剂含量对放电等离子烧结 TiC0.7N0.3 基金属陶瓷力学性能的影响 89%,92%,97%,随着 Ni-Mo黏结剂含量的增加, 金 属 陶 瓷 的 相 对 密 度 增 大。Ni-Mo 黏 结 剂 对 TiC0.7N0.3 硬质相具有良好的湿润性,一方面在烧结 过程中黏结剂可充分填充到硬质相的晶界并形成毛 细管,从而促进致密化,另一方面黏结剂促进了硬质 相之间的溶解析出,改善了晶粒之间的扩散作用,从 而促进致密化。 由图2可 以 看 出:随 着 Ni-Mo黏 结 剂 含 量 的 增加,金属陶瓷中气孔数量减少,这与相对密度结 果相吻合;所 制 备 的 金 属 陶 瓷 具 有 典 型 的 芯 环 结 构[17],其 中 芯 为 黑 色 的 TiC0.7N0.3,环 则 为 灰 色 (Ti,W,Mo)(C,N)。TCN0试样芯环结构中的芯 TiC0.7N0.3 相对粗大,并且只有少数具有明 显 的 芯 环结构,这些芯环 结 构 是 由 球 磨 过 程 引 入 的 WCCo杂 质 与 TiC0.7N0.3 之 间 扩 散 固 溶 形 成 的。 与 TCN2试样相比,TCN10试样的芯相比例减少,环 相厚度增加。随着 Ni-Mo黏结剂含量的增加,金属 陶瓷的 TiC0.7N0.3 硬质相颗粒尺寸减小,这是由于 钼固溶于镍时,使得钛在镍中的固溶度降低,碳氮化 合物的稳定性提高,并促使富含镍、钼的环相先生 成,从而抑制了 TiC0.7N0.3 颗粒的溶解再析出,导致 硬质相颗粒的尺寸减小[18-20]。

2.3 力学性能

由图 3 可以看出,TCN0、TCN2、TCN10 试样 的维氏硬度分别为12.11,17.05,17.14GPa。随 着黏结剂的加入,金属陶瓷的硬度升高,这是因为 Ni-Mo黏结剂的加入提高了金属陶瓷的相对密度, 细化了颗粒,形成均匀分布的硬质相,从而提高了金 属陶瓷的硬度。由于黏结剂硬度较低,当其含量过 多时,会降低金属陶瓷的硬度,与相对密度提升带来 的硬 度 增 加 效 果 相 互 抵 消,因 此 TCN2 试 样 与 TCN10试样的硬度差别不大。TCN0、TCN2、TCN10 试样的断裂韧度分别为3.00,5.20,6.76MPa·m 1/2,这 表明 Ni-Mo黏结剂的加入可以显著改善金属陶瓷的 断裂韧性。Ni-Mo黏结剂的加入促使金属陶瓷芯部 周围形成环相,环相可以改善黏结剂对 TiC0.7N0.3 颗 粒的润湿性,抑制 TiC0.7N0.3 颗粒的生长和聚集[21], 同时由于黏结剂是金属相,具有一定的塑性变形能 力,因此随着黏结剂的增加,金属陶瓷的断裂韧性提 高。综上可知,含质量分数10%(Ni-Mo)黏结剂的 TiC0.7N0.3 基金属陶瓷具有优异的综合力学性能。 

3 结 论 

(1)随着 Ni-Mo黏结剂含量的增加,放电等离 子烧结技术制备得到 TiC0.7N0.3 基金属陶瓷的相对 密度增大,气孔数量减少;金属陶瓷具有典型的黑 芯-灰环结构,TiC0.7N0.3 颗粒被(Ti,W,Mo)(C,N) 相包裹,随着 Ni-Mo黏结剂含量的增加,金属陶瓷 的芯相比例降低,环相比例增加,TiC0.7N0.3 颗粒尺 寸减小。 (2)随着 Ni-Mo黏结剂含量的增加,金属陶瓷 的断裂韧度增加,而硬度先升高后基本不变,含质量 分数10%(Ni-Mo)黏结剂的 TiC0.7N0.3 基金属陶瓷 具有优良的综合力学性能,其硬度达到17.14GPa, 断裂韧度达到6.76MPa·m 1/2。

来源：材料与测试网